光刻概述

《微电子学导论》课程报告题目：光刻工艺概述姓名：王泽卫学号：2011700214专业：材料科学与工程完成日期：2014年11月17日《微电子学导论》课程报告2光刻工艺概述摘要：从半导体制造的初期，光刻就被认为是集成电路制造工艺发展的驱动力。直到今天，集成电路正致力于把更多的器件和组合电路集成在一个芯片上，这种趋势仍在延续。在半导体制造业发展的五十年来，正像摩尔定律所阐明的，相比于其他单个技术来说，光刻对芯片性能的发展有着革命性的贡献。本文将从光刻的原理、工艺流程、以及目前先进的光刻工艺等几个方面对其进行介绍。关键词：光刻原理、光刻工艺流程、先进光刻工艺一、光刻概述（一）光刻的概念及原理光刻就是利用照相复制与化学腐蚀相结合的技术，在工件表面制取精密、微细和复杂薄层图形的化学加工方法。在光刻的过程中，使用光敏光刻胶材料和可控制的曝光在硅片表面形成三维图形。光刻过程的其他说法是照相、光刻、掩膜、图形形成。总的来说，光刻指的是将图形转移到转移到一个平面的任一复制过程。因此，光刻有时就是指“复制”。光刻的原理就是利用光致抗蚀剂(或称光刻胶)感光后因光化学反应而形成耐蚀性的特点，将掩模板上的图形刻制到被加工表面上。在光刻的过程中，为获得令人满意的光刻图形，对光刻提出了几点要求：高分辨率；光刻胶高光敏性；精确对准；精确的工艺参数控制；低缺陷密度。（二）光刻胶光刻胶也称为光致抗蚀剂，它是由感光树脂、增感剂和溶剂三部分组成的对光敏感的混合液体。光刻胶主要用来将光刻掩模板上的图形转移到元件上。根据光刻胶的化学反应机理和显影原理，可将其分为：正性光刻胶和负性光刻胶。负性光刻胶把与掩膜版上图形相反的图形复制到硅片表面。正性光刻胶把与掩膜版上相同的图形复制到硅片表面。根据所能形成的图形的关键尺寸可将其分为：传统光刻胶（包括I线、G线和H线）和深紫外光刻胶。传统的光刻胶只适用于线宽在0.35μm和以上的硅《微电子学导论》课程报告3片非关键层，关键尺寸最小的是I线光刻胶。深紫外光刻胶可用于制作0.25μm及以下关键尺寸。二、光刻工艺流程光刻工艺是一个复杂过程，它有很多影响其工艺宽容度的工艺变量。例如较小的特征尺寸、对准偏差、掩膜层数以及硅片表面的清洁度等。一般，将光刻工艺分为以下八个步骤：气相成底模处理；旋转涂胶；软烘（前烘）；对准和曝光；曝光后烘焙（中烘）；显影；坚膜烘焙；显影检查。现将八个步骤分述如下：（一）步骤一：气相成底模处理光刻的第一步是清洗、脱水和硅片表面成底膜处理。这些步骤的目的是增强硅片和光刻胶之间的粘附性。清洗：硅片上的沾污物会造成光刻胶与硅片的粘附性很差，从而引起光刻胶的漂移问题，故需要清洗；脱水：光刻胶粘附要求严格的干燥表面，故需要脱水烘焙；成底模的作用是：提高粘附性，成底模所用试剂的成分是六甲基二硅胺烷。（二）步骤二：旋转涂胶成底模处理后，硅片要立即采用旋转涂胶的方法涂上液相光刻胶材料。旋转涂胶有四个基本的步骤：a、低速分滴；b、旋转铺开；c、旋转甩掉；d、溶剂挥发。原光刻胶的溶剂约占65～85%,旋涂后约占10～20%。决定光刻胶涂胶厚度的关键参数：光刻胶的黏度，黏度越低，光刻胶的厚度越薄；旋转速度，速度越快，厚度越薄。影响光刻胶均匀性的参数：旋转加速度，加速越快越均匀；与旋转加速的时间点有关。一般旋涂光刻胶的厚度与曝光的光源波长有关（因为不同级别的曝光波长对应不同的光刻胶种类和分辨率）。（三）步骤三：软烘（前烘）光刻胶涂到硅片表面后必须经过软烘，软烘的目的是：a、将硅片上覆盖的光刻胶溶剂去除；b、增强光刻胶的粘附性以便在显影时使光刻胶可以很好地粘附；c、缓和在旋转过程中光刻胶胶膜内产生的应力；d、防止光刻胶沾到设备上（保持器械洁净）。