微电子工艺基础光刻工艺学习教案.pptx

会计学1微电子工艺微电子工艺(gngy)基础光刻工艺基础光刻工艺(gngy)第一页，共152页。第第8章章 光刻工艺光刻工艺(gngy)本章本章本章本章(bn zhn)(bn zhn)目标：目标：目标：目标：1、熟悉、熟悉(shx)光刻工艺的流程光刻工艺的流程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页第二页，共152页。第第8章章 光刻工艺光刻工艺(gngy)一、概述一、概述(i sh)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页第三页，共152页。第第8章章 光刻工艺光刻工艺(gngy)一、概述一、概述 1、光刻的定义、光刻的定义(dngy)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页第四页，共152页。第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺(gngy)(gngy)一、概述一、概述一、概述一、概述1 1、光刻的定义、光刻的定义、光刻的定义、光刻的定义(dngy)(dngy)光光刻刻是是图图形形(txng)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膜上制备图形(txng)的精密表面工艺技术。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页第五页，共152页。第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺(gngy)(gngy)一、概述一、概述一、概述一、概述2 2、光刻的目的、光刻的目的、光刻的目的、光刻的目的(md)(md)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(hjn)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选择择性性扩扩散散和金属薄膜布线的目的。和金属薄膜布线的目的。第5页/共152页第六页，共152页。第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺(gngy)(gngy)一、概述一、概述一、概述一、概述3 3、光刻的目标、光刻的目标、光刻的目标、光刻的目标(mbio)(mbio)（教材（教材（教材（教材P130P130最上部分）最上部分）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(dngwi)图图 形形（称称 为为Alignment或者或者Registration），包括套刻准确。），包括套刻准确。第6页/共152页第七页，共152页。第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺(gngy)(gngy)一、概述一、概述一、概述一、概述4 4、光刻工艺、光刻工艺、光刻工艺、光刻工艺(gngy)(gngy)步骤概述（步骤概述（步骤概述（步骤概述（*）光刻蚀工艺光刻蚀工艺(gngy):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(gngy)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页第八页，共152页。第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺(gngy)(gngy)一、概述一、概述一、概述一、概述4 4、光刻工艺步骤、光刻工艺步骤、光刻工艺步骤、光刻工艺步骤(bzhu)(bzhu)概述（概述（概述（概述（*）（1）图形(txng)转移的两个阶段 图形(txng)转移到光刻胶层第8页/共152页第九页，共152页。第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺(gngy)(gngy)一、概述一、概述一、概述一、概述4 4、光刻工艺、光刻工艺、光刻工艺、光刻工艺(gngy)(gngy)步骤概述（步骤概述（步骤概述（步骤概述（*）（1）图形(txng)转移的两个阶段 图形(txng)从光刻胶层转移到晶圆层第9页/共152页第十页，共152页。第第第第8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺(gngy)(gngy)一、概述一、概述一、概述一、概述4 4、光刻工艺、光刻工艺、光刻工艺、光刻工艺(gngy)(gngy)步骤概述（步骤概述（步骤概述（步骤概述（*）（2 2）十步法）十步法）十步法）十步法第10页/共152页第十一页，共152页。第第8章章 光刻工艺光刻工艺(gngy)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(fn li)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页第十二页，共152页。第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺(gngy)(gngy)二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶1 1、光刻胶的组成、光刻胶的组成、光刻胶的组成、光刻胶的组成(z chn)(z chn)、分类、分类、分类、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作为掩膜对薄膜进行腐蚀(fsh)，图形就转移，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。到晶片表面的薄膜上了，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页第十三页，共152页。第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺(gngy)(gngy)二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶1 1、光刻胶的组成、光刻胶的组成、光刻胶的组成、光刻胶的组成(z chn)(z chn)、分类分类分类分类（1）光刻胶的分类(fn li)根据胶的极性A.