(10)光刻技术剖析

《(10)光刻技术剖析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《(10)光刻技术剖析（85页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、1,第10章 光刻技术,影响光刻的主要因素为掩膜版、光刻胶和光刻机。 掩膜版由透光的衬底材料（石英玻璃）和不透光金属吸收玻璃（主要是金属铬）组成。通常还有一层保护膜。 光刻胶又称为光致抗蚀剂，是由光敏化合物、基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体。光刻胶受到特定波长光线的作用时化学结构发生变化，使光刻胶在特定溶液中的溶解特性改变。正胶和反胶 光刻机是曝光工具，是光刻工程的核心部分，其造价昂贵，可称世界上最精密的仪器。,2,10.1 光刻掩模版的制造 10.2 光刻胶 10.3 光学分辨率增强技术 10.4 紫外光曝光技术 10.5 其它曝光技术 10.6 光刻设备,3,10.1 光刻掩模版的制

2、造,掩模版就是将设计好的特定几何图形通过一定的方法以一定的间距和布局做在基版上，供光刻工艺中重复使用。 制造商将设计工程师交付的标准制版数据传送给一个称作图形发生器的设备，图形发生器会根据该数据完成图形的产生和重复，并将版图数据分层转移到各层光刻掩模版（为涂有感光材料的优质玻璃板）上，这就是制版。,4,掩模版使用低膨胀系数的熔融石英上淀积金属铬（1000埃）制成。 通过电子束直写，将设计图转化为掩模版图形。 特征尺寸减小，要求保护掩模版避免掉铬、擦伤、颗粒污染和静电放电损伤。,5,光刻版,6,7,(A)电路图；(B)版图,8,10.1.1 制版工艺简介,掩模版的制作流程,9,10.1.1 制版

3、工艺简介,硅平面晶体管或基层电路掩膜版的直走，一般来讲要经过原图绘制（版图绘制和刻分层图）、初缩、精缩兼分布重复、复印阴版和复印阳版等几部。 在实际制作中，掩膜版制作人员根据图形产生的数据，再加上不同的应用需求及规格，会选用不同的制作流程。,10,10.1.1 制版工艺简介,一般集成电路的制版工艺流程示意图,11,10.1.1 制版工艺简介,版图绘制：在版图设计完成后，一般将其放大100-1000倍，在坐标纸上画出版图总图。 刻分层图：生成过程中需要几次光刻版，总图上就含有几个层次的图形。为了分层制出各次光刻版，首先分别在表面贴有红色膜的透明聚酯塑料胶片（红膜）的红色薄膜层上刻出各个层次的图形

4、，揭掉不要的部分，形成红膜表示的各层次图形。刻红膜,12,10.1.1 制版工艺简介,初缩：对红膜图形进行第一次缩小，得到大小为最后图形十倍的各层初缩版。 紧缩兼分布重复：一个大圆片上包含有成千上万个管芯，所用的光刻版上当然就应当重复排列有成千上万个相同的图形。第一是将初缩版的图形进一步缩小为最后的实际大小，并同时进行分布重复；第二是得到可用于光刻的正式掩膜版。直接由精缩兼分布重复得到的称为模板。,13,10.1.1 制版工艺简介,复印：在集成电路生产的光刻过程中，掩膜版会受磨损产生伤痕。使用一定次数后需要换用新掩膜版。因此得到目版后要采用复印技术复制多块工作掩膜版工光刻用。,14,10.1.

5、2 掩模板的基本构造及质量要求,掩模版的基本构造,15,10.1.2 掩模板的基本构造及质量要求,玻璃基片，一般具有低热膨胀系数、低含钠含量、高化学稳定性及高光穿透性等特质； 掩膜版之所以可以作为图形转移的模板，关键就在于有无铬膜的存在，有铬膜的地方，光线不能穿越，反之，则光可透过石英玻璃而照射在涂有光刻胶的晶片上，晶片再经过显影，产生不同的图形。,16,掩模版上的缺陷一般来自两个方面： 一是掩模版图形本身的缺陷，大致包括针孔、黑点、黑区突出、白区突出、边缘不均及刮伤等，此部分皆为制作过程中所出现的，目前是利用目检或机器原形比对等方式来筛选； 二是指附着在掩模版上的外来物，为解决此问题，通常在

