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第第8章章 光刻工艺光刻工艺本章目标：本章目标：1、熟悉光刻工艺的流程、熟悉光刻工艺的流程2、能够区别正胶和负胶、能够区别正胶和负胶3、了解对准和曝光的光学方法、了解对准和曝光的光学方法4、解释湿法刻蚀和干法刻蚀的方法和优缺点、解释湿法刻蚀和干法刻蚀的方法和优缺点第1页/共152页第第8章章 光刻工艺光刻工艺一、概述一、概述二、光刻胶二、光刻胶三、曝光、显影阶段三、曝光、显影阶段四、刻蚀、去胶阶段四、刻蚀、去胶阶段第2页/共152页第第8章章 光刻工艺光刻工艺一、概述一、概述 1、光刻的定义、光刻的定义 2、光刻的目的、光刻的目的 3、光刻的目标、光刻的目标 4、光刻工艺步骤概述、光刻工艺步骤概述第3页/共152页第第8章光刻工艺章光刻工艺 一、概述一、概述1、光刻的定义、光刻的定义光光刻刻是是图图形形复复印印与与腐腐蚀蚀作作用用相相结结合合，在在晶晶片片表表面面薄薄膜上制备图形的精密表面工艺技术。膜上制备图形的精密表面工艺技术。英英 文文 术术 语语 是是 Photolithography(照照 相相 平平 板板)，Photomasking（光掩模）等。（光掩模）等。第4页/共152页第第8章光刻工艺章光刻工艺 一、概述一、概述2、光刻的目的、光刻的目的光光刻刻的的目目的的就就是是：在在介介质质薄薄膜膜（二二氧氧化化硅硅、氮氮化化硅硅、多多晶晶硅硅等等）、金金属属薄薄膜膜或或金金属属合合金金薄薄膜膜上上面面刻刻蚀蚀出出与与掩掩膜膜版版完完全全对对应应的的几几何何图图形形，从从而而实实现现选择性扩散和金属薄膜布线的目的。选择性扩散和金属薄膜布线的目的。第5页/共152页第第8章光刻工艺章光刻工艺 一、概述一、概述3、光刻的目标（教材、光刻的目标（教材P130最上部分）最上部分）（1）尽可能接近特征图形尺寸。）尽可能接近特征图形尺寸。（2）在在 晶晶 圆圆 表表 面面 正正 确确 定定 位位 图图 形形（称称 为为Alignment或或者者Registration），包包括括套套刻刻准准确。确。第6页/共152页第第8章光刻工艺章光刻工艺 一、概述一、概述4、光刻工艺步骤概述（、光刻工艺步骤概述（*）光刻蚀工艺光刻蚀工艺:首先是在掩膜版上形成所需的图形；首先是在掩膜版上形成所需的图形；之之后后通通过过光光刻刻工工艺艺把把所所需需要要的的图图形形转转移移到到晶晶圆圆表表面的每一层。（面的每一层。（P130倒数第二段）倒数第二段）第7页/共152页第第8章光刻工艺章光刻工艺 一、概述一、概述4、光刻工艺步骤概述（、光刻工艺步骤概述（*）（1）图形转移的两个阶段 图形转移到光刻胶层第8页/共152页第第8章光刻工艺章光刻工艺 一、概述一、概述4、光刻工艺步骤概述（、光刻工艺步骤概述（*）（1）图形转移的两个阶段 图形从光刻胶层转移到晶圆层第9页/共152页第第8章章 光刻工艺光刻工艺 一、概述一、概述4、光刻工艺步骤概述（、光刻工艺步骤概述（*）（2）十步法）十步法第10页/共152页第第8章章 光刻工艺光刻工艺二、光刻胶二、光刻胶 1、光刻胶的组成、分类、光刻胶的组成、分类 2、光刻胶的参数、光刻胶的参数 3、正负胶比较、正负胶比较 4、电子抗蚀剂、电子抗蚀剂 5、X-射线抗蚀剂射线抗蚀剂第11页/共152页第第8章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶1、光刻胶的组成、分类、光刻胶的组成、分类光刻时接受图像的介质称为光刻胶，以光刻胶构成的光刻时接受图像的介质称为光刻胶，以光刻胶构成的图形作为掩膜对薄膜进行腐蚀，图形就转移到晶片表图形作为掩膜对薄膜进行腐蚀，图形就转移到晶片表面的薄膜上了，所以也将光刻胶称为抗蚀剂。面的薄膜上了，所以也将光刻胶称为抗蚀剂。（1）光刻胶的分类 根据曝光源和用途 A.光学光刻胶（主要是紫外线）B.电子抗蚀剂C.X-射线抗蚀剂第12页/共152页第第8章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶1、光刻胶的组成、分类、光刻胶的组成、分类（1）光刻胶的分类 根据胶的极性A.正胶正胶B.负胶负胶正胶：胶胶的的曝曝光光区区在在显显影影中中除除去去。正正胶胶曝曝光光时时发发生生光光分分解解反反应应变变成成可溶的。可溶的。使使用用这这种种光光刻刻胶胶时时，能能够够得得到到与与掩掩膜膜版版遮遮光光图图案案相相同同的的图图形形，故故称称之为正胶。之为正胶。负胶：胶胶的的曝曝光光区区在在显显影影中中保保留留，用用的的较较多多。具具体体说说来来负负胶胶在在曝曝光光前前对对某某些些有有机机溶溶剂剂（丙丙酮酮、丁丁酮酮、环环己己酮酮）是是可可溶溶的的，而而曝曝光光后后发发生光聚合反应变成不可溶的。生光聚合反应变成不可溶的。使使用用这这种种光光刻刻胶胶时时，能能够够得得到到与与掩掩膜膜版版遮遮光光图图案案相相反反的的图图形形，故故称称之为负胶。之为负胶。