正胶正胶B.负胶负胶正胶：胶的曝光区在显影中除去。正胶曝光时发生光分解反应变成可溶的。胶的曝光区在显影中除去。正胶曝光时发生光分解反应变成可溶的。使用这种光刻胶时，能够得到与掩膜版遮光图案相同的图形，故称之为正胶。使用这种光刻胶时，能够得到与掩膜版遮光图案相同的图形，故称之为正胶。负胶：胶的曝光区在显影中保留，用的较多。具体说来负胶在曝光前对某些有机溶剂（丙酮、丁酮、环己酮）是可溶的，而曝光后发生光聚合反应变成不可溶的。胶的曝光区在显影中保留，用的较多。具体说来负胶在曝光前对某些有机溶剂（丙酮、丁酮、环己酮）是可溶的，而曝光后发生光聚合反应变成不可溶的。使用这种光刻胶时，能够得到与掩膜版遮光图案相反的图形，故称之为负胶。使用这种光刻胶时，能够得到与掩膜版遮光图案相反的图形，故称之为负胶。第13页/共152页第十四页，共152页。第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺(gngy)(gngy)二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶1 1、光刻胶的组成、光刻胶的组成、光刻胶的组成、光刻胶的组成(z chn)(z chn)、分类分类分类分类（2）光刻胶的组成(z chn)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页第十五页，共152页。第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺(gngy)(gngy)二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶2 2、光刻胶的参数、光刻胶的参数、光刻胶的参数、光刻胶的参数(cnsh)(cnsh)（1）感光度用于表征光刻胶感光用于表征光刻胶感光(gn gung)性能的。性能的。第15页/共152页第十六页，共152页。第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺(gngy)(gngy)二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶2 2、光刻胶的参数、光刻胶的参数、光刻胶的参数、光刻胶的参数(cnsh)(cnsh)（2）分辨率指指用用某某种种光光刻刻胶胶光光刻刻时时所所能能得得到到(d do)的的光光刻刻图图形形的的最最小小尺寸。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。分辨率通常以每毫米内能刻蚀出可分辨的最多线条数目来表示。分辨率通常以每毫米内能刻蚀出可分辨的最多线条数目来表示。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页第十七页，共152页。第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺(gngy)(gngy)二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶2 2、光刻胶的参数、光刻胶的参数、光刻胶的参数、光刻胶的参数(cnsh)(cnsh)（3）抗蚀性在湿法刻蚀中，要求光刻胶能较长时间的经受在湿法刻蚀中，要求光刻胶能较长时间的经受(jngshu)酸、碱的浸蚀；酸、碱的浸蚀；在干法刻蚀中，要求光刻胶能较长时间的经受在干法刻蚀中，要求光刻胶能较长时间的经受(jngshu)等离子体的作用。等离子体的作用。第17页/共152页第十八页，共152页。第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺(gngy)(gngy)二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶2 2、光刻胶的参数、光刻胶的参数、光刻胶的参数、光刻胶的参数(cnsh)(cnsh)（4）粘附(zhn f)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页第十九页，共152页。第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺(gngy)(gngy)二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶2 2、光刻胶的参数、光刻胶的参数、光刻胶的参数、光刻胶的参数(cnsh)(cnsh)（5）针孔(zhn kn)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针孔孔在刻蚀过程中会传递到衬底上，危害极大。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分辨率。辨率。第19页/共152页第二十页，共152页。第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺(gngy)(gngy)二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶2 2、光刻胶的参数、光刻胶的参数、光刻胶的参数、光刻胶的参数(cnsh)(cnsh)（6）留膜率留留膜膜率率是是指指曝曝光光(bo gung)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光曝光(bo gung)前的胶膜厚度之比。前的胶膜厚度之比。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，所所以以希希望望光刻胶的留膜率越高越好。光刻胶的留膜率越高越好。第20页/共152页第二十一页，共152页。第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺(gngy)(gngy)二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶3 3、正、负胶的比较、正、负胶的比较、正、负胶的比较、正、负胶的比较(bjio)(bjio)（1）正、负胶和掩膜版极性的结合(jih)（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页第二十二页，共152页。