6、掩模版上装一层保护膜。,掩模版保护膜功能示意图,17,10.1.2 掩模板的基本构造及质量要求,光刻工艺对掩模版的质量要求归纳有如下几点： 每一个微小图形尺寸精确无畸变。 图形边缘清晰、锐利，无毛刺，过渡区要小。 整套掩模中的各块掩模能很好地套准。 图形与衬底要有足够的反差，透明区无灰雾。 掩模应尽可能做到无缺陷。 版面平整、光洁、结实耐用。,18,10.1.3 铬版的制备技术,铬版工艺的特点如下: 由于金属铬膜与相应的玻璃衬底有很强的粘附性能；质地坚硬。所以耐磨、寿命长。 图形失真小，分辨率极高。 铬膜的光学密度大，搭配透明衬底，反差极好。 金属铬在空气中十分稳定。 铬膜版制备有两个部分的内

7、容：蒸发蒸镀与光刻技术,19,10.1.3 铬版的制备技术,空白铬版制作工艺流程,20,1、玻璃基板的选择与制备,（1）基板玻璃的选择 为保证版的质量，玻璃衬底必须满足如下要求： 热膨胀系数：要求越小越好，对于白玻璃，要求9.310-6K-1；对于硼硅玻璃，要求4.510-6K-1；对于石英玻璃，要求0.510-6K-1。 透射率：在360nm以上的波长范围内，透射率在90%以上。 化学稳定性：掩模版在使用和储存过程中，很难绝对避免与酸、碱、水和其它气氛接触。它们对玻璃都有不同程度的溶解力。 选择方法：表面光泽，无突起点、凹陷、划痕和气泡，版面平整。厚度适中、均匀。对于接触式曝光，为能承受接触

8、复印压力，厚度应在3mm以上。,21,（2）玻璃基板的制备 挑选好的制版玻璃，通过切割、铣边、例棱、倒角、粗磨、精磨、厚度分类、粗抛、精抛、超声清洗、检验、平坦度分类等工序后，制成待用的衬底玻璃。,2、铬膜的蒸发,铬版通常采用纯度99%以上的铬粉作为蒸发源，把其装在加热用的钼舟内进行蒸发。蒸发前应把真空度抽至10-3mmHg以上，被蒸发的玻璃需加热。其它如预热等步骤与蒸铝工艺相似。,22,3、蒸发后对铬膜的质量检查 从真空室中取出蒸好的铬版，用丙酮棉球擦洗表面，然后放在白炽灯前观察。检查铬层有否针孔，厚度是否均匀，厚薄是否适当。 如果铬膜太厚，腐蚀时容易钻蚀，影响光刻质量。太薄则反差不够高。铬

9、膜的厚度可用透过铬版观察白炽灯丝亮度的方法，根据经验判断；精确的厚度必须用测厚仪测量。铬膜质量不好的常见毛病是针孔，产生原因主要是玻璃基片的清洁度不够好，有水汽吸附，铬粉不纯，表面存在尘埃等。,23,10.1.3 铬版的制备技术,4、铬膜质量 （1）膜厚 （2）均匀性 （3）针孔 （4）牢固度,24,10.1.4 彩色版制备技术,彩色版是一种采用新型的透明或半透明掩模，因有颜色，即俗称彩色版，它可克服超微粒干版缺陷多，耐磨性差及铬版针孔多、易反光、不易对准等缺点。 彩色版的最主要特点是对曝光光源波长不透明，而对于观察光源波长透明。 彩色版种类很多，有氧化铁版、硅版、氧化铬版、氧化亚铜版等，目前

10、应用较广的是氧化铁彩色版。 氧化铁具备作为选择透明掩模材料的所有要求的最佳的化学和物理特性。据报道，在紫外区（300400nm）的透射率小于1%，在可见光区（400800nm）透射率大于30%。,25,氧化铁版在使用上还有以下优点： 在观察光源波长下是透明的，而在曝光光源波长下是不透明的。 反射率较低的。 克服光晕效应。 结构致密且无定形，针孔少。 与玻璃粘附性好、比较耐磨。 复印腐蚀特性比较好。,26,10.1.5 光刻制版面临的挑战,1、传统光学光刻及制版技术面临的挑战 2、掩模制造设备面临的挑战 3、越来越重要的DFM（Design for Manufacturing） 4、掩模版检测技

11、术的发展趋势,27,28,29,10.2 光刻胶（PR-光阻）,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面的薄膜上了，所以也将光刻胶称为光致抗蚀剂。 光刻胶在特定波长的光线下曝光，其结构发生变化。 如果胶的曝光区在显影中除去，称为正胶；反之为负胶。,30,使用光刻胶的目的： 将掩膜版图案转移到硅片表面顶层的光刻胶中； 在后续工艺中，保护下面的材料； 随着尺寸的越来越小，需要注意和改进的几个点： 更好的图形清晰度、黏附性、均匀性、增加工艺容度。,31,10.2 光刻胶,聚合物材料：聚合物在广德照射下不发生化学反应，其主要作用是保证光刻胶薄膜的

