第五章：光刻

第五章光刻5.1引言光刻：将掩膜版上的电路图形精确转移到硅片表面光刻胶膜上的复制过程。光刻是集成电路制造的关键工艺掩膜版（Reticle或Mask）材质—玻璃/石英，亚微米及以下技术—石英版，石英版优点：透光性好、热膨胀系数低。金属铬膜—版上不透光的图形光刻是产生特征尺寸的工序微芯片上的特征尺寸，是指MOS器件的沟道长度即多晶硅栅条的宽度；或指双极器件引线孔的大小。现代集成电路技术都以特征尺寸命名如0.18μm技术、90nm技术等。目前光刻的成本很高，已占整个芯片制造总成本的1/3。现代IC对光刻的要求越来越高IC的性能↑→→IC特征尺寸↓（即光刻线宽↓）→对光刻的要求↑现代光刻技术已发展到纳米时代（如45nm技术、28nm技术等等）IC集成度↑器件尺寸↓5.2光刻工艺原理正性胶光刻与负性胶光刻光刻胶有正负胶之分，曝光区域能被显影液溶除的胶为正性胶，未曝光区域能被显影液溶除的胶为负性胶。在集成电路光刻中，通常用正性胶，这主要是由于正胶的分辨率比负性胶高。正性胶光刻负性胶光刻光刻工艺的8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.曝光后烘培（PEB）6.显影7.坚膜烘培8.显影检查光刻工艺的8个基本步骤1.气相成底膜目的：增强光刻胶与硅片的粘附性。工艺方法：硅片放在真空腔中的热板上，热板温度控制在200℃～250℃，用N2携带六甲基二硅胺烷（HMDS）进入真空腔，处理时间60秒。这样在硅片上形成了底膜。HMDS是液态具有很高的蒸气压，能使光刻胶与硅片很好地粘附。自动涂胶/显影系统－气相成底膜模块2.旋转涂胶光刻胶是一种有机化合物，它受紫外线曝光后在显影液中的溶解度发生显著变化，而未曝光的部分在显影液中几乎不溶解。光刻胶的用途1.做硅片上的图形模板2.在后续工艺中，保护下面的材料（例如刻蚀或离子注入）注：光刻胶不是最终芯片的组成部分光刻胶的成分：1.树脂（是一种有机聚合物材料，提供光刻胶的机械和化学特性）2.感光剂（光刻胶材料的光敏成分）3.溶剂（使光刻胶具有流动性）4.添加剂（控制光刻胶特殊方面的化学物质，备选）光刻胶的种类：根据光刻的要求，光刻胶制成与特定波长的紫外线有显著的光化学响应，一般按照紫外线把胶分类：i线光刻胶、g线光刻胶、DUV线光刻胶等。光刻对光刻胶的要求：1.分辨率高（区分硅片上两个相邻特征尺寸图形的能力强）2.对比度好（指曝光区和非曝光区过渡的陡度）（a）对比度差（b）对比度好3.敏感度好（是指硅片表面光刻胶中产生良好图形所需要的一定波长光的最小能量值，以mJ/cm2为单位）4.粘滞性好（表征液体光刻胶流动性的一个指标，即粘度，单位用cps表示）5.粘附性好（指光刻胶与衬底表面的粘附性好）6.抗蚀性好（在后续刻蚀工艺中，光刻胶很好地保护衬底表面，胶的这种性质称为抗蚀性）7.颗粒少传统的正性I线光刻胶溶解于显影液的机理1.树脂是悬浮于溶剂中的酚醛甲醛聚合物（线性酚醛树脂）2.感光剂化合物作为强的溶解抑制剂（不溶解于显影液）被加到线性酚醛树脂中3.在曝光过程中，感光剂（通常为DNQ）发生光化学分解产生羧酸4.羧酸提高光刻胶曝光区域的线性酚醛树脂的溶解度化学放大（CA）深紫外光刻胶常规的I线光刻胶体系的光吸收敏感性对于更短的DUV波长较差。化学放大（CA）是通过采用含光酸产生剂（PAG）的感光剂，增加光刻胶的敏感性，增强光刻胶的光化学反应。化学放大DUV光刻胶溶解于显影液的机理1.具有保护团的酚醛树脂使之不溶于显影液2.光酸产生剂在曝光时产生酸3.曝光区域产生的酸作为催化剂，在曝光后热烘过程中移除树脂保护团4.不含保护团的光刻胶曝光区域溶解于以水为主要成分的显影液涂胶工艺工艺目的：形成图形转移的模板。工艺方法：1.滴胶2.匀胶：转速500rpm～700rpm3.