软烘提高了粘附性，提升了硅片上光刻胶的均匀性，在刻蚀中得到了更好地线宽控制。《微电子学导论》课程报告4（四）步骤四：对准和曝光对准和曝光工艺代表了现代光刻中的主要设备系统。硅片首先被定位在光学系统的聚焦范围内。硅片的对准标记与掩膜版上相似匹配的标记对准后，紫外光就通过光学系统和掩膜版图形投影。1.对准掩膜版与涂了胶的硅片上的位置正确对准。硅片表面可以是裸露的硅，但通常在其表面有一层事先确定的图形。一旦对准，将掩膜版和硅片曝光，把掩膜版图形转移到涂胶的硅片上2.曝光曝光就是对涂有光刻胶的基片进行选择性的光化学反应，使接受到光照的光刻胶的光学特性发生改变。曝光中最重要的两个参数是：曝光能量和焦距。如果能量和焦距调整不好，就不能得到要求的分辨率和大小的图形。表现为图形的关键尺寸超出要求的范围。曝光方法及其设备详细介绍如下：（1）接触式曝光。掩膜板直接与光刻胶层接触。曝光出来的图形与掩膜板上的图形分辨率相当，设备简单。缺点：光刻胶污染掩膜板；掩膜板的磨损，寿命很低（只能使用5～25次）；分辨率0.5μm。（2）接近式曝光。掩膜板与光刻胶层的略微分开，大约为10～50μm。可以避免与光刻胶直接接触而引起的掩膜板损伤。但是同时引入了衍射效应，降低了分辨率，最大分辨率仅为2～4μm。（3）投影式曝光。在掩膜板与光刻胶之间使用透镜聚集光实现曝光。一般掩膜板的尺寸会以需要转移图形的4倍制作。优点：提高了分辨率；掩膜板的制作更加容易；掩膜板上的缺陷影响减小。投影式曝光又可分为扫描投影曝光和步进重复投影曝光。步进重复投影曝光相比于扫描投影曝光：增大了每次曝光的视场；提供硅片表面不平整的补偿；提高整个硅片的尺寸均匀性。但是，同时因为需要反向运动，增加了机械系统的精度要求。（五）步骤五：曝光后烘焙（中烘）为了促进关键光刻胶的化学反应，对光刻胶进行曝光后烘焙是必须的。对基于DNQ化学成分的常规I线胶，进行中烘减少了光刻胶中剩余的溶剂，从而提《微电子学导论》课程报告5高了光刻胶的粘附性并减少了驻波损失。对于CADUV光刻胶，由于光刻胶在曝光过程中，光酸产生剂（PAG）在曝光区产生了一种酸，为使曝光的光刻胶能够在显影液中溶解，烘焙加热光刻胶，引起酸催化的去保护反应，从而使光刻胶能溶解于显影液。（六）步骤六：显影显影是在硅片表面光刻胶中产生图形的关键步骤，显影就是用显影液溶解掉不需要的光刻胶，将光刻掩模板上的图形转移到光刻胶上。显影的方法有以下几种：a、整盒硅片浸没式显影，缺点是：显影液消耗很大，以及显影的均匀性差；b、连续喷雾显影（自动旋转显影）。c、水坑（旋覆浸没）式显影，优点是：显影液用量少；硅片显影均匀；最小化了温度梯度。显影液是根据所使用的光刻胶确定的，对于不同的光刻胶，显影液分为以下几种：a、负性光刻胶的显影液。负胶通过紫外线曝光发生交联硬化，使曝光的光刻胶变得在显影液中不可溶解，所以显影液通常是一种有机溶剂（如二甲苯）。b、正性光刻胶的显影液。正胶的显影液为碱性水溶液。最普通的正胶显影液是四甲基氢氧化铵（TMAH）。一般使用两种类型的正性光刻胶：常规DNQI线胶和CADNQ光刻胶。在I线光刻胶曝光中会生成羧酸，TMAH显影液中的碱与酸中和使曝光的光刻胶溶解于显影液，而未曝光的光刻胶没有影响；在化学放大光刻胶中包含的酚醛树脂以PHS形式存在。PAG产生的酸会去除PHS中的保护基团（t-BOC），从而使PHS快速溶解于TMAH显影液中。整个显影过程中，TMAH没有同PHS发生反应。