光刻工艺及设备培训

光刻工艺及设备培训光刻的本质是把制作在掩膜版上的图形复制到以后要进行刻蚀和离子注入的晶圆上。其原理与照相相似，不同的是半导体晶圆与光刻胶代替了照相底片与感光涂层。光刻简介-SNFF-表面处理涂胶前烘坚膜显影后烘对准&曝光核心工艺检查去胶清洗注入刻蚀否通过黄光室前部工艺光刻流程图-SNFF-衬底光刻胶光刻版光源基本工艺流程•旋转涂胶•对准和曝光•显影-SNFF-光刻胶光刻胶是一种有机化合物，受紫外曝光后，在显影溶液中的溶解度会发生变化。晶片制造中所用的光刻胶通常以液态涂在硅片表面，而后被干燥成胶膜。正性光刻胶正性光刻胶曝光后软化变得可溶负性光刻胶　负性光刻胶在曝光后硬化变得不能溶解。衬底UV衬底衬底resister显影负性胶正性胶光刻版光刻胶-SNFF-•表面处理•涂胶•前烘•对准和曝光•显影•图形检查•坚膜表面处理晶圆容易吸附潮气到它的表面。光刻胶黏附要求要严格的干燥表面，所以在涂胶之前要进行脱水烘焙和黏附剂的涂覆。脱水烘焙的温度通常在140度到200度之间。有时还要用到黏附剂，黏附剂通常使用HMDS（六甲基二硅胺脘）。表面处理的主要作用是提高光刻胶与衬底之间的粘附力，使之在显影过程中光刻胶不会被液态显影液渗透。（如下图）显影液光刻胶衬底渗透Attractiveinteraction是否要使用黏附剂要根据图形大小、衬底及光刻胶的种类来决定，HMDS可以用浸泡、喷雾和气相方法来涂覆。粘附力好表面粘附力差的表面-SNFF-涂胶1.滴胶（静态、动态）2.加速旋转3.甩掉多余的胶4.溶剂挥发1234•表面处理•涂胶•前烘•对准和曝光•显影•图形检查•坚膜-SNFF-实验室现有匀胶设备：SSE涂胶台国产匀胶台双轨自动涂胶显影机-SNFF-表面出现气泡•滴胶时胶中带有气泡•喷嘴尖端切口有问题或带刺放射状条纹•胶液喷射速度过高•设备排气速度过高•胶涂覆前静止时间过长•匀胶机转速或加速度设置过高•片子表片留有小颗粒•胶中有颗粒中心漩涡图案•设备排气速度过高•喷胶时胶液偏离衬底中心•旋图时间过长ProcessTroubleshooting-SNFF-中心圆晕•不合适的托盘•喷嘴偏离衬底中心胶液未涂满衬底•给胶量不足•不合适的匀胶加速度针孔•光刻胶内存在颗粒或气泡•衬底上存在颗粒-SNFF-前烘前烘:目的是蒸发掉胶中的有机溶剂成分，使晶圆表面的胶固化。这个过程中胶中的溶剂基本被蒸发掉，因而通常情况下胶的厚度会变薄（大约减少25%）•表面处理•涂胶•前烘•对准和曝光•显影•图形检查•坚膜烘箱：90度30分钟前烘可在热板或烘箱中进行。每一种胶都有其特定的前烘温度和时间,更厚的胶可能需要更长的时间热板：95度1分钟-SNFF-•烘烤过度:减小光刻胶中感光成分的活性•前烘不足:光刻胶中的溶剂不能完全被蒸发掉，这将阻碍光对胶的作用并且影响到其在显影液中的溶解度（如下图）•肌肤效应-SNFF-对准和曝光曝光工具:•接触式光刻机•步进重复式曝光系统•电子束曝光系统•表面处理•涂胶•前烘•对准和曝光•显影•图形检查•坚膜-SNFF-SUSSMA6及国产光刻机是设计用于实验室扩展研发、小批量生产或者试制生产环境下的高分辨率光刻系统。该机器提供了最好的基片适应性，可夹持不同厚度不规则形状、可变厚度的晶片。同时标准尺寸基片最大直径为150mm或可达6″×6″。国产光刻机SUSSMA6光刻机分辨率：0.7㎛套刻精度：±0.5㎛曝光面积：150*150mm分辨率：0.7㎛套刻精度：±1㎛-SNFF-NIKON分步投影光刻系统（NSR-1755i7B）控制柜分辨率：0.5㎛；线宽的均匀性：MAX-MIN≤0.09㎛；最大曝光场：17.5*17.5（mm）；曝光均匀性：2.0%；套刻精度：LSA：lXl+3σ≤0.12㎛；FIA：lXl+3σ≤0.14㎛；产能：30-60wafer/h-SNFF-曝光光源NameWavelength(nm)ApplicationfeatureSize