第五章光刻 光刻基本概念负性和正性光刻胶差别光刻的8个基本步骤光刻光学系统光刻中对准和曝光的目的光刻特征参数的定义及计算方法五代光刻设备 学习目标 光刻是集成电路制造的关键工艺 一 光刻技术的特点 产生特征尺寸的关键工艺 复印图像和化学作用相结合的综合性技术 光刻与芯片的价格和性能密切相关 光刻成本占整个芯片制造成本的1 3 二 光刻三个基本条件 掩膜版光刻胶光刻机 掩膜版 Reticle或Mask 的材质有玻璃版和石英版 亚微米技术都用石英版 是因为石英版的透光性好 热膨胀系数低 版上不透光的图形是金属铬膜 传统相机底片 光刻三个基本条件 光刻胶PR PhotoResist 正性光刻胶 硅片上图形与掩膜版一样 曝光区域发生光学分解反应 在显影液中软化溶解而去除掉 未曝光区域显影后保留负性光刻胶 硅片上图形与掩膜版相反 曝光区域发生光学交联反应硬化 在显影液中不可溶解而保留 未曝光区域显影后溶解 传统胶片相机负片 传统胶片相机正片 正性光刻胶 负性光刻胶 光刻三个基本条件 光刻机 光刻机 传统相片放大机 三 光刻技术要求 光源 分辨率 是将硅片上两个相邻的特征尺寸图形区分开的能力 套准精度 掩膜版上的图形与硅片上的图形的对准程度 按照光刻的要求版上的图形与片上图形要精确对准 工艺宽容度 工艺发生一定变化时 在规定范围内仍能达到关键尺寸要求的能力 5 2光刻工艺步骤及原理 一 气相成底膜二 旋转涂胶三 软烘四 对准和曝光五 曝光后烘培 PEB 六 显影七 坚膜烘培八 显影检查 光刻工艺的八个基本步骤 光刻工艺的八个基本步骤 涂胶 曝光 显影 检查 一 气相成底膜 工艺目的 增加光刻胶与硅片的粘附性 工艺过程 1 在气相成底膜之前 硅片要进行化学清洗 甩干以保证硅片表面洁净 2 用N2携带六甲基二硅胺烷 HMDS 进入具有热板的真空腔中 硅片放在热板上 形成底膜 脱水烘干 HMDS成膜 二 旋转涂胶 工艺目的 在硅片表面涂上液体光刻胶来得到一层均匀覆盖层 工艺过程 1 分滴2 旋转铺开3 旋转甩掉4 溶剂挥发5 去除边圈 PRdispensernozzleWaferChuckSpindleTovacuumpump WaferChuckSpindleTovacuumpump 分滴 旋转铺开 旋转甩掉 溶剂挥发 去除边圈 丙烯乙二醇一甲胺以太醋酸盐PGMEA 乙烯乙二醇一甲胺以太醋酸盐EGMEA 光刻胶作用 1 将掩膜版图案转移到硅片表面顶层的光刻胶中 2 在后续工艺中 保护下面的材料 例如刻蚀或离子注入阻挡层 光刻胶成分 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 光刻工艺对光刻胶的要求 1 分辨率高 区分硅片上两个相邻的最小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 旋转涂胶参数光刻胶厚度 1 rpm 1 2 传统正性I线光刻胶 1 树脂是悬浮于溶剂中的酚醛甲醛聚合物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羟酸4 羟酸提高光刻胶曝光区域的线性酚醛树脂的溶解度 传统负性I线光刻胶 1 树脂是悬浮于溶剂中的聚异戊二烯橡胶聚合物2 曝光使光敏感光剂释放出氮气3 释放出的氮气产生自由基4 自由基通过交联橡胶聚合物 不溶于显影液 使光刻胶聚合 深紫外 DUV 光刻胶 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 三 软烘 工艺目的 1 将光刻胶中溶剂挥发去除2 改善粘附性 均匀性 抗蚀性3 优化光刻胶光吸收特性4 缓和在旋转过程中胶膜内产生的应力 四 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光传递到涂有光刻胶的硅片上 形成光敏感物质的空间精确分布 从而实现精确的图形转移 对准 同轴和离轴对准系统 曝光 对准标记 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 工艺过程 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自动对准 3 硅片粗对准 GA 掩膜版与硅片两边的标记进行激光自动对准 4 硅片精对准 FA 掩膜版与硅片图形区域的标记进行激光自动对准 经过8次的对准和曝光 形成了CMOS器件结构 五 曝光后烘培 PEB 工艺目的 使得曝光后的光敏感物质在光刻胶内部进行一定的扩散 可以有效地防止产生驻波效应 对DUV深紫外光刻胶 曝光后烘焙提供了酸扩散和放大的热量 烘焙后由于酸致催化显著的化学变化使曝光区域图形呈现 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 nPRPhotoresistSubstrateOverexposureUnderexposure 驻波效应降低了光刻胶成像的分辨率 影响线宽的控制 六 显影 工艺目的 溶解硅片上光刻胶可溶解区域 形成精密的光刻胶图形 经曝光的正胶逐层溶解 中和反应只在光刻胶表面进行 非曝光区的负胶在显影液中首先形成凝胶体 然后再分解 这就使整个负胶层被显影液浸透而膨胀变形 七 坚膜烘培 工艺目的 使存留的光刻胶溶剂彻底挥发 