第13页/共152页第第8章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶1、光刻胶的组成、分类、光刻胶的组成、分类（2）光刻胶的组成光刻胶里面有光刻胶里面有4种基本成分：（参见教材种基本成分：（参见教材P135）聚合物聚合物 光刻胶中对光和能量敏感的物质；光刻胶中对光和能量敏感的物质；溶剂溶剂 其作用是使胶具有一定的粘度，能均匀涂覆；其作用是使胶具有一定的粘度，能均匀涂覆；光敏剂光敏剂 有时也称为增感剂；有时也称为增感剂；添加剂添加剂 达到特定效果；达到特定效果；第14页/共152页第第8章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶2、光刻胶的参数、光刻胶的参数（1）感光度用于表征光刻胶感光性能的。用于表征光刻胶感光性能的。第15页/共152页第第8章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶2、光刻胶的参数、光刻胶的参数（2）分辨率指用某种光刻胶光刻时所能得到的光刻图形的最小尺寸。指用某种光刻胶光刻时所能得到的光刻图形的最小尺寸。它是表征光刻精度或清晰度能力的标志之一。它是表征光刻精度或清晰度能力的标志之一。分分辨辨率率通通常常以以每每毫毫米米内内能能刻刻蚀蚀出出可可分分辨辨的的最最多多线线条条数数目目来表示。来表示。通常正胶的分辨率高于负胶。通常正胶的分辨率高于负胶。第16页/共152页第第8章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶2、光刻胶的参数、光刻胶的参数（3）抗蚀性在湿法刻蚀中，要求光刻胶能较长时间的经受酸、碱的浸蚀；在湿法刻蚀中，要求光刻胶能较长时间的经受酸、碱的浸蚀；在干法刻蚀中，要求光刻胶能较长时间的经受等离子体的作用。在干法刻蚀中，要求光刻胶能较长时间的经受等离子体的作用。第17页/共152页第第8章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶2、光刻胶的参数、光刻胶的参数（4）粘附性光光刻刻胶胶与与衬衬底底（二二氧氧化化硅硅、金金属属等等）之之间间粘粘附附的的牢牢固程度直接影响到光刻的质量。固程度直接影响到光刻的质量。第18页/共152页第第8章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶2、光刻胶的参数、光刻胶的参数（5）针孔密度单单位位面面积积上上针针孔孔数数目目称称为为针针孔孔密密度度。光光刻刻胶胶膜膜上上的的针孔在刻蚀过程中会传递到衬底上，危害极大。针孔在刻蚀过程中会传递到衬底上，危害极大。光光刻刻胶胶层层越越薄薄，针针孔孔越越多多，但但太太厚厚了了又又降降低低光光刻刻胶胶的的分辨率。分辨率。第19页/共152页第第8章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶2、光刻胶的参数、光刻胶的参数（6）留膜率留留膜膜率率是是指指曝曝光光显显影影后后的的非非溶溶性性胶胶膜膜厚厚度度与与曝曝光光前前的胶膜厚度之比。的胶膜厚度之比。刻刻蚀蚀时时起起掩掩蔽蔽作作用用的的是是显显影影后后非非溶溶性性的的胶胶膜膜，所所以以希希望光刻胶的留膜率越高越好。望光刻胶的留膜率越高越好。第20页/共152页第第8章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶3、正、负胶的比较、正、负胶的比较（1）正、负胶和掩膜版极性的结合（参见教材P131和P132）掩模板的图形是由不透光的区域决定的在掩膜板上的图形是用相反的方式编码的第21页/共152页第第8章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶3、正、负胶的比较、正、负胶的比较（2）负胶负胶大多数由长链高分子有机物组成。负胶大多数由长链高分子有机物组成。例如：由顺聚异戊二烯、对辐照敏感的交联剂以及溶剂组成的负胶，响例如：由顺聚异戊二烯、对辐照敏感的交联剂以及溶剂组成的负胶，响应波长应波长330-430nm，胶膜厚度，显影液是有机溶剂如二甲苯等。曝光，胶膜厚度，显影液是有机溶剂如二甲苯等。曝光的顺聚异戊二烯在交联剂作用下交联，成为体形高分子并固化，不再溶的顺聚异戊二烯在交联剂作用下交联，成为体形高分子并固化，不再溶于有机溶剂构成的显影液，而未曝光的长链高分子溶于显影液，显影时于有机溶剂构成的显影液，而未曝光的长链高分子溶于显影液，显影时被去掉。被去掉。第22页/共152页第第8章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶1、光刻胶的组成、分类、光刻胶的组成、分类（3）正胶当当前前常常用用的的正正胶胶由由以以下下物物质质组组成成的的：酚酚醛醛树树脂脂、光光敏敏剂剂邻邻重重氮氮醌醌和和溶溶剂剂二二甲甲氧氧基基乙乙醛醛等等。响响应应波波长长330-430nm，胶胶膜膜厚厚1-3m，显显影影液液是是氢氢氧氧化化钠钠等等碱碱性性物物质质。