旋转：转速3000rpm-5000rpm工艺要求：厚度：1.0μm左右均匀性：3％以内自动涂胶/显影系统－涂胶模块涂胶模块剖面图涂胶模块示意图光刻胶旋转速度曲线3.软烘工艺目的：去除光刻胶中的溶剂以改善胶的粘附性、均匀性、抗蚀性，优化胶的光吸收特性，缓解涂胶时产生的应力。工艺方法：在温度为100℃的热板上烘60秒涂胶/显影系统设备（AIO-700型）涂胶/显影系统设备（AIO-700型）涂胶/显影系统设备（AIO-700型）涂胶/显影系统设备（AIO-700型）涂胶/显影系统设备（AIO-700型）涂胶/显影系统设备（AIO-700型）涂胶/显影系统设备（AIO-700型）涂胶/显影系统设备（AIO-700型）涂胶/显影系统设备从气相成底膜到软烘都在自动涂胶/显影系统（也称为涂胶/显影轨道）上进行。涂胶/显影系统4.对准和曝光对准曝光系统对准曝光系统组成1.紫外光源2.光学系统3.投影掩膜版4.对准系统5.载片台对准曝光系统示意图对准和曝光工艺目的：对准和曝光是将掩膜板上的图形通过镜头由紫外线传递到硅片表面光刻胶膜上,形成光敏感物质在空间的精确分布，最终达到图形精确转移的目的。工艺方法：1.上掩膜版、硅片传送2.掩膜版对准（RA）：掩膜版标记与光刻机基准进行激光对准3.硅片粗对准（GA）：掩膜版与硅片两边的标记进行激光对准4.硅片精对准（FA）：掩膜版与硅片图形区域的标记进行激光对准对准标记1.投影掩膜版的对位标记(RA)：在版的左右两侧，RA与步进光刻机上的基准标记对准2.整场对准标记(GA):第一次曝光时被光刻在硅片左右两边，用于每个硅片的粗对准3.精对准标记(FA)：每个场曝光时被光刻的，用于每个硅片曝光场和投影掩膜版的对准对准标记8张掩膜版及经过8次对准和曝光形成的CMOS器件结构5.曝光后烘培（PEB）工艺目的：使曝光后的光敏感物质在光刻胶内部进行一定的扩散，可有效防止产生驻波效应。工艺方法：在温度为110℃的热板烘60秒6.显影工艺目的：溶解硅片上曝光区域的胶膜，形成精密的光刻胶图形。工艺方法：1.正胶显影液：2.38%的四甲基氢氧化铵TMAH喷淋显影，转速1000rpm～1500rpm2.去离子水喷淋定影，转速1000rpm～1500r3.原位旋转甩干工艺要求：均匀性：3％以内显影及显影后的硅片图形7.坚膜烘培工艺目的：使存留在光刻胶中的溶剂彻底挥发，提高光刻胶的粘附性和抗蚀性。这一步是稳固光刻胶，对下一步的刻蚀或离子注入过程非常重要。工艺方法：在温度为140℃的热板烘60秒注：从曝光后烘培到坚膜烘培在自动涂胶/显影系统上进行8.显影检查8.显影检查光刻胶和衬底折射率不匹配，抗反射膜（ARC）类型不匹配光刻胶和衬底酸碱不平衡光刻胶顶部受到过多的显影8.显影检查空气中氨分子（碱性）与胶表面光酸分子中和胶的光吸收不均匀，底部少顶部多胶同衬底的粘附性不好或HMDS处理不良5.3光学光刻光刻对光源的要求光的能量能满足激活光刻胶，成功实现图形转移的要求。光刻典型的曝光光源是紫外（UVultraviolet）光源以及深紫外（DUV）光源、极紫外（EUV）光源。光谱曝光光源的光谱曝光光源最常用的两种紫外光源1.高压汞灯2.准分子激光（如ArF）高强度汞灯的发射光谱（产生DUV248nm，不能用汞灯，而用准分子激光）高强度汞灯的发射光谱光学光的反射光的折射光线从一种透明介质进入另一种透明介质时，发生的方向改变，这种现象称为折射光的衍射当光穿过一个小孔或经过一个轮廓分明的边缘时，沿小孔边缘产生了干涉图形，结果得到了一个模糊的图像，这种现象称为衍射。透镜透镜是一种光学元件，来自物体的光并通过它折射形成物体的像。透镜光学系统数值孔径（NA）透镜能够把一些衍射光会聚到一点成像，把透镜收集衍射光的能力称为透镜的数值孔径。（通常UV光通过掩膜版上的特征尺寸小孔会发生衍射现象）NA＝（n）Sinθm≈（n）×透镜半径/透镜焦长n为图像介质的折射率，θm为主光轴与透镜边缘光线的最大夹角。