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1、掌握,光刻胶的组成+PR 和 PR的区别描述光刻工艺的步骤四种对准和曝光系统Explain relationships of resolution and depth of focus to wavelength and numerical aperture.,光刻概述 Photolithography,临时性地涂覆光刻胶到硅片上把设计图形最终转移到硅片上IC制造中最重要的工艺占用40 to 50% 芯片制造时间决定着芯片的最小特征尺寸,光刻需要,高分辨率 High Resolution光刻胶高光敏性 High PR Sensitivity精确对准 Precision Alignment,Ph
2、otoresist(PR)光刻胶,光敏性材料临时性地涂覆在硅片表面通过曝光转移设计图形到光刻胶上类似于照相机胶片上涂覆的光敏材料,Photoresist,负胶的缺点,聚合物吸收显影液中的溶剂由于光刻胶膨胀而使分辨率降低其主溶剂，如二甲苯等会引起环境和安全问题,正胶 Positive Photoresist,曝光部分可以溶解在显影液中正影（光刻胶图形与掩膜图形相同）更高分辨率（无膨胀现象）在IC制造应用更为普遍,对光刻胶的要求,高分辨率 Thinner PR film has higher the resolution Thinner PR film, the lower the etching
3、 and ion implantation resistance高抗蚀性好黏附性,光刻工艺 Photolithography Process,光刻基本步骤, 涂胶 Photoresist coating 对准和曝光 Alignment and exposure 显影 Development,光刻工序,1、清洗硅片 Wafer Clean,2、预烘和底膜涂覆 Pre-bake and Primer Vapor,3、光刻胶涂覆 Photoresist Coating,4、前烘 Soft Bake,5、对准 Alignment,6、曝光Exposure,7、后烘 Post Exposure Bake
4、,8、显影 Development,9、坚膜 Hard Bake,10、图形检测 Pattern Inspection,光刻1硅片清洗,目的 -去除污染物、颗粒 -减少针孔和其它缺陷 -提高光刻胶黏附性基本步骤 化学清洗 漂洗 烘干,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底胶广泛使用: Hexamethyldisilazane (HMDS，六甲基乙硅氮烷)HMDS的作用：去除SiO2表面的-OH基。,光刻3涂胶 Spin Coating,硅圆片放置在真空卡盘上高速旋转液态光刻胶滴在圆片中心光刻胶以离心力向外扩展均匀涂覆在圆片表面设备
5、-光刻胶旋涂机,光刻胶厚度与旋转速率和粘性的关系,滴胶,光刻胶吸回,Photoresist Spin Coating,Photoresist Spin Coating,光刻4前烘,作用：促进胶膜内溶剂充分挥发，使胶膜干燥； 增加胶膜与SiO2 （Al膜等）的粘附性及耐磨性。影响因素：温度，时间。烘焙不足（温度太低或时间太短）显影时易浮胶， 图形易变形。烘焙时间过长增感剂挥发，导致曝光时间增长， 甚至显不出图形。烘焙温度过高感光剂反应（胶膜硬化）， 不易溶于显影液，导致显影不干净。,5&6、Alignment and Exposure,Most critical process for IC f
6、abricationMost expensive tool (stepper) in an IC fab.Most challenging technologyDetermines the minimum feature sizeCurrently 0.13 m and pushing to 0.09 or 0.065 m,对准和曝光设备,接触式曝光机接近式曝光机投影式曝光机步进式曝光机（Stepper）,接触式曝光机,设备简单分辨率：可达亚微米掩膜与圆片直接接触，掩膜寿命有限微粒污染,接触式曝光机,接触式曝光,接近式曝光机,掩膜与圆片表面有550m间距优点：较长的掩膜寿命缺点：分辨率低（线宽
7、 3 um）,接近式曝光机,接近式曝光,投影式曝光机,类似于投影仪掩膜与晶圆图形 1:1分辨率：1 um,投影系统,步进式曝光机,现代IC制造中最常用的曝光工具通过曝光缩小掩膜图形以提高分辨率 分辨率：0.25 m 或更小设备很昂贵,步进-&-重复 对准/曝光,曝光光源,短波长高亮度（高光强）稳定高压汞灯受激准分子激光器,驻波效应,入射光与反射光干涉周期性过曝光和欠曝光影响光刻分辨率,光刻胶中的驻波效应,光刻7曝光后烘焙（后烘，PEB）,机理：光刻胶分子发生热运动，过曝光和欠曝光的光刻胶分子发生重分布；作用：平衡驻波效应，提高分辨率。,PEB减小驻波效应,光刻8显影(Development),
