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1、第四章 光刻技术定义：通过光化学反应，将光刻版（mask）上的图形转 移到覆盖在Si片上的感光层（光刻胶）上的工艺。 目的：在SiO2 Si3N4 poly-Si 及金属膜上形成与光刻版 完全对应的图形，实现选择性扩散和金属布线。 工艺流程：涂胶前烘曝光显影坚膜腐蚀去 胶 光刻三要素：光刻胶，光刻版（掩膜版），光刻机。第四章 光刻技术一、光刻胶n1.光刻胶的组份例如：聚乙烯醇肉桂酸脂系（负胶） 感光剂聚乙烯醇肉桂酸脂n感光波长：230340nm；n最大吸收峰：320nm；n浓度：5-10%一、光刻胶增感剂5-硝基苊n感光波长：480nm;n浓度：0.25-1% 溶剂环己酮n浓度：9095 交链
2、剂n例如，聚烃类（负胶）n交链剂: N3-R-N3 ,双叠氮化合物一、光刻胶2.性能指标 感光度S表征光刻胶对光的敏感程度。nS=n/E，或S=h/(It)nE-曝光量（lxs，勒克斯秒）；n-比例系数；I-光 强度；t-曝光时间。 分辨率表征光刻精度，即光刻时所能得到的光刻图 形的最小尺寸。n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W/2（线条间隔也为W/2），则分辨率1/W(mm-1)一、光刻胶n光刻胶的分子量越高，分子量分散性越大，则分 辨率越低。正胶分辨率高于负胶；粘附性表征光刻胶与衬底间粘附的牢固程度。n与光刻胶本身及衬底表面都有关。n评价方法：光刻后的钻蚀程度。钻
3、蚀量越小，粘 附性越好。n测量方法:离子徙动（迁移）实验。一、光刻胶抗蚀性表征光刻胶耐酸碱（或等离子体）腐蚀的程度n评价方法：光刻后的钻蚀量(不能正确评价）。n抗蚀性与分辨率的矛盾：分辨率越高，抗蚀性越差。 针孔密度单位面积上的针孔数。n测定方法： a.MOS法：利用MOS结构中氧化层针孔处产生的穿通现象. ）生长SiO2;)无掩膜光刻;)去胶蒸铝，刻方形图 案阵列；）通电测量穿通现象。 b.化学腐蚀法：腐蚀液（邻苯二酚：乙二胺：水3g:17ml:8ml)腐蚀4小时，显微镜下观察特征腐蚀坑数。一、光刻胶n留膜率曝光显影后的非溶性胶膜厚度与曝光前胶 膜厚度之比。留膜率越高越好。n测量：椭偏仪测量
4、曝光显影前后胶膜的厚度。n性能稳定不发生暗反应。一、光刻胶3.类型 负胶未感光部分能被适当的溶剂溶解去除，而感光 部分不溶留下。所得图形与光刻版图形相反。光刻版 是负版。n优点：针孔少；耐腐蚀；粘附性好；感光度高。n缺点：分辨率低。n类型： a.聚肉桂酸脂类：聚乙烯醇肉桂酸脂，聚乙烯氧乙基肉 桂酸脂。优点：分辨率高，线条清晰，受氧影响小。缺点：有针孔，耐腐蚀性较差。应用：中、大规模IC及平面器件。一、光刻胶产品：聚乙烯醇肉桂酸脂（北京化工厂103B胶；上海 化学试剂厂上试1号胶；美国柯达KRP胶；日本东 京应化TPR胶）聚乙烯氧乙基肉桂酸脂（日本东京应 化 OSR胶） b.聚烃类：优点：分辨率
5、较高，粘附性较好（特别是金属衬底）， 针孔少，耐腐蚀性较好。缺点：受氧影响显著，应用：适用于金属掩膜版大规模IC产品：上试厂2号胶，北化302胶，东京应化 OMR81胶、OMR83胶、OMR85胶，柯达KTFR胶。一、光刻胶正胶感光部分能被适当溶剂溶解去除，而留 下未感光部分。所得图形与光刻版图形相同。n优点：比负胶分辨率高，边缘整齐，反刻易对 准。n缺点：粘附性及抗碱性较负胶差。n应用：VLSI的精细加工。n产品：北京化工厂201208胶；上海试剂厂 701胶；美国AZ-1350胶、AZ-111胶，日本 OFPR.一、光刻胶4.感光机理 负胶n聚乙烯醇肉桂酸脂-103B,KPR一、光刻胶n双