第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺(gngy)(gngy)二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶3 3、正、负胶的比较、正、负胶的比较、正、负胶的比较、正、负胶的比较(bjio)(bjio)（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、对辐照例如：由顺聚异戊二烯、对辐照(f zho)敏感的交联剂以及溶剂组成的负胶，响应波长敏感的交联剂以及溶剂组成的负胶，响应波长330-430nm，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。，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。第22页/共152页第二十三页，共152页。第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺(gngy)(gngy)二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶1 1、光刻胶的组成、光刻胶的组成、光刻胶的组成、光刻胶的组成(z chn)(z chn)、分类分类分类分类（3）正胶当前常用的正胶由以下物质组成的：酚醛树脂、光敏剂邻重氮醌和溶剂二甲氧基乙醛当前常用的正胶由以下物质组成的：酚醛树脂、光敏剂邻重氮醌和溶剂二甲氧基乙醛(y qun)等。响应波长等。响应波长 330-430nm，胶膜厚，胶膜厚 1-3m，显影液是氢氧化钠等碱性物质。曝光的光刻胶光分解后易溶于显影液，未曝光的胶膜难溶于碱性显影液。，显影液是氢氧化钠等碱性物质。曝光的光刻胶光分解后易溶于显影液，未曝光的胶膜难溶于碱性显影液。第23页/共152页第二十四页，共152页。第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺(gngy)(gngy)二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶3 3、正胶、负胶的比较、正胶、负胶的比较、正胶、负胶的比较、正胶、负胶的比较(bjio)(bjio)（*）正胶 负胶 不易氧化(ynghu)易氧化(ynghu)而使光刻胶膜变薄 成本高 成本低 图形边缘整齐、陡直，无溶胀现象 易吸收显影液而溶涨 分辨率更高 去胶较容易 抗蚀性强于正胶第24页/共152页第二十五页，共152页。第25页/共152页第二十六页，共152页。第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺(gngy)(gngy)二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶4 4、电子、电子、电子、电子(dinz)(dinz)抗蚀剂抗蚀剂抗蚀剂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(fnyng)(fnyng)，由于胶联，分子变大变复杂，平均分子量增加。由于胶联，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(fnyng)(fnyng)。由于降解，分子链剪断、变短，成为小分子。由于降解，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（丙丙烯酸盐基类），灵敏度比烯酸盐基类），灵敏度比PMMAPMMA高但最小分辨率只有。高但最小分辨率只有。第26页/共152页第二十七页，共152页。第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺(gngy)(gngy)二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶5 5、X-X-射线射线射线射线(shxin)(shxin)抗蚀剂抗蚀剂抗蚀剂抗蚀剂在电子抗蚀剂如在电子抗蚀剂如PMMA中加入中加入(jir)铯、铊等，能增加抗蚀铯、铊等，能增加抗蚀剂对剂对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页第二十八页，共152页。第第8章章 光刻工艺光刻工艺(gngy)三、曝光、显影阶段三、曝光、显影阶段(jidun)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页第二十九页，共152页。第第第第8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺 三、曝光三、曝光三、曝光三、曝光(bo gung)(bo gung)显影阶段显影阶段显影阶段显影阶段1 1、表面、表面、表面、表面(biomin)(biomin)准备准备准备准备（1）微粒(wil)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页第三十页，共152页。Wafer Clean Process（新方法（新方法(fngf)）第30页/共152页第三十一页，共152页。第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺(gngy)(gngy)二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶2 2、涂光刻胶、涂光刻胶、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 使使用用黄黄光光(hun un)或或红红光光照照明明，防防止止光光刻刻胶胶失失效效 第31页/共152页第三十二页，共152页。