12、附着性和抗腐蚀性；使胶具有一定的粘度，能均匀涂覆； 感光材料：感光材料一般为复合物（简称PAC或感光剂）。感光剂在受光辐照之后会发生化学反应。正胶的感光剂在未曝光区域起抑制作用，可以减慢光刻胶在显影液中的溶解速度。在正性光刻胶暴露于光线时有化学反应，是抑制剂变成感光剂，从而增强了胶的溶解速度。 溶剂 ：它的作用是可以控制光刻胶机械性能，使其在被涂到硅片表面之前保持液态。,1、组成,32,按曝光区在显影中被去除或保留来划分： 正（性）胶 负（性）胶 按其用途划分： 光学光刻胶 电子抗蚀剂 X-射线抗蚀剂,2、分类,33,10.2.1 光刻胶的特征量,响应波长 灵敏度，又称光敏度，指最小曝光剂量E

13、0 抗蚀性，指耐酸、碱能力 黏滞性，指流动特性的定量指标 黏附性 ，指与硅、二氧化硅表面结合力的大小 光刻胶的膨胀 微粒数量和金属含量 储存寿命,34,10.2.2 光学光刻胶,响应波长在紫光和近、中、远紫外线的光刻胶称为光学光刻胶。 其中紫光和近紫外线正、负胶有多种，用途非常广泛。,35,1、正胶,目前用得最多的胶，曝光后，窗口处的胶膜被显影液除去。 当前常用正胶为DQN，组成为光敏剂 重氮醌(DQ)，碱溶性的酚醛树脂(N)，和溶剂二甲苯等。 响应波长330-430nm 胶膜厚1-3m，显影液是氢氧化钠等碱性物质。,36,1、正胶,37,DQN显影原理,曝光的重氮醌退化，易溶于显影液，未曝光

14、的重氮醌和树脂构成的胶膜难溶于碱性显影液。,光刻胶曝光、水解和显影过程中的化学反应方程,38,2、负胶,最早用的光刻胶。曝光后，窗口处的胶膜保留，未曝光的胶膜被显影液除去，图形发生反转。 负胶多由长链高分子有机物组成。如由顺聚异戊二烯和对辐照敏感的交联剂，以及溶剂组成得负胶，响应波长330-430nm，胶膜厚度0.3-1m，显影液二甲苯等。,39,2、负胶,负胶,40,顺聚异戊二烯负胶显影原理,曝光的顺聚异戊二烯在交联剂作用下交联，成为体型高分子，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。,41,3 正、负胶比较,正胶，显影容易，图形边缘齐，无溶涨现象

15、，光刻的分辨率高，去胶也较容易。 负胶显影后保留区的胶膜是交联高分子，在显影时，吸收显影液而溶涨，另外，交联反应是局部的，边界不齐，所以图形分辨率下降。光刻后硬化的胶膜也较难去除。但负胶比正胶相抗蚀性强。,42,正胶和负胶进行图形转移示意图,43,其他光刻胶： 电子束光刻胶：也是涂在衬底表面用来实现图形传递的物质，通过电子束曝光使得光刻胶层形成所需要的图形。通常用于非光学光刻中的光刻胶由长链碳聚合物组成。 在相邻链上碳聚合物接受电子束照射的原子会产生移位，导致碳原子直接键合，这一过程称为交联。高度交联的分子在显影液中溶解缓慢。 X射线光刻胶：,44,10.3 光学分辨率增强技术,光学分辨率增强

16、技术包括： 移相掩模技术（phase shift mask )、 离轴照明技术(off-axis illumination)、 光学邻近效应校正技术(optical proximity correction)、 光瞳滤波技术（pupil filtering technology）等。,45,10.3.1 移相掩模技术,移相掩模的基本原理是在光掩模的某些透明图形上增加或减少一个透明的介质层，称移相器，使光波通过这个介质层后产生180的位相差，与邻近透明区域透过的光波产生干涉，抵消图形边缘的光衍射效应，从而提高图形曝光分辨率。移相掩模技术被认为是最有希望拓展光学光刻分辨率的技术之一。,46,通过移相层后光波与正常光波产生的相位差可用下式表达：,式中 d移相器厚度； n移相器介质的折射率； 光波波长。,47,附加材料造成 光学路迳差异， 达到反相,48,10.3.1 移相掩模技术,移相掩模的主要类型有：