曝曝光光的的光光刻刻胶胶光光分分解解后后易溶于显影液，未曝光的胶膜难溶于碱性显影液。易溶于显影液，未曝光的胶膜难溶于碱性显影液。第23页/共152页第第8章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶3、正胶、负胶的比较（、正胶、负胶的比较（*）正胶正胶 负胶负胶 不易氧化不易氧化 易氧化而使光刻胶膜变薄易氧化而使光刻胶膜变薄 成本高成本高 成本低成本低 图形边缘整齐、陡直，无溶胀现象图形边缘整齐、陡直，无溶胀现象 易吸收显影液而溶涨易吸收显影液而溶涨 分辨率更高分辨率更高 去胶较容易去胶较容易 抗蚀性强于正胶抗蚀性强于正胶第24页/共152页第25页/共152页第第8章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶4、电子抗蚀剂、电子抗蚀剂正正性性抗抗蚀蚀剂剂 在在电电子子束束辐辐射射下下发发生生胶胶联联反反应应，由由于于胶联，分子变大变复杂，平均分子量增加。胶联，分子变大变复杂，平均分子量增加。负负性性抗抗蚀蚀剂剂 在在电电子子束束辐辐射射下下发发生生降降解解反反应应。由由于于降解，分子链剪断、变短，成为小分子。降解，分子链剪断、变短，成为小分子。电电子子抗抗蚀蚀剂剂对对10-30kV10-30kV的的电电子子束束灵灵敏敏，常常用用的的正正性性抗抗蚀蚀剂剂有有PMMAPMMA（聚聚甲甲基基丙丙烯烯酸酸甲甲酯酯），分分辨辨率率可可达达10nm10nm；还还有有EBR-9EBR-9（丙丙烯烯酸酸盐盐基基类类），灵灵敏敏度度比比PMMAPMMA高高但但最最小小分分辨辨率率只有。只有。第26页/共152页第第8章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶5、X-射线抗蚀剂射线抗蚀剂在电子抗蚀剂如在电子抗蚀剂如PMMA中加入铯、铊等，能增加抗蚀剂中加入铯、铊等，能增加抗蚀剂对对X-射线的吸收能力，可以使之作为射线的吸收能力，可以使之作为X-射线抗蚀剂。射线抗蚀剂。第27页/共152页第第8章章 光刻工艺光刻工艺三、曝光、显影阶段三、曝光、显影阶段 1、表面准备、表面准备 2、涂光刻胶、涂光刻胶 3、前烘、前烘 4、对准和曝光、对准和曝光 5、显影、显影第28页/共152页第第8章章 光刻工艺光刻工艺 三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段1、表面准备、表面准备（1）微粒清除（2）保持衬底表面的憎水性（P144最下部分）室内湿度保持在50%以下，并尽可能快地进行光刻 把晶圆存储在干净的氮气净化过的干燥器 采用HF结尾的清洗工艺 脱水烘培 涂底胶（六甲基乙硅烷HMDS）（沉浸式或旋转式）第29页/共152页Wafer Clean Process（新方法）第30页/共152页第第8章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶2、涂光刻胶、涂光刻胶要求：要求：胶膜均匀（均匀性达到正负微米的误差）胶膜均匀（均匀性达到正负微米的误差）达到预期的厚度达到预期的厚度 与衬底薄膜粘附性好与衬底薄膜粘附性好 无灰尘和夹杂物无灰尘和夹杂物 使用黄光或红光照明，防止光刻胶失效使用黄光或红光照明，防止光刻胶失效 第31页/共152页第第8章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶2、涂光刻胶、涂光刻胶（1）静态涂胶工艺在在光光刻刻胶胶被被分分散散开开之之后后，高高速速旋旋转转还还要要持持续续一一段段时时间间以以便便使使光刻胶干燥。光刻胶干燥。第32页/共152页第第8章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶2、涂光刻胶、涂光刻胶 （1）静态涂胶工艺）静态涂胶工艺第33页/共152页第第8章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶2、涂光刻胶、涂光刻胶 （1）静态涂胶工艺）静态涂胶工艺第34页/共152页第第8章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶2、涂光刻胶、涂光刻胶（2）动态喷洒第35页/共152页光刻胶旋涂机光刻胶在旋转的圆片表面向外扩展圆片吸在真空卡盘上低速旋转 500 rpm缓变上升至 3000-7000 rpm第36页/共152页实验室匀胶机第37页/共152页光刻胶旋涂机EBR:Edge bead removal边缘修复第38页/共152页硅片自动输送轨道系统；真空卡盘吸住硅片；胶盘排气系统；可控旋转马达；给胶管和给胶泵边缘清洗（去边）第39页/共152页滴胶第40页/共152页光刻胶吸回第41页/共152页光刻胶旋涂第42页/共152页Photoresist Spin Coating第43页/共152页Photoresist Spin Coating第44页/共152页Edge Bead Removal（边缘修复）第45页/共152页Edge