6、叠氮系（环化橡胶）302胶，KTFR一、光刻胶正胶n邻叠氮萘醌系701胶，AZ-1350胶二、光刻版（掩膜版）n掩膜版在集成电路制造中占据非常重要的地位，因为 它包含着欲制造的集成电路特定层的图形信息，决定 了组成集成电路芯片每一层的横向结构与尺寸。n所用掩膜版的数量决定了制造工艺流程中所需的最少 光刻次数。n制作掩膜版首先必须有版图。所谓版图就是根据电路、器件参数所需要的几何形状与尺寸，依据生产集成 电路的工艺所确定的设计规则，利用计算机辅助设计 （CAD）通过人机交互的方式设计出的生产上所要求 的掩膜图案。二、光刻版（掩膜版）n设计规则是主要解决两个问题：同一层几何图 形之间的关系；不同层
7、之间的相互关系。它是 IC制造厂与IC设计者之间的一个约定，什么能 做，什么不能。n对于每一层版图，版图设计规则将决定允许的 最小特征尺寸、最小间隔、该层图形与其它层 图形的最小覆盖，与它下面层图形的最小间隔 等。如果遵照这些设计规则，那么IC制造厂就 应保证生产出符合设计要求的集成电路芯片。二、光刻版（掩膜版）n制版程序：绘制版图数据转换成图形发生器的 专用文件（CIF文件、PG文件）驱动和控制图 形发生器，以一定的间距和布局，将掩膜图形印 制于掩膜材料上，进而制备出批量生产用的掩膜 版。n根据使用的光刻机，掩膜可以与最后完成的芯片 上的图形有同样的尺寸或是该尺寸的整数倍，后 者在曝光时掩膜
8、上的图形被缩小。通常缩小倍数 为4和5。二、光刻版（掩膜版）二、光刻版（掩膜版）n制版工艺：光学制版和电子束制版。光学制版主要由图形发生器制造10倍的初掩膜，然后以 步进重复曝光的方式制造1：1光刻掩膜。主要用于3 m以上图形的制造。n掩膜材料： 金属硬面版主要是铬、氧化铬或氧化铁等金属或金属 氧化物薄膜。特点：针孔少，强度高，易加工，分辨率高。 乳胶版卤化银乳胶 特点：成本低，感光度高，分辨率低（23 m），易 划伤。二、光刻版（掩膜版）n基版材料：玻璃、石英。要求：在曝光波长下的透光度高，热膨胀系数 与掩膜材料匹配、表面平坦且精细抛光。二、光刻版（掩膜版）n掩膜版的质量要求若每块掩膜版上图
9、形成品率90，则6块光刻版，其管芯图形成品率（90）65310块光刻版，其管芯图形成品率（90）103515块光刻版，其管芯图形成品率（90）1521最后的管芯成品率当然比其图形成品率还要低 图形尺寸准确，符合设计要求； 整套掩膜版中的各块版应能依次套准，套准误差应尽可能小； 图形黑白区域之间的反差要高； 图形边缘要光滑陡直，过渡区小； 图形及整个版面上无针孔、小岛、划痕等缺陷； 固耐用，不易变形。二、光刻版（掩膜版）n掩膜版上形成图形后，图形可通过与数据库对比检查而 得到确认。任何不希望有的铬可用激光烧化剥离。铬层 的针孔可用额外的淀积来修理。三、光刻机（曝光方式）n光刻技术的主体是光刻机（
10、曝光机、对准机），它是将 掩膜版上的图形与前次工序中已刻在硅片上的图形对准 后，再对硅片表面的光刻胶进行曝光实现图形复制的设 备。n光刻机的三个主要性能指标: 分辨率：是可以曝光出来的最小特征尺寸。通常指能分 辩的并能保持一定尺寸容差的最小特征尺寸。 对准和套刻精度:是描述光刻机加工图形重复性能的一 个指标，是层间套刻精度的度量，主要取决于掩模版和 硅片的支撑平台图形对准和移动控制精度性能。 产率:指每小时可加工的硅片数，是判断光刻系统性能 的一个重要的指标，直接决定了集成电路芯片的制造成 本。三、光刻机（曝光方式）n对于指定的光刻机，分辨率、对准和套刻精度、产量都 不是一个固定值。表1 影响
11、工艺效果的一些参数XX表示强烈影响，表示微小影响，操作员针对手动光刻机。三、光刻机（曝光方式）三、光刻机（曝光方式）n1.接触式曝光机n优点：结构简单、成本低，光的衍射效应最小 而分辨率高，特征尺寸小n缺点：容易造成掩膜版和光刻胶的损伤，每一 次接触都有可能在掩膜版和光刻胶上造成缺陷 。三、光刻机（曝光方式）2.接近式光刻机n掩膜版悬浮在硅片表面的氮气气垫上，通过改变 进入的氮气流量控制间隙。n由于掩膜版和光刻胶之间存在一定的距离，经过 掩膜版后的光会发生衍射，从而使光刻的分辨率 降低。三、光刻机（曝光方式）3.投影式光刻机 原理n采用光学投影的方法，将掩膜版上的图形聚焦于 硅片表面的光刻胶上
