光刻工艺介绍

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1、光刻工艺介绍一、定义与简介 光刻是所有四个基本工艺中最关键的，也就是被称为大家熟知的 photo lithography , photomaski ng, maski ng,或 microlithography。 在晶圆的制造过程中，晶体三极管、二极管、电容、电阻和金属层的 各种物理部件在晶圆表面或表层内构成，这些部件是预先做在一块或 者数块光罩上，并且结合生成薄膜，通过光刻工艺过程，去除特定部 分，最终在晶圆上保留特征图形的部分。光刻其实就是高科技版本的照相术，只不过是在难以置信的微小 尺寸下完成，现在先进的硅12英寸生产线已经做到22nm，我们这 条线的目标6英寸砷化镓片上做到0. 1 1

2、 um 。光刻生产的目标是根据 电路设计的要求，生成尺寸精确的特征图形，并且在晶圆表面的位置 正确且与其它部件的关联正确。二、光刻工艺流程介绍光刻与照相类似，其工艺流程也类似：工艺流程图wafer相纸*HMDS.41前处理4resist丄银胶（相纸）“（表血处理卜（匕感光物质）光巍梓Exposure.（曝光系统）（显影化于剂）云亦SETCH vInspection底片实际上，普通光刻工艺流程包括下面的流程：Substrate PretreatmeutSpin CoatSoft Bake (Pre-bake)k OverlayEtch1) Substrate Pretreatment 即预处理，

3、目的是改变晶圆表面的性质，使其能和光刻胶(PR )粘连牢固。主要方法就是涂HMDS，在 密闭腔体内晶圆下面加热到1209,上面用喷入氮气加压的雾状 HMDS，使得HMDS和晶圆表面的-OH健发生反应已除去水汽DevelopPost Exposure Bake (PEB)VExpose和亲水健结构，反应充分后在239冷板上降温。该方法效果远 比传统的热板加热除湿好。2) Spin coat即旋转涂光刻胶，用旋转涂布法能提高光刻胶薄膜的均匀性与稳定性。光刻胶中主要物质有树脂、溶剂、感光剂和其它添加剂，感光剂在光照下会迅速反应。一般设备的稳定工作最高转速不超过4000rpm ,而最好的工作转速在20

4、003000rpm。3) Soft Bake(Pre-bake)即软烘，目的是除去光刻胶中溶剂。一般是 在909的热板中完成。4) Exposure即曝光，这也是光刻工艺中最为重要的一步，就是用 紫外线把光罩上的图形成像到晶圆表面，从而把光罩上面的图形 转移到晶圆表面上的光刻胶中。这一步曝光的能量(Dose)和成像 焦点偏移(Focus offset)尤为重要.5) Post Exposure Bake(PEB)即后烘，这是非常重要的一步。在 I-line光刻机中，这一步的目的是消除光阻层侧壁的驻波效应， 使侧壁平整竖直；而在DUV光刻机中这一步的目的则是起化学 放大反应，DUV设备曝光时，光

5、刻胶不会完全反应，只是产生部 分反应生成少量H+离子，而在这一步烘烤中H+离子起到类似催 化剂的作用，使感光区光刻胶完全反应。这一步主要控制的也是 温度与时间，而对于温度的均匀性要求也非常高，通常DUV的 光阻要求热板内温度偏差小于0.39。6) Develop即显影，就是把光刻胶光照后的可溶部分除去，留下想 要的图形。光刻胶有正胶和负胶两种，正胶就是光照部分可溶于 显影液，而负胶就是未光照部分可溶。一般来说正胶可以得到更 高的分辨率，而负胶则更耐腐蚀。显影和清洗都在显影槽中完成， 每一步的转速和时间都至为重要，对最后图形的均匀性和质量影 响很大。有的光刻工艺在显影完成后还有一步hard ba

6、ke即硬烘来除 去光刻胶在显影槽中清洗而残留的水分。而有的工艺流程中，在 光刻下一工序前会有一道坚膜来除去水分，hard bake就可以不 要了。7) 显影完成后光刻工艺应该算基本完成，不过在将产品送到下一工 序前我们还是需要验证确认光刻工艺质量，不合格的产品可以除 去光刻胶来返工。显影后检查首先就是ADI ( Afer DevelopInspection )，也就是在显微镜下检查晶圆表面有无异常。光刻中 常见的问题有失焦(defocus),图形倒塌(peeling),异常颗粒 (particle)，刮伤等等。8) CD measurement即线宽测量，目的是检查光刻得到的线宽是不 是符合设

7、计的要求，同时要检查整片晶圆上线宽的均匀性。9) Overlay即套刻精度测量，现在IC部件都是很多层光罩套刻累加 形成的，不同层之间需要对准，而O verla y就是专门测量不同层之间对准精度的。三、光刻设备介绍在以上的工序中ADI ,CD和OVL都有专门的量测设备Exposure 是在光刻机中完成，而 Pretreatment, Spin coater，Soft bake, PEB 和Develop都是在track设备中完成的，为了提高效率，track和光刻 机通常是集成在一起的。在我们采购的ASML光刻机和TEL track 都是自动化相当高的设备,手动条件下也只需要放上要做的产品片盒

