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1、第十一章 光刻11.1 光刻工艺光刻是一种图象复印的技术，是集成电路制程中一项关键的工艺技术。简单的说，光刻就是用照相复印的方法，将掩膜版上之图形精确地复印到涂在硅片表面的光致抗蚀剂（下面统称光刻胶）上面，然后在光刻胶的保护下对硅片进行离子注入，刻蚀（干，湿法），金属蒸镀等。一个光刻刻蚀的工艺过程见图11.1。使光刻胶感光成图形的可以是可见光，近紫外光（NUV），深紫外光（DUV），真空紫外光（VUV），极短紫外光（EUV），X射线等光源，近来又发展了电子束，离子束曝光技术。光学相关波长范围见图11.2。随着芯片集成度的提高，特征尺寸从微米到亚微米，现在已进入深亚微米时代，对光源的要求也从全光
2、谱光源到G线（436nm）、I线（365nm）、进而到248nm线、193nm线。本章将介绍光刻工艺的整个过程，光刻曝光的方式，影响光刻质量的一些因素及光刻技术的一些最新发展。11.2 光刻工艺的8个基本步骤一硅片表面处理衬底材料对光刻工艺的影响有三个方面：表面清洁度、表面性质（疏水或亲水）、平面度。清洁、干燥的表面能和光刻胶保持良好的粘附，硅片表面的颗粒沾污会损坏光刻图形，造成成品率的下降，要防止高温过程产生的热应力造成硅片形变，使平面度下降，影响光刻分辨率。二增粘处理需光刻的硅片先要在高温氮气气氛中烘焙，以除去硅片表面的水气，再涂上一层增粘剂（HMDS），以增加光刻胶与硅片的粘附性，HMD
3、S的作用机理就是将二氧化硅表面亲水的硅烷醇结构转变为疏水的硅氧烷结构。三涂光刻胶将光刻胶均匀地涂敷在硅片的表面，它的质量要求是：（1）膜厚符合设计要求，同时膜厚均匀，胶面上看不到干涉花纹；（2）胶层内无点缺陷（如针孔等）；（3）涂层表面无尘埃，碎屑等颗粒。膜厚的关系式为：T = KP2 / S1/2 式（111）T为膜厚，P为光刻胶固体含量百分比，S为转速，K为常数。四 前烘前烘是光刻的一道关键工序。前烘条件的选取，对光刻胶的溶剂挥发量和光刻胶的粘附特性，曝光特性，显影特性以及线宽的精确控制都有较大的影响。前烘温度较低时，溶剂挥发少，此时显影速度就快，对线宽控制不容易。反之，光刻胶内溶剂成份较
4、少，就需要更大的曝光量，但对线宽控制较好。五 对准与曝光对准与曝光是光刻工艺中最关键的工序，它直接关系到光刻的分辨率，留膜率，线宽控制和套准精度。由于集成电路工艺流程中有多层图形，每层图形与其它层的图形都有精确的位置关系，所以在曝光之前，需要精确地定位，然后才能曝光，将掩膜版上的图形转移到光刻胶上。图11.3表示了曝光时光波在光刻胶及二氧化硅中的情况。入射光和反射光之间会互相干涉，产生驻波效应。光刻胶膜内的波节，波腹的位置分别为： Z min = N / 2n 式（112） Z max = (2N+1) / 4n 式（113）在波节处光强度低，在波腹处光强度高，从而形成不平整的光刻胶侧壁。在最
5、低曝光量E（指能使光刻胶显影）时光刻胶膜厚度的变化曲线图11.4上，可找出最佳条件。六 烘烤从上面可知，在曝光时由于驻波效应的存在，光刻胶侧壁会有不平整现象，进行曝光后烘烤，使得感光与未感光边界处的高分子化合物重新分布，最后达到平衡，基本可消除驻波效应。七 显影显影就是用溶剂去除未曝光部分（负胶）或曝光部分（正胶）的光刻胶，在硅片上形成所需要光刻胶图形。影响显影质量的因素有温度，时间和显影液种类，浓度等。八 坚膜由于显影时胶膜发生软化、膨胀，坚膜的目的是去除显影后胶层内残留的溶剂，使胶膜坚固。坚膜可以提高光刻胶的粘附力和抗蚀性。11.3 光刻胶质量测量11.3.1光刻胶的种类及感光机理光刻胶由