透镜半径越大数值孔径越大成像效果越好。但受到镜头成本的限制。分步重复光刻机和步进扫描光刻机的NA都能做到0.60～0.68的水平数值孔径分辨率（R）分辨率是将硅片上两个相邻的特征尺寸（或关键尺寸）光刻胶图形区分开的能力。分辨率是光刻中一个重要的性能指标。k为工艺因子，范围是0.6～0.8，λ为光源的波长NA为曝光系统的数值孔径要提高曝光系统的分辨率即减小特征尺寸，就要降低紫外光的波长λ图中分辨率为0.25μm焦深（DOF）焦深是焦点上下的一个范围，在这个范围内图像连续保持清晰。焦深类似照相的景深，集成电路光刻中的景深很小，一般在1.0μm左右。焦深从焦深公式中看出提高分辨率降低了焦深，两个参数互相制约。分辨率和焦深是现代分步重复光刻机或步进扫描光刻机非常重要的参数数值孔径和焦深的关系套准精度套准精度是掩膜版上的图形与硅片上的图形的对准程度。根据光刻的要求，版上的图形与片上图形要精确对准。套准精度也是光刻中一个重要的性能指标。套准精度一般是特征尺寸的1/5~1/4套准精度光刻工艺中的套刻环节最大曝光场驻波效应入射光和反射光发生干涉并引起光刻胶在厚度方向上的不均匀曝光，这种现象称为驻波效应。驻波效应降低了光刻胶成像的分辨率。深紫外光刻胶由于反射严重驻波效应严重。光刻胶中的驻波效应驻波效应降低了光刻胶成像的分辨率，影响线宽的控制。光刻胶中的驻波效应驻波与抗反射涂层当光刻胶下面的底层是反光的衬底（如金属和多晶），光线将从衬底反射并可能损害临近未曝光的光刻胶，这种反射现象会造成反射切入。在反光衬底上增加一层抗反射涂层（如TiN）可消除反射切入和驻波现象。驻波与抗反射涂层来自曝光区的光被圆片高低形貌反射，被不曝光区域的光刻胶吸收高低形貌反射造成底部切入5.4光刻设备光刻机分类光刻机类型按照曝光进行方式分为：接触式(Contact)，接近式(Proximity)，扫描式(Scan)，步进式(Stepping)，步进-扫描式(StepandScan)按照工作波长分为：g-line(435nm),i-line(365nm),KrF(248nm),ArF(193nm),和将来的EUV(13.5nm)按照工作平台的个数分为：单平台，双平台(ASMLTwinscan)，串列平台(NikonNSR-S610C)按照一次曝光的区域(ExposureField)大小分为：迷你(Mini)，全尺寸(FullField,26mmx33mm)按照缩小比例(ReductionRatio)分为：10倍、5倍、4倍和1倍不同时代的五种光刻机1.接触式光刻机－20世纪70年代，特征尺寸≥5μm2.接近式光刻机－20世纪70年代，特征尺寸≥2μm3.扫描式光刻机－20世纪80年代初，特征尺寸≥1μm4.步进式光刻机－20世纪80年代后，亚/深亚微米5.步进扫描式光刻机－20世纪90年代，亚/深亚微米接触式光刻机和接近式光刻机接触式光刻机和接近式光刻机的特点1.版上图形与片上图形1：12.人工对准3.版与光刻胶直接接触浪费版光刻图形缺陷多接近式好些4.特征尺寸≥5μm，2μm（接近式）5.目前大尺寸功率器件的光刻还使用它。扫描式光刻机扫描式光刻机的特点1.版上图形与片上图形1：12.人工对准3.版与光刻胶不接触节省版光刻图形缺陷少4.特征尺寸≥1μm步进式光刻机NSR2005i9c型NIKON光刻机步进式光刻系统步进式光刻机的特点1.版上图形与片上图形5：1（即缩小倍率5：1）掩膜版制造更容易更精确2.机器自动对准3.光刻精度高，特征尺寸：亚/深亚微米4.对硅片的平整度和几何形状变化的补偿较容易5.为提高硅片处理速度，镜头尺寸大、曝光区域大，造成像差大，图像畸变6.如今国内外工艺线均使用步进式光刻机（日本NIKON公司、佳能公司生产）7.造价高，一台0.25μm新的步进式光刻机1000多万人民币序号性能参数参数要求1分辨率0.45μm2焦深≥0.7μm3套刻精度