8、后选好程序就行,而自动条件下只要放上片盒,自动化系统会自行选 择要用的程序。一般情况下ASML光刻机的产能可以做到每小时6090片。就Track而言，目前咼端市场占有率最咼的是TEL，其次就是DNS，在产能和稳定性方面，TEL占有较大优势。不管是DNS还是 TEL，其设备都是把spin coat, Develop,热板，冷板以及洗边的模块 堆叠起来，通过中间的机械手来传送晶圆。就Scanner而言，目前在高端市场上，ASML在分辨率，稳定性 和产能方面都占有绝对优势，将其竞争者（Nik on，Canon ）远远甩 在后面。ASML光刻机是一个非常负责的系统，一般来说包括以下几个子系统：Oper

9、ator Control UnitLaserBeam DeliveryProjection lens1lllumi nmtoWafer z TransportSystemScanning Reticle StageScanning Wafer StageAirmounts1) 晶圆处理系统(wafer handling)，就是晶圆传送和预对准系统， 通过CCD侦测晶圆边缘的预对准精度能达到40微米以下。2) 光罩处理系统(reticle handling)，就是光罩传送和预对准系统。3) 对准系统(Alignment),就是做晶圆和载片台(wafer stage )间 对准，载片台和光罩之间对

10、准，载片台和光罩载物台间对准。 ASML设备有不同的对准光源，主要是He-Ne激光和曝光用紫 外线。单就设备能力而言，光刻后图形的对准精度一般可以做 到特征线宽的1/10左右，例如I-line stepper 100B的特征线宽 可以做到0.5um，设备对准精度就可以做到0.05um。4) 成像系统(Imaging )，光刻机成像系统包括光源，光罩，投 影镜头组。由于现在工艺的发展，线宽越来越小，即便是紫外 线在通过光罩时，也会发生衍射，而投影镜就是收集衍射后的 光线并用凹凸镜成像。一般stepper (步进式光刻机)成像都 是光罩的1/5，而seanner则是1/4.5) 找平系统(Leve

11、ling )，光刻机成像系统包括光源，光罩，投影 镜头组，载片台和晶圆，其中任何一个有微小偏差，都会导致成像面和晶圆不在一个平面上。leveling系统就是在曝光前测量晶圆表面与成像面是否平行，从而在曝光时可以调整载片台 的表面，使晶圆表面与成像面平行，得到最佳的光刻图形。Leveling系统的侦测与调整都是在ppm或um的数量级内进行 的。6）照明系统（川umination ），就是把光源发出的光传送到光罩表 面的系统，在传送的过程中要滤波长与要求不符和的（I-line波 长 365nm，DUV KrF 是 248nm，而 ArF 则是 193nm ），并且 要使光束达到均匀一致，光束的大小

12、也要符合曝光区域的要求。 通常ASML光束不均匀性可以做到1.5%以下，而曝光范围精 度可以控制在100um以下。7）环境控制系统（C&T）,主要分成温度控制和洁净度两部分。 温度控制主要通过循环冷却水和热交换机来实现，而洁净度由 dow nflow鼓入干净空气和向外的强排风来实现。光刻机内部可 以达到class 1的环境。四、光刻参数介绍光刻工艺中重要的参数很多，例如数值孔径（NA），空间相干 系数（Sigma ），能量（dose），焦点偏移（Focus offset），对准偏 差补值（OVL offset），曝光平面旋转等等，其中最为重要的就是 NA。下面是光刻工艺中最为重要的两个公式：R

13、esolutionR=kiNADepth of FocusDOF=kj入是指曝光所用光源的波长Resolution就是分辨率，也就是我们表征光刻机能力最重要的 一个参数，分辨率越小表明设备能做到的线宽越小，设备越先进； DOF即景深，是有效成像对应的Focus范围，也是表征设备性能的 重要参数，DOF越大表明设备工艺容忍度越高，设备越先进。而K2是两个与系统相关的系数，由这两个公式我们可以看到入与 resolution成正比，由此光刻机曝光光源由紫外线像深紫外线发展， 目前最先进的是ArF激光产生的193nm光源。而NA则是与分辨率 成反比，从下面stepper和scanner的NA发展中就可

14、发现。但是 我们在要求分辨率越来越小的同时也希望尽量增加DOF，这要求减 小NA增加入。所以NA的变化不能太大，好在随着光刻胶与光罩技 术的发展，对DOF的要求越来越小，1-line光刻机要求的DOF 一般 在0.6um以上，而ArF光刻机在0.2um就可以了。Stepper Too I Spec i f i cationsSpecifications/22/100/200/250/3l0Wavtlsngtb (nm)365355365248Resolution (nm)700400350300250NA range0.400.4S-0.600.48-0,600-48-0.S00.40-0*5

15、7Scanner Too 1 Spec if icatonsSpecifications/400B/550D/700D/800Wavelength (nui)365248248248Rsolmian (nm)300ISOISO120NA range0.4S tt.650.4 - (L 辭O.SO - 0.700.55 0.80NA，Sigma这些参数极为重要，在产品工艺建立初期，我们就 需要通过模拟软件算出最佳设定，并通过实验来验证，在以后的工 艺维护中不会轻易更改。而验证这些设定方法就是看不同设定下工 艺窗口的大小，表征工艺窗口的两个主要指标就是DOF和EL （有 效能量范围），工艺窗口越大表明工艺越