Bead Removal第46页/共152页Ready For Soft Bake（软烘焙）第47页/共152页Optical Edge Bead Removal（光学边缘修复）第48页/共152页Developer Spin Off（甩掉显影剂）第49页/共152页第50页/共152页第第8章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶3、前烘、前烘 （1）目的）目的 使胶膜体内的溶剂充分挥发使胶膜干燥使胶膜体内的溶剂充分挥发使胶膜干燥 增加胶膜和衬底的粘附性以及胶膜的耐磨性增加胶膜和衬底的粘附性以及胶膜的耐磨性第51页/共152页第第8章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶3、前烘、前烘 （2）方法（根据热传递的三种方式）方法（根据热传递的三种方式）烘箱烘烤 热板处理 红外光照射第52页/共152页光刻2预烘脱水烘焙去除圆片表面的潮气增强光刻胶与表面的黏附性通常大约100 C与底胶涂覆合并进行第53页/共152页光刻2底胶涂覆增强光刻胶(PR)和圆片表面的黏附性广泛使用:Hexamethyldisilazane(HMDS)在PR旋转涂覆前HMDS蒸气涂覆Usually performed in-situ with pre-bakePR涂覆前用冷却板冷却圆片第54页/共152页预烘和底胶蒸气涂覆 脱水烘培第55页/共152页第第8章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶4、对准和曝光、对准和曝光 （1）概述）概述对准和曝光对准和曝光(A&E)：（教材（教材P153最下）最下）把所需图形在晶圆表面上定位或对准把所需图形在晶圆表面上定位或对准 通过曝光灯或其他辐射源将图形转移到光刻胶涂层上通过曝光灯或其他辐射源将图形转移到光刻胶涂层上光刻胶是光刻工艺的材料核心光刻胶是光刻工艺的材料核心 A&E则是光刻工艺的设备核心。则是光刻工艺的设备核心。第56页/共152页第第8章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶4、对准和曝光、对准和曝光 （2）对准）对准对准原则：对准原则：（教材（教材P155最下面）最下面）第第一一个个掩掩膜膜版版的的对对准准是是把把掩掩膜膜版版上上的的y轴轴与与晶晶圆圆上上的的平平边成边成90度放置；度放置；后后续续的的掩掩膜膜版版都都用用对对准准标标记记与与上上一一层层带带有有图图形形的的掩掩膜膜对准。对准。第57页/共152页第第8章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶4、对准和曝光、对准和曝光 （2）对准）对准对准误差：对准误差：（教材（教材P155最下面）最下面）X或Y方向的平移；转动第58页/共152页第第8章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶4、对准和曝光、对准和曝光 （3）曝光光源）曝光光源对图像的改进方法：对图像的改进方法：（见教材（见教材P155）使用狭波或单一波长的曝光光源使用狭波或单一波长的曝光光源 准直平行光准直平行光 控制掩膜版和光刻胶之间的距离控制掩膜版和光刻胶之间的距离常见曝光源：常见曝光源：（见教材（见教材P155）高压汞灯产生紫外光（高压汞灯产生紫外光（UV）准分子激光器准分子激光器 电子束电子束 X射线射线第59页/共152页第第8章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶4、对准和曝光、对准和曝光 （4）曝光方法）曝光方法参见教材参见教材P154图图 光学曝光光学曝光 A：接触式：接触式 B：接近式：接近式 C：投影式：投影式 D：步进式：步进式 非光学曝光非光学曝光 A：电子束：电子束 B：X射线射线第60页/共152页第第8章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶4、对准和曝光、对准和曝光 （4）曝光方法）曝光方法由于衍射极限的限制，在超大规模集成电路的生产上由于衍射极限的限制，在超大规模集成电路的生产上光学光刻已逐渐被电子束光刻，光学光刻已逐渐被电子束光刻，X-射线光刻等新技术射线光刻等新技术代替。但是光学光刻在对分辨率要求不高的器件和电代替。但是光学光刻在对分辨率要求不高的器件和电路上仍被普遍采用。路上仍被普遍采用。第61页/共152页第第8章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶4、对准和曝光、对准和曝光 （4）曝光方法）曝光方法 光学曝光 A：接触式（教材：接触式（教材P156）接接触触式式曝曝光光需需要要人人工工在在显显微微镜镜下下观观察察和和套套准准图图形形并并使使硅硅片片与与掩掩膜膜版版紧紧贴贴，光光刻刻精精度度受受到到光光学学和和机机械械系系统统以以及及操操作作者者的的熟熟练练程程度度的限制。