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1、集成电路工艺之光刻光刻l1、基本描述和过程l2、光刻胶l3、光刻机l4、光刻工艺l5、新技术简介光刻基本介绍l在硅片表面匀胶，然后将掩模版上的图形转移光刻 胶上的过程l将器件或电路结构临时“复制”到硅片上的过程。l光刻在整个硅片加工成本中几乎占三分之一。l光刻占40%到50%的流片时间。l决定最小特征尺寸。 IC制程中最重要的模块,是集成电路中关键的工艺技术最早的构想来源于印刷技术中的照相制版。光刻技术最早于1958年开始应用，并实现了平面晶体管的制作。光刻的一般要求l图形的分辨率高l光刻胶敏感度高l层间对准精密高l缺陷密度低光刻胶l开始于印刷电路l1950年起应用于半导体工业l是图形工艺的关
2、键l有正胶和负胶两种l光敏材料l均匀涂布在硅片表面l用曝光的方法转移设计图形到光刻胶上l类似于光敏材料涂布在照相用的底片上光刻胶的成分l聚合物l溶剂l感光剂l添加剂聚合物l固体有机材料（胶膜的主体）l转移图形到硅片上lUV曝光后发生光化学反应，溶解性质发 生改变. 溶剂溶剂l溶解聚合物l经过旋转涂布可得到薄光刻胶膜. 感光剂感光剂l控制和或改变光化学反应l决定曝光时间和强度 添加剂添加剂l为达到不同的工艺结果而添加多种不同的化学物质，如添加染色剂以减少反射。光刻胶的要求l高分辨率 光刻胶越薄，分辨率越高 光刻胶越薄，抗刻蚀和离子注入能力越低l高抗刻蚀性（要求厚膜）l好的黏附性l注入屏蔽能力强和
3、针孔少（要求厚膜）l宽工艺窗口 能适应工艺的变更光刻胶的种类光刻机lIC制造中最关键的步骤lIC 晶圆中最昂贵的设备l最有挑战性的技术l决定最小特征尺寸 接触式光刻机 接近式光刻机 投影式光刻机 步进式光刻机接触式光刻机l设备简单l70年代中期前使 用l分辨率:有微米 级的能力l掩膜版和硅片直 接接触,掩膜版 寿命短接触式光刻机接触式光刻机接近式光刻机l距硅片表面 10微米l无直接接触l更长的掩膜 寿命l分辨率:3m接近式光刻机投影光刻机（扫描型）步进光刻机l先进的IC 中最流行的光刻设备l高分辨率l0.25微米或以下l非常昂贵l掩膜图形尺寸5X：10X能够得到更好的分辨率，但是，它的曝光时间
4、是5X的四倍。曝光时间和分辨率折中的结果。光刻的基本步骤硅片清洗l去除沾污l去除微粒l减少针孔和其他缺陷l提高光刻胶黏附性硅片清洗工艺光刻工艺前烘l去水烘干l去除硅片表面的水份l提高光刻胶与表面的黏附性l通常在100Cl与前处理同时进行光刻工艺前处理l防止显影时光刻胶脱离硅片表面l通常和前烘一起进行l匀胶前硅片要冷却硅片冷却l匀胶前硅片需冷却l硅片在冷却平板上冷却l温度会影响光刻胶的黏度 影响光刻胶的厚度匀胶l硅片吸附在真空卡盘上l液态的光刻胶滴在硅片的中心l卡盘旋转，离心力的作用下光刻胶扩散开l高速旋转，光刻胶均匀地覆盖硅片表面l先低速旋转500 rpml再上升到3000-7000 rpml
5、硅片自动输送轨道系统；真空卡盘吸住硅片；胶盘l排气系统；可控旋转马达；给胶管和给胶泵l边缘清洗（去边）去边(EBR)l光刻胶扩散到硅片的边缘和背面l在机械搬送过程中光刻胶可能回剥落成为微粒l正面和背面去边EBRl正面光学去边EBR匀胶后烘l使光刻胶中的大部分溶剂蒸发。l溶剂帮助得到薄的光刻胶膜但是吸收光且 影响黏附性l曝光后烘时间和温度取决于工艺条件l过烘:聚合,光敏性降低l后烘不足:影响黏附性和曝光硅片冷却l需要冷却到环境温度l硅片在冷却板上冷却l硅的热膨胀率:2.510-6/Cl对于8英寸硅片,改变1C引起0.5微米的直径差对准和曝光接触式曝光：接触式曝光：分辨率较高，但是容易造成掩膜版和