第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺(gngy)(gngy)二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶2 2、涂光刻胶、涂光刻胶、涂光刻胶、涂光刻胶（1）静态(jngti)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(chx)一一段段时时间间以便使光刻胶干燥。以便使光刻胶干燥。第32页/共152页第三十三页，共152页。第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺(gngy)(gngy)二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶2 2、涂光刻胶、涂光刻胶、涂光刻胶、涂光刻胶 （1 1）静态）静态）静态）静态(jngti)(jngti)涂胶工艺涂胶工艺涂胶工艺涂胶工艺第33页/共152页第三十四页，共152页。第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺(gngy)(gngy)二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶2 2、涂光刻胶、涂光刻胶、涂光刻胶、涂光刻胶 （1 1）静态）静态）静态）静态(jngti)(jngti)涂胶工艺涂胶工艺涂胶工艺涂胶工艺第34页/共152页第三十五页，共152页。第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺(gngy)(gngy)二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶2 2、涂光刻胶、涂光刻胶、涂光刻胶、涂光刻胶（2）动态(dngti)喷洒第35页/共152页第三十六页，共152页。光刻胶旋涂机光刻胶旋涂机n n光刻胶在旋转光刻胶在旋转(xunzhu(xunzhu n)n)的圆片表面向外扩展的圆片表面向外扩展n n圆片吸在真空卡盘上圆片吸在真空卡盘上n n低速旋转低速旋转(xunzhu(xunzhu n)500 rpmn)500 rpmn n缓变上升至缓变上升至 3000-7000 rpm 3000-7000 rpm第36页/共152页第三十七页，共152页。实验室匀胶机实验室匀胶机第37页/共152页第三十八页，共152页。光刻胶旋涂机光刻胶旋涂机EBR:Edge bead removal边缘(binyun)修复第38页/共152页第三十九页，共152页。n n硅片自动输送轨道系统；真空硅片自动输送轨道系统；真空(zhnkng)(zhnkng)卡盘吸住硅片；胶盘卡盘吸住硅片；胶盘n n排气系统；可控旋转马达；给胶管和给胶泵排气系统；可控旋转马达；给胶管和给胶泵n n边缘清洗（去边）边缘清洗（去边）第39页/共152页第四十页，共152页。滴胶滴胶第40页/共152页第四十一页，共152页。光刻胶吸回光刻胶吸回第41页/共152页第四十二页，共152页。光刻胶旋涂光刻胶旋涂第42页/共152页第四十三页，共152页。Photoresist Spin Coating第43页/共152页第四十四页，共152页。Photoresist Spin Coating第44页/共152页第四十五页，共152页。Edge Bead Removal（边缘（边缘(binyun)修复）修复）第45页/共152页第四十六页，共152页。Edge Bead Removal第46页/共152页第四十七页，共152页。Ready For Soft Bake（软烘焙（软烘焙(hngbi)）第47页/共152页第四十八页，共152页。Optical Edge Bead RemovalOptical Edge Bead Removal（光学边缘（光学边缘（光学边缘（光学边缘(binyun)(binyun)修复）修复）修复）修复）第48页/共152页第四十九页，共152页。Developer Spin Off（甩掉显影剂）（甩掉显影剂）第49页/共152页第五十页，共152页。第50页/共152页第五十一页，共152页。第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺(gngy)(gngy)二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶3 3、前烘、前烘、前烘、前烘 （1 1）目的）目的）目的）目的(md)(md)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 增加增加(zngji)胶膜和衬底的粘附性以及胶膜的耐磨性胶膜和衬底的粘附性以及胶膜的耐磨性第51页/共152页第五十二页，共152页。第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺(gngy)(gngy)二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶3 3、前烘、前烘、前烘、前烘 （2 2）方法）方法）方法）方法(fngf)(fngf)（根据热传递的（根据热传递的（根据热传递的（根据热传递的三种方式）三种方式）三种方式）三种方式）烘箱烘烤(hn ko)热板处理 红外光照射第52页/共152页第五十三页，共152页。光刻光刻2预烘预烘n n脱水(tu shu)烘焙n n去除圆片表面的潮气n n增强光刻胶与表面的黏附性n n通常大约100 Cn n与底胶涂覆合并进行第53页/共152页第五十四页，共152页。光刻光刻2底胶涂覆底胶涂覆n n增强光刻胶增强光刻胶(PR)(PR)和圆片表面和圆片表面(bi(bi omin)omin)的黏附性的黏附性n n广泛使用广泛使用:Hexamethyldisilazane(HMDS):Hexamethyldisilazane(HMDS)n n在在PRPR旋转涂覆前旋转涂覆前HMDSHMDS蒸气涂覆蒸气涂覆n nUsually performed in-situ with pre-bakeUsually performed in-situ with pre-baken nPRPR涂覆前用冷却板冷却圆片涂覆前用冷却板冷却圆片第54页/共152页第五十五页，共152页。预烘和底胶蒸气预烘和底胶蒸气(zhn q)涂覆涂覆 脱水脱水(tu shu)烘培烘培第55页/共152页第五十六页，共152页。