的限制。第62页/共152页第第8章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶4、对准和曝光、对准和曝光 （4）曝光方法）曝光方法 光学曝光 A：接触式（教材P156）缺点：缺点：接触会损坏掩膜版和较软的光刻胶层；接触会损坏掩膜版和较软的光刻胶层；掩膜版寿命低。掩膜版寿命低。接触式光刻机用于分立器件，低集成度和中度集成度的电路。接触式光刻机用于分立器件，低集成度和中度集成度的电路。第63页/共152页接触式光刻机设备简单70年代中期前使 用分辨率:有微米 级的能力掩膜版和硅片直 接接触,掩膜版 寿命短第64页/共152页接触式光刻机第65页/共152页第第8章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶4、对准和曝光、对准和曝光 （4）曝光方法）曝光方法 光学曝光 B：接近式（教材：接近式（教材P157）接接近近式式光光刻刻是是分分辨辨率率和和缺缺陷陷密密度度的的权权衡衡。它它以以牺牺牲牲分分辨辨率率来来延延长长了了掩掩膜版的寿命。只有采用高度平行的光束曝光来减少散射带来的影响。膜版的寿命。只有采用高度平行的光束曝光来减少散射带来的影响。接近式光刻是接触式光刻机的自然演变。有时也称软接触式。接近式光刻是接触式光刻机的自然演变。有时也称软接触式。第66页/共152页接近式光刻机距硅片表面 10微米无直接接触更长的掩膜 寿命分辨率:3m第67页/共152页接近式光刻机第68页/共152页第第8章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶4、对准和曝光、对准和曝光 （4）曝光方法）曝光方法 光学曝光 C：投影式：投影式第69页/共152页第第8章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶4、对准和曝光、对准和曝光 （4）曝光方法）曝光方法 光学曝光 C：投影式投影式曝光和接触式曝光相比有以下投影式曝光和接触式曝光相比有以下优点：优点：a 避免了掩膜版与硅片表面的摩擦，延长了掩膜版的寿命；避免了掩膜版与硅片表面的摩擦，延长了掩膜版的寿命；b 掩膜版的尺寸可以比实际尺寸大得多，克服了小图形制版的困难；掩膜版的尺寸可以比实际尺寸大得多，克服了小图形制版的困难；c 消除了掩膜版图形线宽过小而产生的光衍射效应消除了掩膜版图形线宽过小而产生的光衍射效应投影式曝光的投影式曝光的缺点：缺点：a 光刻设备有许多镜头需要特制，设备复杂。光刻设备有许多镜头需要特制，设备复杂。第70页/共152页投影光刻机（扫描型）第71页/共152页第第8章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶4、对准和曝光、对准和曝光 （4）曝光方法）曝光方法 光学曝光 D：步进式（：步进式（P159）使使用用带带有有一一个个芯芯片片或或几几个个芯芯片片图图形形的的掩掩膜膜版版逐逐一一对对准准、曝曝光光，然然后后移移动动到到下下一一个个曝曝光光场场，重重复复这这样的过程。样的过程。第72页/共152页第第8章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶4、对准和曝光、对准和曝光 （4）曝光方法）曝光方法 光学曝光 D：步进式（：步进式（P159）优点：a 由于每次曝光区域变小分辨率得以提高。由于每次曝光区域变小分辨率得以提高。b 这种掩膜版比全局掩膜版质量高，因此产生缺陷的数量就更小。这种掩膜版比全局掩膜版质量高，因此产生缺陷的数量就更小。生产关键：自动对准系统的实现。自动对准系统的实现。掩膜版：1:1掩膜版或掩膜版或510倍的掩膜版，倍的掩膜版，5倍最佳。倍最佳。第73页/共152页第74页/共152页步进光刻机先进的IC 中最流行的光刻设备高分辨率微米或以下非常昂贵掩膜图形尺寸5X：10X能够得到更好的分辨率，但是，它的曝光时间是5X的四倍。曝光时间和分辨率折中的结果。第75页/共152页第第8章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶4、对准和曝光、对准和曝光 （4）曝光方法）曝光方法 电子束曝光电子束与光一样，它的能量也可以使光刻胶发生化学反应，使之感光。电子束与光一样，它的能量也可以使光刻胶发生化学反应，使之感光。电电子子束束由由阴阴极极产产生生，它它在在阳阳极极正正电电场场的的加加速速下下获获得得很很大大的的能能量量。为为了了使使电电子子在在运运动动过过程程中中不不会会同同气气体体分分子子碰碰撞撞，整整个个电电子子束束曝曝光光系系统统必必须须是是高高真真空空的的。经经过过阳阳极极加加速速的的电电子子束束必必须须进进行行聚聚焦焦，电电子子束束的的聚聚焦焦采采用用电电场场或或磁磁场场组组成成的的透透镜镜来来实实现现，为为了了使使电电子子束束聚聚焦焦得得很很好好，要要采采用用复复合合透透镜镜组来达到目的。组来达到目的。