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 八 显影检查 工艺目的 1 找出光刻胶有质量问题的硅片2 描述光刻胶工艺性能以满足规范要求 HotPlate Developerdispenser Track HotPlate SpinStation 光刻机TrackRobot 思考题 如果使用了不正确型号的光刻胶进行光刻会出现什么情况 5 3光学光刻 光学光刻是不断缩小芯片特征尺寸的主要限制因素 光源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 1 高压汞灯2 准分子激光 典型高压汞灯的发射光谱 光刻光源 光学系统 光源置于反光镜的第一焦点F1处 发出的光线经反光镜反射后 只有低温的紫外光会聚在第二焦点F2处 椭球冷反光镜 光学介质镜 第一排复眼透镜将光源形成多个光源像进行照明 第二排复眼透镜的每个小透镜将第一排复眼透镜对应的小透镜重叠成像于照明面上 复眼透镜均匀照明系统 光的衍射 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 n为图像介质的折射率 m为主光轴和透镜边缘线夹角 透镜半径越大数值孔径越大成像效果越好 数值孔径在成像中的作用 分辨率 R 将硅片上两个相邻的关键尺寸图形区分开的能力 k为工艺因子 范围是0 6 0 8 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关键尺寸 就要降低光源的波长 焦深 DOF 是焦点上下的一个范围 在这个范围内图像连续保持清晰 焦深也就是景深 集成电路光刻中的景深很小 一般在1 0 m左右或更小 分辨率和焦深的关系 套准精度掩膜版上的图形与硅片上的图形的对准程度 按照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 套准精度一般是关键尺寸的1 4 1 3 通过对不同层次之间的千分尺结构套刻记号的位置误差或来测定套准精度 放大缩小 旋转X轴方向偏移Y轴方向偏移 未正确套刻情形 曝光场 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 底部抗反射涂层 BARC 顶部抗反射涂层 TARC 5 4光刻设备 按照曝光进行方式分为 掩蔽式 shadowprinting 接触式 Contact 接近式 Proximity 投影式 projectionprinting 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EUV 13 5nm 一 光刻机分类 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 1 接触式光刻机2 接近式光刻机3 扫描投影光刻机4 分步重复光刻机5 步进扫描光刻机 二 五代光刻设备 1 接触式光刻机 70年代的光刻只能加工3 5 m线宽 4 5 wafer 如 canon 采用紫外线光源 设备简单 产量高 一次曝光完成掩膜版的损坏 污染 缺陷高分辨率较低 掩膜版和硅片表面光刻胶间距2 5到25um缓解颗粒污染和损伤紫外光受空气间隙发散影响 分辨率受限 2到4um 2 接近式光刻机 3 扫描投影光刻机 80年代发明了1 1投影式光刻机紫外光通过狭缝聚焦在硅片上获得均匀光源可加工1 2 m线宽 5 6 wafer代表产品有美国的Ultrotec 4 分步重复光刻机 80年代后期出现了WaferStepper 10 1或5 1 使芯片加工进入了0 8 m的时代 光刻精度高 对硅片的平整度和几何形状变化的补偿较容易为提高硅片处理速度 镜头尺寸大 曝光区域大 造成像差大 图像畸变代表产品有 美国的GCA 日本的Canon Nikon及荷兰的ASML 5 步进扫描光刻机 版上图形与片上图形4 1 掩膜版制造更容易和精确用较小的透镜尺寸获得较大的曝光场从而获得较大的芯片尺寸扫描过程调节聚焦 透镜缺陷 硅片平整度变化自动补偿 步进扫描光刻机系统工作过程 接触式光刻机 BG401 NSR2005i9c型NIKON光刻机 步进式 NSR2005i9c型NIKON光刻机主要性能指标 NSR2005i9c型NIKON光刻机光刻关键尺寸SEM照片1 NSR2005i9c型NIKON光刻机光刻关键尺寸SEM照片2 5 5先进光刻技术 光刻技术的改进 相移掩膜技术 PSM 光学邻近修正 常规照明 轴上 级次衍射 级次衍射 a 针孔掩膜 投影光学系统 Wafer 离轴照明 极紫外光刻技术示意图 角度限制投影电子束光刻 SCALPEL 使用的多层薄膜掩膜版几乎不吸收电子 电子束通过一个掩膜版中的高原子数目层时 该层散射出电子在硅片平面形成一个高对比度的图形 SCALPEL为线性复制 用步进扫描直写方式产生曝光光刻胶条纹 离子束投影光刻技术 IPL 用离子束进行光刻胶曝光 或者通过掩膜 或者用精确聚焦的离子束连续在光刻胶上直写 离子质量比电子大 因而能更有效地将能量转换到光刻胶上 离子束投影光刻技术能获得非常高的分辨率 X ray光刻技术 波长很短 掩膜版上没有衍射干涉效应产生 工艺宽容度很大 X射线版图用的是与硅片关键尺寸相同的1倍掩膜版 X ray光掩膜示意图 本章习题 书中第13章 4 5 14