集成电路工艺之光刻课件.ppt

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1、集成电路工艺之光刻光刻l 1、基本描述和过程l 2、光刻胶l 3、光刻机l 4、光刻工艺l 5、新技术简介光刻基本介绍l 在硅片表面匀胶，然后将掩模版上的图形转移光刻 胶上的过程l 将器件或电路结构临时“复制”到硅片上的过程。l 光刻在整个硅片加工成本中几乎占三分之一。l 光刻占40%到50%的流片时间。l 决定最小特征尺寸。IC 制程中最重要的模块,是集成电路中关键的工艺技术最早的构想来源于印刷技术中的照相制版。光刻技术最早于1958 年开始应用，并实现了平面晶体管的制作。光刻的一般要求l 图形的分辨率高l 光刻胶敏感度高l 层间对准精密高l 缺陷密度低光刻胶l 开始于印刷电路l 1950

2、年起应用于半导体工业l 是图形工艺的关键l 有正胶和负胶两种l 光敏材料l 均匀涂布在硅片表面l 用曝光的方法转移设计图形到光刻胶上l 类似于光敏材料涂布在照相用的底片上光刻胶的成分l 聚合物l 溶剂l 感光剂l 添加剂聚合物l 固体有机材料（胶膜的主体）l 转移图形到硅片上l UV 曝光后发生光化学反应，溶解性质发 生改变.溶剂l 溶解聚合物l 经过旋转涂布可得到薄光刻胶膜.感光剂l 控制和或改变光化学反应l 决定曝光时间和强度 添加剂l 为达到不同的工艺结果而添加多种不同的化学物质，如添加染色剂以减少反射。光刻胶的要求l 高分辨率 光刻胶越薄，分辨率越高 光刻胶越薄，抗刻蚀和离子注入能力越

3、低l 高抗刻蚀性（要求厚膜）l 好的黏附性l 注入屏蔽能力强和针孔少（要求厚膜）l 宽工艺窗口 能适应工艺的变更光刻胶的种类光刻机l IC制造中最关键的步骤l IC 晶圆中最昂贵的设备l 最有挑战性的技术l 决定最小特征尺寸 接触式光刻机 接近式光刻机 投影式光刻机 步进式光刻机接触式光刻机l 设备简单l 70 年代中期前使 用l 分辨率:有微米 级的能力l 掩膜版和硅片直 接接触,掩膜版 寿命短接触式光刻机接近式光刻机l 距硅片表面 10 微米l 无直接接触l 更长的掩膜 寿命l 分辨率:3m接近式光刻机投影光刻机（扫描型）步进光刻机l 先进的IC 中最流行的光刻设备l 高分辨率l 0.25

4、 微米或以下l 非常昂贵l 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。光刻的基本步骤硅片清洗l 去除沾污l 去除微粒l 减少针孔和其他缺陷l 提高光刻胶黏附性硅片清洗工艺光刻工艺前烘l 去水烘干l 去除硅片表面的水份l 提高光刻胶与表面的黏附性l 通常在100Cl 与前处理同时进行光刻工艺前处理l 防止显影时光刻胶脱离硅片表面l 通常和前烘一起进行l 匀胶前硅片要冷却硅片冷却l 匀胶前硅片需冷却l 硅片在冷却平板上冷却l 温度会影响光刻胶的黏度 影响光刻胶的厚度匀胶l 硅片吸附在真空卡盘上l 液态的光刻胶滴在硅片的中心l 卡盘

5、旋转，离心力的作用下光刻胶扩散开l 高速旋转，光刻胶均匀地覆盖硅片表面l 先低速旋转500 rpml 再上升到3000-7000 rpml 硅片自动输送轨道系统；真空卡盘吸住硅片；胶盘l 排气系统；可控旋转马达；给胶管和给胶泵l 边缘清洗（去边）去边(EBR)l 光刻胶扩散到硅片的边缘和背面l 在机械搬送过程中光刻胶可能回剥落成为微粒l 正面和背面去边EBRl 正面光学去边EBR匀胶后烘l 使光刻胶中的大部分溶剂蒸发。l 溶剂帮助得到薄的光刻胶膜但是吸收光且 影响黏附性l 曝光后烘时间和温度取决于工艺条件l 过烘:聚合,光敏性降低l 后烘不足:影响黏附性和曝光硅片冷却l 需要冷却到环境温度l