第76页/共152页第第8章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶4、对准和曝光、对准和曝光 （4）曝光方法）曝光方法 电子束曝光为了获得某一曝光图形，必须使电子束依次打到图形中需要曝光的部分，即按图形扫描。为此，在电子束的通道中装上偏转板。偏转板上加电压，由电压来控制电子束的偏转。偏转板有两对，互相垂直，使其一个平面的X方向和Y方向都能扫描到。扫描时图形的某些部分是不要曝光的，因此还必须有控制电子束通断的装置。第77页/共152页第第8章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶4、对准和曝光、对准和曝光 （4）曝光方法）曝光方法 电子束曝光第78页/共152页第第8章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶4、对准和曝光、对准和曝光 （4）曝光方法）曝光方法第79页/共152页第第8章章 光刻工艺光刻工艺 三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段4、对准和曝光、对准和曝光 （4）曝光方法）曝光方法 电子束曝光分类：分类：A：光栅扫描式：光栅扫描式B：矢量扫描式：矢量扫描式第80页/共152页第第8章章 光刻工艺光刻工艺 三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段4、对准和曝光、对准和曝光 （4）曝光方法）曝光方法 X-射线曝光X-X-射射线线系系统统与与UVUV和和DUVDUV系系统统在在功功能能上上相相似似。是是一一束束电电子子束束在在高高真真空空中中轰轰击击靶靶使使其其辐辐射射X射射线线，在在X射射线线投投射射路路程程中中放放置置掩掩膜膜版版，透透过过掩掩膜膜版版的的X射射线线照照射射到到硅硅片片表表面面感光胶上使之曝光。感光胶上使之曝光。第81页/共152页第第8章章 光刻工艺光刻工艺 三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段4、对准和曝光、对准和曝光 （4）曝光方法）曝光方法 X-射线曝光A A：材材料料的的形形变变小小，这这样样制制成成的的图图形形尺尺寸寸及及其其相相对对位位置置的的变变化化可可以忽略。以忽略。B B：要要求求掩掩膜膜衬衬底底材材料料透透X X光光能能力力强强，而而在在它它上上面面制制作作微微细细图图形形的的材料透材料透X X光能力差，这样在光刻胶上可获得分辨率高的光刻图形。光能力差，这样在光刻胶上可获得分辨率高的光刻图形。X-X-射线曝光对掩膜版的射线曝光对掩膜版的要求：要求：X-X-射线掩膜版射线掩膜版使用材料解决使用材料解决方案：方案：A A：衬底使用衬底使用氮化硅、氮化硼、铍等对氮化硅、氮化硼、铍等对X X射线吸收较弱射线吸收较弱B B：图形材料使用图形材料使用金金第82页/共152页第第8章章 光刻工艺光刻工艺 三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段4、对准和曝光、对准和曝光 （5）制版）制版（教材（教材P185）制制版版就就是是将将器器件件与与电电路路的的结结构构（互互连连方方式式）的的设设计图形转移到掩膜版上。计图形转移到掩膜版上。先先制制作作母母版版，再再由由母母版版翻翻印印多多套套工工作作版版，工工作作版版也叫作光刻版。也叫作光刻版。制制版版技技术术是是光光刻刻工工艺艺的的关关键键技技术术。一一种种产产品品生生产产时时光光刻刻几几次次就就有有几几块块版版，这这几几块块版版彼彼此此联联系系的的版版组合成一套版。组合成一套版。第83页/共152页第第8章章 光刻工艺光刻工艺 三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段4、对准和曝光、对准和曝光 （5）制版）制版（教材（教材P185）空白版就是底版，由基片和（感光）薄膜组成。空白版就是底版，由基片和（感光）薄膜组成。空空白白版版有有多多种种，可可根根据据基基片片上上的的感感光光薄薄膜膜来来划划分分不不同同的的空空白白版版，常常用用的的有有超超微微粒粒干干版版、铬铬版版、彩彩色版等。色版等。铬铬版版 是是在在玻玻璃璃基基片片上上淀淀积积铬铬薄薄膜膜构构成成的的空空白白版版，铬铬薄薄膜膜常常采采用用溅溅射射或或真真空空蒸蒸镀镀的的方方法法淀淀积积。铬铬版版是是当当前前采采用用最最多多的的版版，这这种种光光刻刻版版的的制制作作技技术术几几乎与晶圆乎与晶圆-图案复制操作一致。图案复制操作一致。第84页/共152页第第8章章 光刻工艺光刻工艺 三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段4、对准和曝光、对准和曝光 （5）制版）制版（教材（教材P185）使用光学照相方法制母版，再复印光刻版。光学制版使用光学照相方法制母版，再复印光刻版。光学制版分辨率受衍射极限限制。分辨率受衍射极限限制。