(µm)MercuryLampG-line4360.50H-line405I-line3650.35ExcimerLaserXeF351XeCl308KrF(DUV)2480.13ArF1930.13FluorineLaserF21570.1国产光刻机光谱SUSS光刻机光谱-SNFF-接触式光刻机的晶片的对准方式：XθZY光刻版上的标记基片上的标记-SNFF-•作为标准的计量坐标系•版台•硅片台坐标系•版自身•硅片自身坐标系其中前面三个属于机器对准机构，后两个是要进行对准的对象对位其实也就是定位步进投影光刻机的对位系统它实际上不是用圆片上的图形与掩膜版上的图形直接对准来对位的，而是彼此独立的。它的对位原理是，在曝光台上有一基准标记，可以把它看作是定位用坐标系的原点，所有其它的位置都相对该点来确定的。分别将掩膜版和圆片与该基准标记对准就可确定它们的位置。在确定了两者的位置后，掩膜版上的图形转移到圆片上就是对准的。-SNFF-显影•表面处理•涂胶•前烘•对准和曝光•显影•图形检查•坚膜用化学显影液将曝光造成的光刻胶的可溶解区域溶解就是光刻胶的显影，其主要目的就是把掩膜版的图形准确复制到光刻胶中。常见的显影液有NaOH(Shipley351),KOH(Shipley606),TMAH(ShipleyCD-26,MF-321,OCG945)等。需要注意的是：所有的这些显影液都会刻蚀铝实验室现有显影机台：SSE显影机手动显影操作台TRACK-SNFF-坚膜好处：•能够改善光刻胶的抗刻蚀、注入能力。•改善光刻胶与晶圆表面的黏附性，有利于后续湿法腐蚀工艺。•改善光刻胶中存在的针孔。SubstrateSubstratePRPRPRPinholeFillbyThermalFlow坚膜就是通过加温烘烤使胶膜更牢固地黏附在晶圆表面，并可以增加胶层的抗刻蚀能力，坚膜并不是一道必需的工艺。•表面处理•涂胶•前烘•对准和曝光•显影•图形检查•坚膜弊端：•可能导致光刻胶流动，使图形精度减低。•通常会增加将来去胶的难度。-SNFF-图形转移加工后，光刻胶已完成它的使命，需要清除掉。去胶有湿法与干法两种。湿法：是用各种酸碱类溶液或有机溶剂将胶层腐蚀掉，最普通的腐蚀溶剂是丙酮，它可以溶解绝大多数光刻胶。干法：用氧气等离子体刻蚀去胶（强氧化去胶）注意：不能用于带有Ag、Cu、ZrO、parylene和聚酰亚胺的基片去胶-SNFF-涂胶：3000rad/min40秒（10微米）软烘：90-100度90-120秒曝光：宽带光源30-40秒显影：AZ400K：水=1：3浸泡60-120秒涂胶：目标30微米以上1200转/分45秒，在热板上90--100度3分钟再涂胶：1200转/分前烘：热板上90--100度3分钟曝光：宽带光源70-80秒显影：AZ400K：水=1：3浸泡60-120秒AZ4620PR实验室现有光刻胶及其工艺-SNFF-作为正性胶使用涂胶：旋涂4000rad/min30秒前烘：90-100度60秒曝光：宽带光源7-10秒显影：标准2.38%TMAH浸泡40-60秒坚膜：110度60秒作为负性胶使用涂胶：旋涂4000rad/min30秒前烘：90-100度60秒曝光：宽带光源4-10秒前烘:110-120度60-120秒泛曝光：宽带光源40-60秒显影：标准2.38%TMAH浸泡40-60秒坚膜：110度60秒5214反转后的剖面图AZ5214实验室现有光刻胶及其工艺-SNFF-涂胶：LOR目标厚度1微米4000rad/min30秒前烘：150-180度60-100秒涂胶：AZ5214标厚度1.5微米4000rad/min30秒前烘：90-10060秒曝光：宽带光源7-10秒显影：标准2.38%TMAH浸泡40-80秒坚膜：110度60秒LOR+AZ5214双层胶工艺LOR+5214双层胶剖面图实验室现有光刻胶及其工艺-SNFF-•电子束光刻系统基本介绍•JBX5500ZA系统介绍•客户使用电子束光刻过程讲解-SNFF-电子束曝光•电子束曝光是利用某些高分子聚合物对电子敏感而形成曝光图形-SNFF-电子束光刻曝光方式1、光栅扫描－－电子束在整个扫描场里作连续扫描，通过控制光闸的通断来确定曝光区与非曝光区。