第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺(gngy)(gngy)二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶4 4、对准、对准、对准、对准(du zhn)(du zhn)和曝光和曝光和曝光和曝光 （1 1）概）概）概）概述述述述对准和曝光对准和曝光(bo gung)(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 通过曝光通过曝光(bo gung)灯或其他辐射源将图形转移到光刻胶涂层上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页第五十七页，共152页。第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺(gngy)(gngy)二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶4 4、对准、对准、对准、对准(du zhn)(du zhn)和曝光和曝光和曝光和曝光 （2 2）对准）对准）对准）对准(du zhn)(du zhn)对准对准(du zhn)原则：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边成成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页第五十八页，共152页。第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺(gngy)(gngy)二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶4 4、对准、对准、对准、对准(du zhn)(du zhn)和曝光和曝光和曝光和曝光 （2 2）对准）对准）对准）对准(du zhn)(du zhn)对准误差对准误差(wch)：（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页第五十九页，共152页。第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺(gngy)(gngy)二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶4 4、对准和曝光、对准和曝光、对准和曝光、对准和曝光(bo gung)(bo gung)（3 3）曝光）曝光）曝光）曝光(bo gung)(bo gung)光源光源光源光源对对图图像像(t xin)的的改改进进方方法法：（见见教教材材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页第六十页，共152页。第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺(gngy)(gngy)二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶4 4、对准和曝光、对准和曝光、对准和曝光、对准和曝光(bo gung)(bo gung)（4 4）曝光曝光曝光曝光(bo gung)(bo gung)方法方法方法方法参参 见见(cnjin)教教 材材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页第六十一页，共152页。第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺(gngy)(gngy)二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶4 4、对准和曝光、对准和曝光、对准和曝光、对准和曝光(bo gung)(bo gung)（4 4）曝光曝光曝光曝光(bo gung)(bo gung)方法方法方法方法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，已逐渐被电子束光刻，X-射线光刻等新技术代替。但是光学光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刻在对分辨率要求不高的器件(qjin)和电路上仍被普遍采用。和电路上仍被普遍采用。第61页/共152页第六十二页，共152页。第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺(gngy)(gngy)二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶4 4、对准和曝光、对准和曝光、对准和曝光、对准和曝光(bo gung)(bo gung)（4 4）曝光）曝光）曝光）曝光(bo gung)(bo gung)方法方法方法方法 光学曝光(bo gung)A：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者的熟练程度的限制。作者的熟练程度的限制。第62页/共152页第六十三页，共152页。第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺(gngy)(gngy)二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶4 4、对准和曝光、对准和曝光、对准和曝光、对准和曝光(bo gung)(bo gung)（4 4）曝光）曝光）曝光）曝光(bo gung)(bo gung)方法方法方法方法 光学曝光(bo gung)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页第六十四页，共152页。接触式光刻机接触式光刻机接触式光刻机接触式光刻机n n设备简单设备简单n n7070年代中期年代中期(zhngq)(zhngq)前使前使n n 用用n n分辨率分辨率:有微米有微米n n 级的能力级的能力n n掩膜版和硅片直掩膜版和硅片直n n 接接触接接触,掩膜版掩膜版n n 寿命短寿命短第64页/共152页第六十五页，共152页。