光学制版总图绘制总图绘制绘分图绘分图初缩初缩精缩精缩复印复印光学制版的步骤：第85页/共152页第第8章章 光刻工艺光刻工艺 三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段4、对准和曝光、对准和曝光 （5）制版）制版（教材（教材P185）电子束制版电子束制版 采用计算机绘图将图形采用计算机绘图将图形X-Y数据化，用图数据化，用图形发生器按这些数据由电子束在空白版上扫描，直接形发生器按这些数据由电子束在空白版上扫描，直接制备出母版；或者先制备制备出母版；或者先制备10倍的中间版，再步进重复倍的中间版，再步进重复（精缩）制出母版。（精缩）制出母版。电子束制版 第86页/共152页第第8章章 光刻工艺光刻工艺 三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段4、对准和曝光、对准和曝光 （5）制版）制版（教材（教材P185）A A：图形符合设计要求，尺寸准确，不发生变形；：图形符合设计要求，尺寸准确，不发生变形；B B：一套母版的各个分版之间应一一套准；：一套母版的各个分版之间应一一套准；C C：版黑白反差应大；：版黑白反差应大；D D：图形边缘光滑陡直，无毛刺，过渡小。：图形边缘光滑陡直，无毛刺，过渡小。E E：版面光洁，针孔、小岛，以及划痕少。：版面光洁，针孔、小岛，以及划痕少。掩膜版的质量要求 第87页/共152页第第8章章 光刻工艺光刻工艺 三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段5、显影、显影 （1）概述）概述（教材（教材P164）晶晶圆圆在在完完成成对对准准和和曝曝光光后后，器器件件或或电电路路的的图图案案被被以以曝曝光光和和未未曝光区域的形式记录在光刻胶上，但还未出现应有的图形。曝光区域的形式记录在光刻胶上，但还未出现应有的图形。第88页/共152页第第8章章 光刻工艺光刻工艺 三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段5、显影、显影 （2）显影化学品）显影化学品（教材（教材P165）第89页/共152页第第8章章 光刻工艺光刻工艺 三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段5、显影、显影 （3）显影方法）显影方法（教材（教材P165）湿法显影第90页/共152页Development:Immersion（沉浸显影）显影漂洗旋转干燥第91页/共152页第92页/共152页第93页/共152页第第8章章 光刻工艺光刻工艺 三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段5、显影、显影 （3）显影方法）显影方法（教材（教材P165）干法显影（等离子体显影，通常是氧）干干法法氧氧等等离离子子体体显显影影要要求求光光刻刻胶胶化化学学物物的的曝曝光光部部分分或或未未曝曝光光部部分分二二者者之之一一易易于于被被氧氧等等离离子子体体驱除，更确切的说，图案部分从表面氧化掉。驱除，更确切的说，图案部分从表面氧化掉。第94页/共152页第第8章章 光刻工艺光刻工艺四、刻蚀、去胶阶段四、刻蚀、去胶阶段 1、后烘、后烘 2、刻蚀、刻蚀 3、光刻胶去除、光刻胶去除第95页/共152页第第8章章 光刻工艺光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段1、后烘、后烘（1）目的 去除显影液和水分，使胶膜坚固去除显影液和水分，使胶膜坚固 使胶膜进一步聚合而提高胶膜抗刻蚀能力使胶膜进一步聚合而提高胶膜抗刻蚀能力 提高胶膜粘附性提高胶膜粘附性第96页/共152页第第8章章 光刻工艺光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段1、后烘、后烘（2）方法与前烘方法大致相同。与前烘方法大致相同。例如：例如：采采用用对对流流炉炉的的后后烘烘温温度度是是130度度200度度，时时间间30分钟。分钟。第97页/共152页第第8章章 光刻工艺光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段2、刻蚀、刻蚀（1）定义和目的把把显显影影后后的的光光刻刻胶胶微微图图形形下下层层材材料料的的裸裸露露部部分分去去掉掉，将将光光刻刻胶胶图图形形转转移移到到下下层层材材料料上上去去的的工工艺叫作刻蚀。艺叫作刻蚀。