1,,,第9章 光刻工艺第10章 光刻技术第11章 刻蚀技术,2,IC对光刻技术的要求,高分辨率高灵敏度的光刻胶低缺陷精密的套刻精度：误差≤± 10%L可对大尺寸硅片进行光刻加工,3,,第9章 光刻工艺,9.1 概述9.2 基本光刻工艺流程9.3 光刻技术中的常见问题,4,9.1 概述,光刻(photolithography)就是将掩模版（光刻版）上的几何图形转移到覆盖在半导体衬底表面的对光辐照敏感薄膜材料（光刻胶）上去的工艺过程 光刻系统的主要指标包括分辨率、焦深、对比度、特征线宽控制、对准和套刻精度、产率以及价格5,,9.1.1 分辨率 R,分辨率是指一个光学系统精确区分目标的能力分辨率是决定光刻系统最重要的指标，能分辨的线宽越小，分辨率越高其由瑞利定律决定：,k1=0.6~0.8NA=0.16~0.8,提高分辨率：NA，，k1,6,,1、使用光源缩小 l,光源,7,2、减小分辨率因子 k1,Contrast436,365nm: =2-3, (Qf/Q02.5)248,193nm: =5-10 (Qf/Q01.3),8,,8,3、增加 NA,浸入式光刻,NA=nsinanH2O=1.44NA≈1.36,9,,9.1.2 光刻分辨率,分辨率R=1/2L (mm-1)；直接用线宽L表示存在物理极限，由衍射决定： L≥λ/2, Rmax ≤1/λ,10,,9.1.3 焦深,为轴上光线到极限聚焦位置的光程差。
根据瑞利判据：, 很小时，,NA，焦深 ,焦深:,11,,11,,,,,,,,,,,,,焦深,焦平面,光刻胶,IC技术中，焦深只有1mm，甚至更小,12,,9.1.4 对比度,调制传递函数MTF－－对比度,,13,,13,9.1.4 对比度,一般要求MTF>0.5与尺寸有关,14,,14,9.2 基本光刻工艺流程,一般的光刻工艺要经历底膜处理、涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜、刻蚀、去胶、检验工序15,,15,9.2.1 底膜处理,底膜处理是光刻工艺的第一步，其主要目的是对硅衬底表面进行处理，以增强衬底与光刻胶之间的黏附性底膜处理包括以下过程： 1、清洗；2、烘干；3、增粘处理16,,16,9.2.2 涂胶,在硅片表面涂敷的光刻胶应厚度均匀、附着性强、没有缺陷在涂胶之前，硅片一般需要经过脱水烘焙，或涂敷能增加光刻胶与硅片表面附着能力的化合物六甲基乙硅氮烷 (HMDS),17,,17,涂胶工艺示意图,3000～6000 rpm，0.5~1 mm,18,涂胶厚度主要由光刻胶粘度和转速决定,19,,9.2.3 前烘,液态光刻胶中，溶剂的成份占65-85％。
经过甩胶之后，虽然液态的光刻胶已经成为固态的薄膜，但仍含有10-30％的溶剂，容易玷污灰尘，通过在较高温度下进行烘焙，可以使溶剂从光刻胶内挥发出来前烘方法：热平板传导；红外线辐射；干燥循环热风10～30 min，80～110 C,20,21,22,22,9.2.4 