6、感光性树、增感剂、溶剂（还有其他添加剂）按一定比例配制而成。树脂是一种对光敏感的高分子化合物，当它受适当波长的光照射后，就能吸收一定波长的光能量，发生交联、聚合或分解等光化学反应，使光刻胶改变性质，增感剂则在光化学反应时起催化或引发作用。按其光化学反应不同，光刻胶分为两大类：正性光刻胶和负性光刻胶。正性光刻胶的感光机理是受光照后，光刻胶发生光分解反应，退化为可溶性的物质，因原来光刻胶不能被溶解，显影后感光部分能被适当的溶剂溶除，未感光部分留下。所得的图形与掩膜图形相同。负性光刻胶的感光机理是受光照后，光刻胶发生光聚合反应，硬化成不可溶的物质，因原来的光刻胶能被溶解，显影后未感光部分被适当的溶剂
7、溶除，而感光部分留下。所得的图形与掩膜图形相反。11.3.2光刻胶的主要性能一 感光度感光度是一个表征光刻胶对光敏感度的性能指标。定义为曝光时使光刻胶发生光化学反应所需的最小曝光量（E）的倒数，即S = h / E 式（114）S为感光度，h为比例常数，E为最小曝光量。光刻胶对于不同波长的光源其敏感程度是不同的，因此它的感光度总是对某一特定波长的光来讲的。二 分辨率指光刻时所能得到的光刻图形的最小尺寸。通常以每毫米最多可分辨的线条数来表示。影响分辨率的因素除了光刻胶本身的结构性质外，还有光刻工艺条件、硅片表面状况等。三 粘度是影响涂敷胶膜厚度的重要因素。光刻胶越浓，它的粘度就越大，在相同的涂胶
8、条件下，所得的胶膜就越厚；反之，则粘度小，胶膜薄。四 针孔密度单位面积的光刻胶膜上的针孔数目称为针孔密度。针孔会在后续工序中传递到衬底上去，直接影响光刻质量。产生针孔的主要原因是颗粒性污染，所以要减小针孔密度，就要保证光刻胶本身的质量，还要保证环境的洁净度。五 粘附性指光刻胶薄膜与衬底的粘附能力，主要衡量光刻胶抗湿法腐蚀能力。它不仅与光刻胶本身的性质有关，而且与衬底的性质和其表面情况等有密切关系。相比较，正胶有较高的分辨率，较强的抗干法腐蚀能力和抗热处理能力，但粘附性较差，抗湿法腐蚀能力差。负胶有很高的感光速度，好的粘附性和抗蚀能力，但分辨率低，不适合细线条光刻。在工艺中光刻胶的选择必须考虑硅
9、片表面的薄膜种类与性质（反射率、亲水性、疏水性），和产品图形所需的解析度。11.4 光刻设备11.4.1 光学光刻整个可见和不可见的电磁波被称为电磁波谱，它由从极短到极长波长的各种辐射能组成。光学相关波长范围见图11.2。在光学光刻中，需要一个光源来把版图投射到光刻胶上，光刻胶材料里发生光化学转变来转印投影掩膜版的图形。紫外（UV）光用于光刻胶的曝光是因为光刻胶材料与这个特定波长的光反应。波长也很重要，因为较短的波长可以获得光刻胶上较小尺寸的分辨率。现今最常用于光学光刻的两种紫外光源是：汞灯和准分子激光。除了这些通常使用的光源外，其他用于先进的或特殊应用的光刻胶曝光的源有X射线、电子束和离子束
10、。11.4.2 光刻设备光刻对准曝光系统（光刻机）的发展经历了三个阶段，早期使用的是接触式曝光，后来发展为接近式曝光，目前的主流是投射式曝光。三种系统的大致结构分别示于图11.5(a)、(b)、(c)。一 接触式曝光系统涂了光刻胶的硅片与掩膜版直接接触，由于接触紧密，因此分辨率可以比较高，但是正因为如此也容易造成掩膜版和光刻胶膜的损伤，而且硅片有弯曲或变形时，在光刻对准时会发生困难。二 接近式曝光系统在硅片和掩膜版之间保留一个很小的间隙，此间隙可大大减小掩膜版和光刻胶膜的损伤，但造成光的衍射，从而使光刻的分辨率降低。三 扫描投影式曝光系统利用透镜或反射镜将掩膜版上的图形投影到硅片上，由于掩膜版