光栅扫描的优点：控制简单，不需对偏转系统进行控制。缺点：由于扫描场的范围较小，必须配合工件台的移动来完成对整个硅片的曝光。2、矢量扫描－－电子束在扫描场里通过偏转系统对电子束进行控制扫描。矢量扫描的优点：是曝光效率高，因为电子束不需对占总面积约60%~70%的无图形区域进行扫描。缺点：是控制系统要复杂一些，因为矢量扫描必须对偏转系统进行控制，而不象光栅扫描那样采用固定的偏转方式。-SNFF-直写电子束光刻机工作原理电子枪光闸聚焦系统偏转系统电子束晶片电子光学柱系统除电子光学柱系统外，还有如真空系统、工件台移动系统等。-SNFF-矢量扫描的模式-SNFF-影响电子束光刻分辨率的原因电子束本身的波长非常的短，电子束曝光的加速电压范围一般在Va=10－50kV，电子波长λ的范围为0.012－0.005nm。所以在紫外光刻中限制分辨率的因素就不存在了。而真正限制电子束分辨率的因素有以下几点：1、电子像差和色差电子束在通过电磁透镜的情况不尽一样，被偏折的情况也就一样，到样品点时便可能出现焦点不一的现象可称为像差；因为电压不能一尽相同而使电子束中电子的波长不尽一致，而电磁透镜对不同波长电子的偏折程度不同而造成的现象可称为色差2、光刻胶本身的分辨率3、电子在光刻胶中的散射引起的邻近效应－－下面具体介绍-SNFF-邻近效应•入射电子与固体中另一粒子发生碰撞，发生动量与能量的转移，方向改变，波长不变或增大，能量不变或减少的现象称为电子散射。•散射角：电子散射后的方向与原入射方向之间的夹角。•前散射（小角散射）：散射角90度，•背散射（大角散射）：散射角=90度－180度。•实验表明，前散射使电子束变宽约0.1μm，而背散射电子•的分布区域可达到0.1－5μm。所以背散射是影响电子束曝光•分辨率的最大限制。•电子的散射特别是背散射，其影响范围可与电子射程或胶层厚度相当，这称为电子束曝光的邻近效应。-SNFF-•电子束在抗蚀剂中发生前散射造成电子曝光轨迹向邻近区域扩展：抗蚀剂越厚，前散射扩展范围越大。•实践证明由前散射造成的邻近效应可波及100－200nm，而且强度大，是影响百纳米级图形分辨率和成像质量的主要因素。500nm1抗蚀剂厚度的影响影响邻近效应的因素-SNFF-加速电压越大，穿透性越强，前向散射的影响越小2加速电压的影响500nm5keV50keV25keV-SNFF-•电子束在不同衬底中发生前散射和背散射造成电子曝光轨迹向邻近区域扩展：原子序数较小的衬底，背散射扩展范围较大，最远可波及5－10m，但相对强度较弱；随着衬底原子序数的增大，背散射扩展范围缩小，但背射程强度明显增大，并且在分辨率的影响因素中，相对强度占优势。•实践证明由背散射造成的邻近效应可波及几个微米的范围，是造成相邻区域曝光互相扩展、密集图形粘连及大面积图形严重失真的主要因素。3衬底材料的影响SiZ=14GaAsZ=32AuZ=79-SNFF-邻近效应结果和校正方法•对于一个其线度L远大于电子散射范围R的图形，虽然其中间部分的曝光是均匀的，但边缘部分的情况就不同了，如下图所示，邻近效应的后果(1)对LR的孤立图形，使边缘模糊。(2)对L=R的孤立图形，使边缘曝光不足，图形变小、变圆，甚至曝不出来。(3)对间距a=R的多个图形，使间距变小，甚至相连。-SNFF-校正电子邻近效应的方法显影后邻近效应几何校正剂量校正-SNFF-JBX-5500FS技术指标Acceleratingvoltage：25/50kVMinimumlinewidth：10nm（50kV･5th）OverlayAccuracy：40nm(3)（50kV･100umx100um）Fieldstitch