曝光,曝光是使光刻掩模版与涂上光刻胶的衬底对准，用光源经过光刻掩模版照射衬底，使接受到光照的光刻胶的光学特性发生变化曝光中要特别注意曝光光源的选择和对准23,,23,简单的光学系统曝光图,,24,曝光，曝光剂量等于光强与曝光时间的乘积曝光过度会导致图形侧墙倾斜入射光波长越短，可实现的特征尺寸越小，图形分辨率越高，但能量越小首次曝光需要对准晶向，多次曝光之间需要进行图形对准,对准曝光,25,26,光的反射、干涉、衍射与驻波,可反光的表面将入射光反射，并在光刻胶中于入射光发生干涉形成驻波现象引起不均匀曝光,27,28,29,不平整的表面造成漫反射，引起光刻胶反射切口入射光遇到掩模版上细小图形或孔，产生衍射通常在光刻胶底部淀积200~2000埃抗反射层（ARC）,30,DUV后烘,温度均匀性和烘焙时间：控制光生酸的催化反应,31,后烘延迟：烘干后及时显影，防止污染,32,常规I线后烘,DNQ酚醛树脂I线光刻胶后烘，使感光剂扩散，可有效减少驻波影响,33,,9.2.5 显影,正胶的曝光区和负胶的非曝光区的光刻胶在显影液中溶解，而正胶的非曝光区和负胶的曝光区的光刻胶则不会在显影液中溶解。
曝光后在光刻胶层中形成的潜在图形，显影后便显现出来，在光刻胶上形成三维图形，这一步骤称为显影30～60 s,34,,9.2.6 坚膜,坚膜也叫后烘，是为了去除由于显影液的浸泡引起的胶膜软化、溶胀现象，能使胶膜附着能力增强，抗腐蚀能力提高坚膜温度要高于前烘和曝光后烘烤温度，较高的坚膜温度可使坚膜后光刻胶中的溶剂含量更少，但增加了去胶时的困难且光刻胶内部拉伸应力的增加会使光刻胶的附着性下降，因此必须适当的控制坚膜温度 10～30 min，100～140 C,35,,35,9.2.7 显影检验,光刻胶钻蚀图形尺寸变化套刻对准不良光刻胶膜损伤线条是否齐、陡针孔、小岛,36,,36,9.2.8 刻蚀,湿法腐蚀SiO2、Al、poly-Si等薄膜干法腐蚀同上,37,,9.2.9 去胶,湿法去胶，用溶剂、用浓硫酸 98%H2SO4+H2O2+胶→CO+CO2+H2O氧气加热去胶 O2+胶 → CO+CO2+H2O等离子去胶,38,,9.2.10 最终检验,在基本的光刻工艺过程中，最终步骤是检验衬底在入射白光或紫外光下首先接受表面目检，以检查污点和大的微粒污染之后是显微镜检验或自动检验来检验缺陷和图案变形。
39,9.3 光刻技术中的常见问题,半导体器件和集成电路的制造对光刻质量有如下要求：一是刻蚀的图形完整，尺寸准确，边缘整齐陡直；二是图形内没有针孔；三是图形外没有残留的被腐蚀物质同时要求图形套刻准确，无污染等等但在光刻过程中，常出现浮胶、毛刺、钻蚀、针孔和小岛等缺陷40,9.3.1 浮胶,浮胶就是在显影和腐蚀过程中，由于化学试剂不断侵入光刻胶膜与SiO2或其它薄膜间的界面，所引起的光刻胶图形胶膜皱起或剥落的现象41,显影时产生浮胶的原因有： ①胶膜与基片表面粘附不牢 ②胶的光化学反应性能不好，胶膜过厚，或者收缩膨胀不均 ③烘焙时间不足或过度 ④曝光不足 ⑤显影时间过长，使胶膜软化腐蚀时产生浮胶的原因： ①坚膜时胶膜没有烘透，膜不坚固 ②腐蚀液配方不当例如，腐蚀SiO2的氟化氢缓冲腐蚀液中，氟化铵太少，化学活泼性太强 ③腐蚀温度太低或太高42,9.3.2 毛刺和钻蚀,腐蚀时，如果腐蚀液渗透光刻胶膜的边缘，会使图形边缘受到腐蚀，从而破坏掩蔽扩散的氧化层或铝条的完整性。
若渗透腐蚀较轻，图形边缘出现针状的局部破坏，习惯上就称为毛刺；若腐蚀严重，图形边缘出现“锯齿状”或“绣花球”样的破坏，就称它为钻蚀当SiO2等掩蔽膜窗口存在毛刺和钻蚀时，扩散后结面就很不平整，影响结特性，甚至造成短路同时，光刻的分辨率和器件的稳定性、可靠性也会变坏43,,9.3.2 毛刺和钻蚀,产生毛刺和钻蚀的原因有： ①基片表面存在污物，油垢，小颗粒或吸附水汽，使光刻胶与氧化层粘附不良 ②氧化层表面存在磷硅玻璃，与光刻胶粘附不好，耐腐蚀性能差，引起钻蚀 ③光刻胶中存在颗粒状物质，造成局部粘附不良 ④对于光硬化型光刻胶，曝光不足，显影时产生溶钻，腐蚀时造成毛刺或钻蚀 ⑤显影时间过长，图形边缘发生溶钻，腐蚀时造成钻蚀 ⑥掩模图形的黑区边缘有毛刺状缺陷44,9.3.3 针孔,在氧化层上，除了需要刻蚀的窗口外，在其它区域也可能产生大小一般在1~3微米的细小孔洞这些孔洞，在光刻工艺中称为针孔 针孔的存在，将使氧化层不能有效地起到掩蔽的作用在器件生产中，尤其在集成电路和大功率器件生产中，针孔是影响成品率的主要因素之一。
45,9.3.3 针孔,针孔产生的原因有： ①薄膜表面有外来颗粒或胶膜与基片表面未充分沾润，涂胶时留有未覆盖的小区域，腐蚀时产生针孔 ②光刻胶含有固体颗粒，影响曝光效果，显影时易剥落，造成腐蚀时产生针孔 ③光刻胶膜本身抗蚀能力差，或胶膜太薄，腐蚀过程中局部蚀穿，造成针孔 ④前烘不足，残存溶剂阻碍光刻胶交联；或前烘骤热，溶剂挥发过快，引起鼓泡穿孔，造成针孔 ⑤曝光不足，交联不充分，或时间过长，胶层发生皱皮，腐蚀液穿透胶膜，在SiO2表面产生腐蚀斑点 ⑥腐蚀液配方不当，腐蚀能力太强 ⑦掩模版透光区存在黑斑，或沾有灰尘，曝光时局部胶膜未曝光，显影时被溶解，腐蚀时产生针孔46,9.3.4 小岛,小岛，是指在应该将氧化层刻蚀干净的扩散窗口内，还留有没有刻蚀干净的氧化层局部区域，它的形状不规则，很象“岛屿”，尺寸一般比针孔大些，习惯上称这些氧化层“岛屿”为小岛 小岛的存在，使扩散区域的某些局部点，因杂质扩散受到阻碍而形成异常区它使器件击穿特性变坏，漏电流增大，甚至极间穿通47,9.3.4 小岛,小岛产生的原因有： ①掩模版上的损伤，在曝光时形成漏光点，使该处的光刻胶膜感光交联．保护了氧化层不被腐蚀，形成小岛。
②曝光过度，或光刻胶存放时间过长，性能失效，使局部区域光刻胶显影不净，仍留有观察不到的光刻胶膜其在腐蚀时起阻碍作用，引起该处氧化层腐蚀不完全而形成“小岛” ③氧化层表面有局部耐腐蚀的物质，如硼硅玻璃等 ④腐蚀液中存在阻碍腐蚀作用的脏物48,,本章重点,光刻系统的主要指标基本光刻工艺流程光刻技术中的常见问题,49,,第10章 光刻技术,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,50,,10.1 光刻掩模版的制造,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51,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,52,,光刻版,53,54,,(A)电路图；(B)版图,55,,10.1.1 制版工艺简介,掩模版的制作流程,56,10.1.1 制版工艺简介,一般集成电路的制版工艺流程示意图,57,,10.1.2 掩模板的基本构造及质量要求,掩模版的基本构造,58,,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，通常在掩模版上装一层保护膜。
掩模版保护膜功能示意图,59,10.1.2 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： ①每一个微小图形尺寸精确无畸变 ②图形边缘清晰、锐利，无毛刺，过渡区要小 ③整套掩模中的各块掩模能很好地套准 ④图形与衬底要有足够的反差，透明区无灰雾 ⑤掩模应尽可能做到无缺陷 ⑥版面平整、光洁、结实耐用。