12、进行曝光.n系统的数值孔径（NA): NA= nsin(a)代表着 物镜收集衍射光的能力。a是物镜接收角的一半;n是物镜与硅片间媒介的 折射率，空气中为三、光刻机（曝光方式）特点n避免了掩膜版与硅片表面的摩擦延长了掩膜版的 寿命。n 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。n 消除了由于掩膜版图形线宽过小而产生的光衍 射效应以及掩膜版与硅片表面接触不平整而产生 的光散射现象三、光刻机（曝光方式）基本参数n分辨率R=k1/NA 焦深DOF=k2/(NA)2焦深:沿着光通路，硅片可移动并能保持图形聚焦的移 动距离。K1和k2为与系统有关的常数。n提高分辨率方法：及 NA。但 N
13、A，DOF 例，取365nm，NA0.4，则DOF2.3 mNA0.6，则DOF1 m,三、光刻机（曝光方式）1:1扫描投影光刻机（美国Canon公司）三、光刻机（曝光方式）分步重复投影光刻机-StepperDSW:direct-step-on-wafer ）原理：n采用折射式光学系统和4X5X的缩小透镜.n曝光场：一次曝光只有硅片的一部分，可以大大 提高(0.7)，并避免了许多与高NA有关的聚 焦深度问题，加大了大直径硅片生产可行性。n采用了分步对准聚焦技术。三、光刻机（曝光方式）三个独特的优点 a.它是通过缩小投影系统成像的，因而可以提高分辨率。 用这种方法曝光分辨率可达到11.5m。 b
14、.不要1:1精缩掩膜，因而掩膜尺寸大、制作方便。由于 使用了缩小透镜，原版上的尘埃缺陷也相应的缩小，因 而减小了原版缺陷的影响。 c.由于采用了逐步对准技术，可补偿硅片尺寸的变化，提 高了对准精度。逐步对准的方法也可以降低对硅片表面 平整度的要求。Stepper采用单色光源(汞-氙放电灯) ： 汞发射光谱的g线(465nm)和i线（365nm）。Canon FPA-6000ES5 KrF SCANNERSystem Highlightsnenables patterning 300-mm wafers at the rate of 140wph and 170wph for200mm.n26m
15、m x 33mm field sizen0.80NA (Numerical Aperture)n0.11m Resolution四、光刻蚀工艺流程n工艺流程：涂胶前烘曝光显影坚膜腐蚀去 胶 1.涂胶 ）对Si片的要求 光刻SiO2的硅片 a.高温氧化后立即涂胶； b.放置在180200的恒温干燥箱中； c.若放置太久，Si片必须在高温下干氧10分钟，再涂胶 d.HMDS涂六甲基乙硅氮烷：去除SiO2表面的OH基四、光刻蚀工艺流程光刻Al的硅片 在丙酮中，水浴15分钟，烘干，再涂胶。 ）对涂胶的要求：粘附良好，均匀，薄厚适当n胶膜太薄针孔多，抗蚀性差；n胶膜太厚分辨率低（分辨率是膜厚的58倍）
16、）涂胶方法：浸涂，喷涂，旋涂 2.前烘 目的：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。四、光刻蚀工艺流程影响因素：温度，时间。n烘焙不足（温度太低或时间太短）显影时易浮胶，图 形易变形。n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。n烘焙温度过高胶膜硬化，不易溶于显影液，导致显影 不干净。 前烘方法）80恒温干燥烘箱1015分钟；）红外灯烘焙； ）真空热平板烘烤（ULSI):加热均匀（背面加热） 。四、光刻蚀工艺流程3.曝光 光学曝光紫外，深紫外 ）光源：n高压汞灯：可见光；紫外光（UV）：300450nm。g line- =436nm及i line- =3