6、硅片在冷却板上冷却l 硅的热膨胀率:2.510-6/Cl 对于8 英寸硅片,改变1C 引起0.5 微米的直径差对准和曝光 接触式曝光：分辨率较高，但是容易造成掩膜版和光刻胶膜的损伤。接近式曝光：在硅片和掩膜版之间有一个很小的间隙(1025 m)，可以大大减小掩膜版的损伤，分辨率较低 投影式曝光：利用透镜或反射镜将掩膜版上的图形投影到衬底上，优点：掩模版与晶片不接触，掩模不受损伤；对准是观察掩模平面上的反射图像，不存在景深问题；掩模版上的图形是通过光学技影的方法缩小，并聚焦于感光胶膜上，掩模版上可以有比实际尺寸大得多的图像(通常掩模图形的尺寸是实际尺寸的110倍)，提高了对准精度，避免了微细图形

7、制作的困难，也减弱了灰尘微粒的影响。缺点：投影系统光路复杂,对物镜成像能力要求高。曝光后烘l 玻璃转化温度Tgl 烘烤温度大于Tgl 光刻胶分子热迁移l 过曝光和曝光不足的光刻胶分子重排l 平衡驻波效应,l 平滑光刻胶侧壁提高分辨率硅片冷却l PEB 后，显影前，硅片放置在冷却板上冷却至环境温度l 高温会加速化学反应引起过显影l 光刻胶CD 变小显影l 显影液溶解部分光刻胶l 正胶显影液通常使用弱碱性的溶剂l 最常用的是四甲基氢铵l 将掩膜上的图形转移到光刻胶上l 三个基本步骤:显影清洗干燥显影后烘l 使光刻胶中的溶剂蒸发l 提高抗刻蚀和抗离子注入性l 提高光刻胶和硅片表面的黏附性l 聚合化并

8、稳定光刻胶l 光刻胶流动填平针孔图形检查l 不合格的硅片将被去除光刻胶返工 光刻胶的图形是临时性的 刻蚀和注入后的图形是永久的.l 光刻是可以返工的l 刻蚀和注入后不能返工l 光学显微镜l 扫描电子显微镜(SEM)检查l 对准精度 放大,缩小,掩膜旋转,硅片旋转,X 方向漂移,Y 方向漂移l 关键尺寸(CD)l 表面缺陷如，刮痕，针孔，污点，污染物等检查l 如果硅片检查合格，将会流出光刻模块，进入下一道工艺l 刻蚀或离子注入目前新技术l 相移掩膜l 浸没式光刻浸没式光刻l 是目前领域最有趣的问题l 非常有前景l 193 nm 浸没式光刻技术已在2019 年投入使用l 利用水提高分辨率浸没式实现

9、方法l 喷淋vs浸泡l 主要的光刻机生产商的主要研发方向都是喷淋系统l 在透镜和硅片之间有水l 大约1 mm 的间距l 大约100 mm 的直径l 此外，目前正在研究的还有X-ray 光刻、电子束光刻（EBL）、离子束（IBL）光刻。安全化学制品安全l 湿法清洗 硫酸(H2SO4）:强腐蚀性 双氧水(H2O2):强氧化剂l 二甲苯(负胶溶剂和显影液):易燃易爆l HMDS(前处理):易燃易爆l TMAH（正胶显影溶剂):有毒，有腐蚀性l 汞(Hg,UV lamp)蒸气 高毒性;l 氯(Cl2,受激准分子激光器)有毒，有腐蚀性l 氟(F2,受激准分子激光器)有毒，有腐蚀性机械安全l 活动部件l 热表面l 高压灯电安全l 高压供电源l 掉电l 地面静电荷l 标注清晰和锁紧放射性安全l UV 光可破坏化学键l 有机分子有长化学键结构l 更易因UV 引起损伤l UV 光通常用于消毒杀菌l 如果直视UV 光源会伤害眼睛l 有时需要戴防UV 护目镜小结l 光刻:形成暂时性图形的模块l IC制程中最重要的模块l 要求:高分辨率,低缺陷密度l 光刻胶：正胶和负胶l 步骤:前烘和前处理,匀胶,匀胶后烘,曝光,曝光后烘,显影,显影后烘,检查l 用于65,45,and 32 nm 的浸没式光刻,可达到22 nml NGL:离子束光刻和电子束光刻.