（七）步骤七：坚膜烘焙显影后的热烘焙称为坚膜烘焙，主要有以下几个目的：a、完全蒸发掉光刻胶里面的溶剂（以免污染后续的离子注入环境，例如DNQ酚醛树脂光刻胶中的氮会引起光刻胶局部爆裂）；b、坚膜，以提高光刻胶在离子注入或刻蚀中保护下表面的能力；c、进一步增强光刻胶与硅片表面之间的黏附性；d、进一步减少驻波效应。对深紫外线坚膜，DNQ酚醛树脂光刻胶可以通过暴露在深紫外线下进行坚膜，曝光使正胶树脂发生交联形成一层薄的表面硬壳，由此增加了光刻胶的热稳定性。《微电子学导论》课程报告6（八）步骤八：显影检查检查发现问题，剥去光刻胶，重新开始。光刻胶图形是暂时的，刻蚀和离子注入图形是永久的，光刻工艺是可以返工的。刻蚀和注入以后就不能再返工。如果不进行显影检查就进行后续工艺，如若失败，必将产生很大的损失。检测手段：扫描电子显微镜（SEM）、光学显微镜。三、先进的光刻工艺由于许多设备和工艺的改进，光学光刻技术的分辨率得到了延伸，特别在以下几个领域的改进：a、减小紫外光源波长；b、提高光学光刻工具的数值孔径；c、化学放大深紫外光刻胶；d、分辨率提高技术；e、硅片平坦以减小表面凸凹度；f、光刻设备的先进性（步进扫描光刻机）。预测实际的光学光刻技术的分辨率极限多年来都是徒劳的。将来的某些分辨率极限使光学光刻技术的扩展不再可行。微结构的制作必须转移为一种可替换的光刻工艺，即下一代光刻技术。调查用于替换光学光刻的下一代光刻技术类型的专业研究正在进行当中。主要有四种光刻技术可能成功代替光学光刻技术：（一）极紫外（EUV）光刻技术极紫外（EUV）光刻技术建立在光学光刻技术的成果之上，使用激光等离子源产生约13nm的紫外波长，并希望光刻图形精度达到30nm。将极紫外光刻技术应用到硅片生产中还有大量的问题需要解决。精密光学系统很难实现高质量表面的严格要求。故此技术能否成为下一代的光刻技术还有待考证。（二）角度限制投影电子束光刻技术（SCALPEL）角度限制投影电子束光刻自20世纪80年代后期发展以来，用已制造的电子束源代替光源成像。使用的多层薄膜掩膜版几乎不吸收电子。当电子束通过一个掩膜版中的高原子数目层时，该层散射出电子在样品表面形成一个高对比度的图形。SCALPEL的掩膜版是一个4倍掩膜版，因而不需要复杂的分辨率提高技术，系统也不需要昂贵的光学系统。第一套商业SCALPEL工具于2002年完成。（三）离子束投影光刻技术（IPL）电子束投影光刻技术早期是用离子束进行光刻胶曝光，或者通过掩膜版，或《微电子学导论》课程报告7者用精确聚焦的电子束连续在光刻胶上直写。如果使用掩膜，则需要采用拼接技术，用一个宽的离子束在硅片表面形成小的曝光场。离子束投影光刻技术能获得非常高地分辨率，研究条件已证明能到达50nm的特征尺寸。（四）X射线光刻技术X射线技术是一种早已经确认的技术，可以在样品上成像关键尺寸小于100nm的图形。X射线源将X射线投影到一种特殊的掩膜版上，在已涂胶的样片上形成图形。但是，这种技术与光学光刻技术相比需要更高的资金投入，因而在微结构制造业并没有得到广泛的应用。四、结论光刻将图形从掩膜版转移到硅片表面的光敏光刻胶上。光刻可分为正性光刻和负性光刻，负性光刻胶在硅片上形成的图形与掩膜版上图形相反，而正性光刻胶在硅片上形成的图形与掩膜版上图形相同。光刻可分为八个基本步骤：（1）气相成底膜，（2）旋转涂胶，（3）软烘，（4）对准和曝光，（5）曝光后烘焙，（6）显影，（7）坚膜烘焙，（8）显影检查。光刻技术的进步带来了亚波长光刻技术，后者图形可以获得小于曝光波长的关键尺寸。为了最终能够替代光学光刻的光刻技术，下一代光刻技术正在评估。主要有四种光刻技术：极紫外（EUV）光刻技术、角度限制投影电子束光刻技术（SCALPEL）、离子束投影光刻技术（IPL）和X射线光刻技术。