8、显影液溶剂溶解掉光刻胶中软化部分从掩膜版转移图形到光刻胶上三个基本步骤: 显影 漂洗 干燥,显影,显影后剖面,正常显影,过显影,不完全显影,欠显影,光刻9坚膜（Hard Bake）,蒸发PR中所有有机溶剂提高刻蚀和注入的抵抗力提高光刻胶和表面的黏附性聚合和使得PR更加稳定PR流动填充针孔,光刻胶热流动填充针孔,坚膜（Hard Bake）,热板最为常用检测后可在烘箱中坚膜坚膜温度: 100 到130 C坚膜时间：1 到2 分钟坚膜温度通常高于前烘温度,坚膜的控制,坚膜不足光刻胶不能充分聚合造成较高的光刻胶刻蚀速率黏附性变差过坚膜光刻胶流动造成分辨率变差,光刻胶流动,过坚膜会引起太多的光刻胶流动，
9、影响光刻的分辨率,正常坚膜,过坚膜,光刻10图形检测（Pattern Inspection）, 检查发现问题，剥去光刻胶，重新开始 光刻胶图形是暂时的 刻蚀和离子注入图形是永久的 光刻工艺是可以返工的， 刻蚀和注入以后就不能再返工 检测手段：SEM（扫描电子显微镜）、光学显微镜,图形检测,未对准问题：重叠和错位 - Run-out, Run-in, 掩膜旋转，晶圆旋转，X方向错位，Y方向错位临界尺寸Critical dimension (CD)（条宽）表面不规则：划痕、针孔、瑕疵和污染物,未对准问题,图形检测,通过图形检测，即可进入下一步工艺刻蚀或离子注入,光刻间全部流程,未来趋势 Futur
10、e Trends,更小特征尺寸 Smaller feature size更高分辨率 Higher resolution减小波长 Reducing wavelength采用相移掩膜 Phase-shift mask,光衍射,光衍射影响分辨率,衍射光,投射光强度,衍射光的减小,波长越短，衍射越弱光学凸镜能够收集衍射光并增强图像,偏离的折射光,被凸镜收集的衍射光,数值孔径（Numerical Aperture：NA）,NA：表示凸镜收集衍射光的能力NA = 2 r0 / D r0 : 凸镜的半径 D ： 目标（掩膜）与凸镜的距离 NA越大，凸镜收集更多的衍射光，产生更尖锐的图形,分辨率 Resolu
11、tion,表征光刻精度；定义光刻时所能得到的光刻图形的最小尺寸。表示方法：每mm最多可容纳的线条数。若可分辨 的最小线宽为L（线条间隔也L），则 R1/(2L) (mm-1)R由曝光系统的光波长和数值孔径NA决定， R=K1/NA注：这里的R就是最小线宽L。 K1 为系统常数, 光波长, NA = 2 r0/D；NA: 凸镜收集衍射光的能力,提高分辨率,提高NA 更大的凸镜, 可能很昂贵而不实际 减小DOF（焦深），会引起制造困难减小光波长 开发新光源, PR和设备 波长减小的极限：UV到DUV, 到EUV, 到X-Ray减小K1 相移掩膜（Phase shift mask）,下一代光刻Nex
12、t Generation Lithography (NGL),超紫外Extreme UV (EUV) lithographyX射线X-Ray lithography电子束Electron beam (E-beam) lithography,EUV 超紫外,l = 10 到14 nm更高分辨率预期应用 2010年0.1 mm 和以下,X射线光刻（X-ray lithography）,2-40 ，软X射线；类似于接近式曝光机很难找到纯的 X-ray源掩膜制造存在挑战不大可能在生产中使用,电子束曝光E-Beam,几十100；可获得最小尺寸: 14 nm用于制造掩膜和刻线可以直写, 不需要掩膜 效率很
13、低,光刻总结,光刻：临时的图形转移过程IC生长中最关键的工艺需要：高分辨率、低缺陷密度光刻胶：正和负工艺过程：预烘、底胶旋涂、PR旋涂、前烘、对准、曝光、后烘PEB、显影、坚膜、检测分辨率R与、NA的关系下一代光刻技术：EUV和电子束光刻,刻蚀定义,从晶圆表面去除一定材料化学、物理过程或两者结合选择性或覆盖刻蚀选择性刻蚀转移光刻胶上的IC设计图形到晶圆表面其它应用: 制造掩膜, 印制电路板, 艺术品, 等等,栅掩膜对准 Gate Mask Alignment,栅掩膜曝光 Gate Mask Exposure,Development/Hard Bake/Inspection,Etch Polys
14、ilicon刻蚀多晶硅,Etch Polysilicon 继续,Strip Photoresist 光刻胶剥离,离子注入Ion Implantation,快速热退火Rapid Thermal Annealing,刻蚀术语,刻蚀速率选择比刻蚀均匀性刻蚀剖面湿法刻蚀干法刻蚀RIE：反应离子刻蚀,刻蚀速率,d = d0 - d1 () 厚度变化量；t 刻蚀时间 (min)PE-TEOS PSG薄膜, 1min 在6:1 BOE at 22 C,刻蚀前, t = 1.7 mm, 湿法刻蚀后, t = 1.1 mm,刻蚀均匀性,圆片上和圆片间的重复性Standard Deviation Non-unif
15、ormity标准偏差不均匀性 N points measurementsMax-Min Uniformity 最大最小均匀性,刻蚀选择比,选择性是指不同材料刻蚀速率之比对底层的选择性，对光刻胶的选择性,刻蚀剖面,各向异性,各向同性,各向异性，锥形,各向异性，内切,刻蚀剖面,各向异性，脚印,各向异性，反脚印,各向异性，反锥形,各向异性，内切,湿法刻蚀,利用化学溶液溶解硅表面的材料副产物是气体、液体或可溶于刻蚀溶液的固体三个基本过程：刻蚀、漂洗、干燥,湿法刻蚀,纯化学腐蚀过程特点：各向同性剖面优点：工艺简单，腐蚀选择性好；缺点：钻蚀严重（各向异性差）， 难于获得精细图形在尺寸大于3um的IC制造中广泛使用在现代 IC制造仍然使用 硅片清洗 薄膜覆盖剥离 测试晶圆薄膜剥离和清洗,