11、与硅片之间的距离较大，完全避免了掩膜版的损伤。紫外光线通过一个狭缝聚焦在硅片上，能够获得均匀的光源。掩膜版和带胶硅片被放置在扫描架上，并且一致地通过窄紫外光束对硅片上的光刻胶曝光。由于发生扫描运动，掩膜版图像最终被光刻在硅片表面。但是掩膜版是1倍的，图像就没有放大和缩小，因此掩膜版图形和硅片上的图形尺寸相同。由于亚微米特征尺寸的引入，这种光刻方法很困难，因为掩膜不能做到无缺陷。四分布重复曝光系统这种设备只投影一个曝光场（这可能是硅片上的一个或多个芯片），然后步进到硅片上另一个位置重复曝光。光学步进光刻机的一大优势在于它具有使用缩小透镜的能力。这个缩小的比例使得制造投影掩膜版更容易，因为投影掩膜
12、版上的特征图形是硅片上最终图形的几倍。由于步进光刻机一次只曝光硅片的一小部分，所以对硅片平整度和几何形状变化的补偿变得容易。五步进扫描曝光系统这种系统是一种混合设备，融合了前两种系统的技术，通过使用缩小透镜扫描一个大曝光场图像到硅片上一部分实现光刻的。它的优点是增大了曝光场，有机会在投影掩膜版上多放几个图形，因而一次曝光可以多曝光些芯片。另一个优点是具有在整个扫描过程调节聚焦的能力，使透镜缺陷和硅片平整度变化能够得到补偿。由于曝光系统都是价格昂贵的机器，对于线宽要求更小的系统，价格要增加几倍。因此为了充分利用已有的I线（365nm）光刻技术（包括曝光系统，光刻胶等），使其的解像度能达到更小，近
13、年来发展了二种技术：变形照明技术；移相掩膜技术。在此不作详细的介绍。11.4.3 投影掩膜版掩膜版就是将设计好的特定几何图形通过一定方法以一定间距和布局做在掩膜基板上，供光刻工艺重复使用。掩膜质量的好坏直接影响光刻质量的优劣，所以要光刻胶膜图形线宽准，首先掩膜版上的图形尺寸要准，要芯片成品率高，掩膜版上图形自然不能有缺陷。一掩膜材料传统的掩膜基板材料主要有三种类型：1 乳胶基板：在玻璃或石英片上涂一层光敏乳胶，经曝光，显影形成乳胶图形后，进行固化。过程见图11.6（a）。2 硬面铬膜基板：在玻璃或石英片上溅镀一层铬膜，做成图形后，不需要部分（透光部分）蚀刻掉。图11.6（b）。3 抗反射铬膜基
14、板：在铬膜上再溅镀一层氧化膜，以降低掩膜版上铬膜反射率，提高做掩膜版时解像度。图11.6（c）。随着技术的发展，又出现了适用于深紫外光，极短紫外光曝光的相移掩膜，适用于X光曝光的X光掩膜，适用于电子束照射的搂空式掩膜和散射式掩膜，适用于离子束照射的搂空式掩膜和通道式掩膜。二掩膜版图形掩膜版上的图形主要有六大类（功能）：1 主线路单元：为产品本身之线路图形；2 独立测试单元：在新产品研发阶段，为了要收集大量的电参数，因此将特殊的测试元件布局在一起，占有一个芯片的位置（或几个），此一单元在产品成熟后批量生产时将会移去；3 测试器件单元：作为工艺流程结束后，检测器件电参数是否达到要求。因为此单元检测
15、后即无用途，所以为了节省芯片面积，将它放在划片道上；4 工艺检测单元：为工艺中间步骤设计的图形。当到达此工艺步骤后，检测该图形，通过了流向下一道工艺。此单元含有线宽，对准等模拟图形；5 标准定位单元：为掩膜版之坐标位置定位图形；6其它单元：有掩膜版名称，条码，制造日期及任何特殊的辨识图形等。11.5 先进的光刻技术由于许多设备和工艺的改进，光学光刻技术的分辨能力得到延伸，特别是在表11.1列出的一些领域的改进。当将来的某些分辨率极限使光学光刻技术的扩展不再可行，硅片图形必须转移为一种可替换的光刻工艺，即下一代光刻技术。 极紫外光刻技术（13nm） 角度限制投影电子束光刻技术（SCALPEL） 离子束投影光刻技术 X射线光刻技术曝光光源与其解像度大致有如下关系：365nm线能刻出 0.250.35m线宽; 248nm线能刻出 0.130.18m线宽;193nm线能刻出 0.100.13m线宽; 157nm线能刻出 0.07m线宽;13nm线能刻出 0.05m线宽;