接触式光刻机第65页/共152页第六十六页，共152页。第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺(gngy)(gngy)二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶4 4、对准和曝光、对准和曝光、对准和曝光、对准和曝光(bo gung)(bo gung)（4 4）曝光曝光曝光曝光(bo gung)(bo gung)方法方法方法方法 光学(gungxu)曝光 B：接近式（教材P157）接近式光刻是分辨率和缺陷密度的权衡。它以牺牲分辨率来延长了掩膜版的寿命。只有采用高度平行的光束曝光来减少散射带来的影响。接近式光刻是分辨率和缺陷密度的权衡。它以牺牲分辨率来延长了掩膜版的寿命。只有采用高度平行的光束曝光来减少散射带来的影响。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页第六十七页，共152页。接近接近(jijn)式光刻机式光刻机n n距硅片表面(biomin)n n 10微米n n无直接接触n n更长的掩膜n n 寿命n n分辨率:3m第67页/共152页第六十八页，共152页。接近接近(jijn)式光刻机式光刻机第68页/共152页第六十九页，共152页。第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺(gngy)(gngy)二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶4 4、对准和曝光、对准和曝光、对准和曝光、对准和曝光(bo gung)(bo gung)（4 4）曝光曝光曝光曝光(bo gung)(bo gung)方法方法方法方法 光学(gungxu)曝光 C：投影式第69页/共152页第七十页，共152页。第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺(gngy)(gngy)二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶4 4、对准和曝光、对准和曝光、对准和曝光、对准和曝光(bo gung)(bo gung)（4 4）曝）曝）曝）曝光光光光(bo gung)(bo gung)方法方法方法方法 光学曝光(bo gung)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页第七十一页，共152页。投影投影投影投影(tuy(tuy ng)ng)光刻机（扫描型）光刻机（扫描型）光刻机（扫描型）光刻机（扫描型）第71页/共152页第七十二页，共152页。第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺(gngy)(gngy)二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶4 4、对准、对准、对准、对准(du zhn)(du zhn)和曝光和曝光和曝光和曝光 （4 4）曝光方法曝光方法曝光方法曝光方法 光学(gungxu)曝光 D：步进式（P159）使用带有一个芯片或几个芯片图形的掩膜版逐一对准、曝光，然后移动到下一个曝光场，重复这样的过程。使用带有一个芯片或几个芯片图形的掩膜版逐一对准、曝光，然后移动到下一个曝光场，重复这样的过程。第72页/共152页第七十三页，共152页。第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺(gngy)(gngy)二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶4 4、对准、对准、对准、对准(du zhn)(du zhn)和曝光和曝光和曝光和曝光 （4 4）曝光方法曝光方法曝光方法曝光方法 光学(gungxu)曝光 D：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页第七十四页，共152页。第74页/共152页第七十五页，共152页。步进光刻机步进光刻机步进光刻机步进光刻机n n先进的IC 中最流行的光刻设备n n高分辨率n n微米或以下n n非常昂贵n n掩膜图形尺寸5X：10X能够得到更好的分辨率，但是(dnsh)，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页第七十六页，共152页。第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺(gngy)(gngy)二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶4 4、对准、对准、对准、对准(du zhn)(du zhn)和曝光和曝光和曝光和曝光 （4 4）曝光方法曝光方法曝光方法曝光方法 电子束曝光(bo gung)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。电子束由阴极产生，它在阳极正电场的加速下获得很大的能量。为了使电子在运动过程中不会同气体分子碰撞，整个电子束曝光系统必须是高真空的。经过阳极加速的电子束必须进行聚焦，电子束的聚焦采用电场或磁场组成的透镜来实现，为了使电子束聚焦得很好，要采用复合透镜组来达到目的。电子束由阴极产生，它在阳极正电场的加速下获得很大的能量。为了使电子在运动过程中不会同气体分子碰撞，整个电子束曝光系统必须是高真空的。经过阳极加速的电子束必须进行聚焦，电子束的聚焦采用电场或磁场组成的透镜来实现，为了使电子束聚焦得很好，要采用复合透镜组来达到目的。第76页/共152页第七十七页，共152页。第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺(gngy)(gngy)二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶4 4、对准和曝光、对准和曝光、对准和曝光、对准和曝光(bo gung)(bo gung)（4 4）曝光）曝光）曝光）曝光(bo gung)(bo gung)方法方法方法方法 电子束曝光(bo gung)为了获得某一曝光图形，必须使电