第98页/共152页第第8章章 光刻工艺光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段2、刻蚀、刻蚀（2）刻蚀的要求 保真保真 最好是各向异性腐蚀，侧向腐蚀小最好是各向异性腐蚀，侧向腐蚀小 选择比高选择比高 均匀性好均匀性好 清洁清洁 在胶膜掩蔽下，去除窗口薄膜物质（如SiO2，Al等）要求：第99页/共152页第第8章章 光刻工艺光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段2、刻蚀、刻蚀（2）刻蚀的要求选择比的定义：选择比的定义：第100页/共152页第第8章章 光刻工艺光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段2、刻蚀、刻蚀（3）刻蚀常见问题不完全刻蚀：第101页/共152页第第8章章 光刻工艺光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段2、刻蚀、刻蚀（3）刻蚀常见问题 过刻蚀和底切在从最外表面刻蚀到表层底部的过程中刻蚀也会在最外表面进行。结果会在侧边形成一个斜面，这种作用因在光刻胶边缘下被刻蚀，所以称为低切第102页/共152页第第8章章 光刻工艺光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段2、刻蚀、刻蚀（3）刻蚀常见问题 各向同性刻蚀第103页/共152页第第8章章 光刻工艺光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段2、刻蚀、刻蚀（4）刻蚀的分类参见教材图刻蚀。参见教材图刻蚀。湿法刻蚀类：湿法刻蚀类：沉浸沉浸 喷射喷射干法刻蚀类：干法刻蚀类：等离子体（桶形、平面）等离子体（桶形、平面）离子轰击离子轰击 反应离子刻蚀（反应离子刻蚀（RIE）第104页/共152页第第8章章 光刻工艺光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段2、刻蚀、刻蚀（5）湿法刻蚀湿湿法法刻刻蚀蚀是是化化学学腐腐蚀蚀，在在腐腐蚀蚀液液中中通通过过化化学学反反应应去除窗口薄膜，得到薄膜图形。去除窗口薄膜，得到薄膜图形。由由于于加加工工线线条条变变细细而而使使腐腐蚀蚀效效果果差差，因因此此湿湿法法腐腐蚀蚀用用于于特特征征图图形形尺尺寸寸大大于于3微微米米的的产产品品，低低于于此此水水平时，使用干法刻蚀。平时，使用干法刻蚀。第105页/共152页第第8章章 光刻工艺光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段2、刻蚀、刻蚀（5）湿法刻蚀 特点 A：湿法腐蚀的产物必须是气体或可溶于腐蚀液的物质。：湿法腐蚀的产物必须是气体或可溶于腐蚀液的物质。B：一般说来，反应总伴随着放热和放气。：一般说来，反应总伴随着放热和放气。优点：A：工艺简单，无需复杂设备，选择比高；：工艺简单，无需复杂设备，选择比高；B：均匀性好：均匀性好缺点：A：各向同性腐蚀；：各向同性腐蚀；B：分辨率低，自动化难：分辨率低，自动化难第106页/共152页第第8章章 光刻工艺光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段2、刻蚀、刻蚀（5）湿法刻蚀 硅湿法刻蚀 刻蚀液：刻蚀液：硝酸和硝酸和HF酸的混合水溶液。酸的混合水溶液。第107页/共152页第第8章章 光刻工艺光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段2、刻蚀、刻蚀（5）湿法刻蚀 二氧化硅湿法刻蚀 刻蚀液：刻蚀液：氢氟酸缓冲液：氢氟酸缓冲液：49%HF：NH3F：H2O=3ml：6g：10ml第108页/共152页第第8章章 光刻工艺光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段2、刻蚀、刻蚀（5）湿法刻蚀 铝膜湿法刻蚀（教材P175最下）因此常使用刻蚀液：因此常使用刻蚀液：对对于于铝铝和和铝铝合合金金有有选选择择性性的的刻刻蚀蚀溶溶液液是是85%的的浓浓磷磷酸酸，但但是是副副产产物物氢氢气气泡泡可可能能会导致桥接或雪球。会导致桥接或雪球。磷酸磷酸:硝酸硝酸:醋酸醋酸:水水=16:1:1:2第109页/共152页第第8章章 光刻工艺光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段2、刻蚀、刻蚀（6）干法刻蚀湿法刻蚀的局限性：（P177最上方）湿法刻蚀局限于湿法刻蚀局限于3微米以上的图案尺寸微米以上的图案尺寸 湿法刻蚀为各向同性刻蚀导致边侧形成斜坡湿法刻蚀为各向同性刻蚀导致边侧形成斜坡 湿法刻蚀要求冲洗和干燥步骤湿法刻蚀要求冲洗和干燥步骤 液体化学品有毒害液体化学品有毒害 湿法工艺有潜在的污染湿法工艺有潜在的污染 光刻胶黏合力的失效导致底切光刻胶黏合力的失效导致底切第110页/共152页 二氧化硅和硅的干法刻蚀二氧化硅和硅的干法刻蚀 在ULSI工艺中对二氧化硅的刻蚀通常是在含有氟化碳的等离子体中进行。早期刻蚀使用的气体为四氟化碳(CF4)，现在使用比较广泛的反应气体有CHF3，C2F6，SF6和C2F8，其目的都是用来提供碳原子及氟原子与SiO2进行反应。CF4的反应为：使用CF4对SiO2进行刻蚀时，刻蚀完SiO2之后，会继续对硅进行刻蚀。为了解决这一问题，在CF4等离子体中通常加入一些附加的气体成份，这些附加的气体成份可以影响刻蚀速度、刻蚀的选择性、均匀性和刻蚀后图