6、光刻胶膜的损伤。接近式曝光：接近式曝光：在硅片和掩膜版之间有一个很小的间隙(1025m)，可以大大减小掩膜版的损伤，分辨率较低投影式曝光：投影式曝光：利用透镜或反射镜将掩膜版上的图形投影到衬底上，优点：掩模版与晶片不接触，掩模不受损伤；对准是观察掩模平面上的反射图像，不存在景深问题；掩模版上的图形是通过光学技影的方法缩小，并聚焦于感光胶膜上，掩模版上可以有比实际尺寸大得多的图像(通常掩模图形的尺寸是实际尺寸的110倍)，提高了对准精度，避免了微细图形制作的困难，也减弱了灰尘微粒的影响。缺点：投影系统光路复杂,对物镜成像能力要求高。曝光后烘l玻璃转化温度Tgl烘烤温度大于Tgl光刻胶分子热迁移l
7、过曝光和曝光不足的光刻胶分子重排l平衡驻波效应,l平滑光刻胶侧壁提高分辨率硅片冷却lPEB后，显影前，硅片放置在冷却板上冷却至环境温度l高温会加速化学反应引起过显影l光刻胶CD变小显影l显影液溶解部分光刻胶l正胶显影液通常使用弱碱性的溶剂l最常用的是四甲基氢铵l将掩膜上的图形转移到光刻胶上l三个基本步骤:显影清洗干燥显影后烘l使光刻胶中的溶剂蒸发l提高抗刻蚀和抗离子注入性l提高光刻胶和硅片表面的黏附性l聚合化并稳定光刻胶l光刻胶流动填平针孔图形检查l不合格的硅片将被去除光刻胶返工光刻胶的图形是临时性的刻蚀和注入后的图形是永久的.l光刻是可以返工的l刻蚀和注入后不能返工l光学显微镜l扫描电子显微
8、镜(SEM)检查l对准精度 放大,缩小,掩膜旋转,硅片旋转, X方向漂移,Y方向漂移l关键尺寸(CD)l表面缺陷如，刮痕，针孔，污点，污染物等检查l如果硅片检查合格，将会流出光刻模块，进入下一道工艺l刻蚀或离子注入目前新技术l相移掩膜l浸没式光刻浸没式光刻l是目前领域最有趣的问题l非常有前景l193 nm浸没式光刻技术已在2019年投入使用l利用水提高分辨率浸没式实现方法l喷淋vs浸泡l主要的光刻机生产商的主要研发方向都是喷淋系统l在透镜和硅片之间有水l大约1 mm的间距l大约100 mm的直径l此外，目前正在研究的还有X-ray光刻、电子束光刻（EBL）、离子束（IBL）光刻。安全化学制品安
9、全l湿法清洗 硫酸(H2SO4）:强腐蚀性 双氧水(H2O2):强氧化剂l二甲苯(负胶溶剂和显影液):易燃易爆lHMDS(前处理):易燃易爆lTMAH（正胶显影溶剂):有毒，有腐蚀性l汞(Hg,UV lamp)蒸气 高毒性;l氯(Cl2,受激准分子激光器) 有毒，有腐蚀性l氟(F2,受激准分子激光器) 有毒，有腐蚀性机械安全l活动部件l热表面l高压灯电安全l高压供电源l掉电l地面静电荷l标注清晰和锁紧放射性安全lUV光可破坏化学键l有机分子有长化学键结构l更易因UV引起损伤lUV光通常用于消毒杀菌l如果直视UV光源会伤害眼睛l有时需要戴防UV护目镜小结l光刻:形成暂时性图形的模块lIC制程中最重要的模块l要求:高分辨率,低缺陷密度l光刻胶：正胶和负胶l步骤:前烘和前处理,匀胶,匀胶后烘,曝光,曝光后烘, 显影,显影后烘,检查l用于65,45,and 32 nm的浸没式光刻,可达到22 nmlNGL:离子束光刻和电子束光刻.
