1、2.4 光刻技術(shù) 2.4.1 光刻工藝概述2.4.2 光刻膠2.4.3 涂膠2.4.4 對(duì)位和曝光2.4.5 顯影第1頁(yè)，共63頁(yè)。2.4.1 光刻工藝概述第2頁(yè)，共63頁(yè)。2.4.2 光刻膠 凡是在能量束（光束、電子束、離子束等）的照射下，以交聯(lián)反應(yīng)為主的光刻膠稱為 負(fù)性光刻膠，簡(jiǎn)稱 負(fù)膠。 凡是在能量束（光束、電子束、離子束等）的照射下，以降解反應(yīng)為主的光刻膠稱為 正性光刻膠，簡(jiǎn)稱 正膠。1、光刻膠的類型 光刻膠也稱為 光致抗蝕劑（Photoresist，P R）。最常用的有 AZ 1350 系列。正膠的主要優(yōu)點(diǎn)是分辨率高，缺點(diǎn)是靈敏度、耐刻蝕性和附著性等較差。第3頁(yè)，共63頁(yè)。2、光刻膠

2、的組成成分功能聚合物當(dāng)被曝光時(shí)，聚合物結(jié)構(gòu)由可溶變?yōu)榫酆希ɑ蚍粗┤軇┫♂尭泄鈩┱{(diào)節(jié)化學(xué)反應(yīng)添加劑工藝效果（如染色劑等）第4頁(yè)，共63頁(yè)。（1）靈敏度 單位面積上入射的使光刻膠全部發(fā)生反應(yīng)的最小光能量或最小電荷量（對(duì)電子束膠），稱為光刻膠的靈敏度，記為 S ，也就是D100 。S 越小，則靈敏度越高。 通常負(fù)膠的靈敏度高于正膠。 靈敏度太低會(huì)影響生產(chǎn)效率，所以通常希望光刻膠有較高的靈敏度。但靈敏度太高會(huì)影響分辨率。 3 光刻膠的特性1.00.50D0入射劑量（C/cm2）未反應(yīng)的歸一化膜厚D100靈敏度曲線第5頁(yè)，共63頁(yè)。 (2) 分辨率 光刻工藝中影響分辨率的因素有：光源、曝光方式 和 光

3、刻膠本身（包括靈敏度、對(duì)比度、顆粒的大小、顯影時(shí)的溶脹、電子散射等）。通常正膠的分辨率要高于負(fù)膠。第6頁(yè)，共63頁(yè)。(3) 對(duì)比度 對(duì)比度是圖中對(duì)數(shù)坐標(biāo)下對(duì)比度曲線的斜率，表示光刻膠區(qū)分掩模上亮區(qū)和暗區(qū)的能力的大小，即對(duì)劑量變化的敏感程度。靈敏度曲線越陡，D0 與 D100 的間距就越小，則 就越大，這樣有助于得到清晰的圖形輪廓和高的分辨率。一般光刻膠的對(duì)比度在 0.9 2.0 之間。對(duì)于亞微米圖形，要求對(duì)比度大于 1。 通常正膠的對(duì)比度要高于負(fù)膠。D0D100 對(duì)比度的定義為第7頁(yè)，共63頁(yè)。正膠和負(fù)膠比較光刻膠對(duì)比度斜坡膨脹分辨率粘附性第8頁(yè)，共63頁(yè)。 圖形的分辯率還要受光刻膠對(duì)光強(qiáng)的響

4、應(yīng)特性的影響。 理想光刻膠：光強(qiáng)不到臨界光強(qiáng) Dcr 時(shí)不發(fā)生反應(yīng)，光強(qiáng)超過 Dcr 時(shí)完全反應(yīng)，衍射只造成線寬和間距的少量變化。 DcrD100D0 實(shí)際光刻膠：光強(qiáng)不到 D0 時(shí)不發(fā)生反應(yīng)，光強(qiáng)介于 D0 和 D100 之間時(shí)發(fā)生部分反應(yīng)，光強(qiáng)超過 D100 時(shí)完全反應(yīng)，使線條邊緣出現(xiàn)模糊區(qū)。在通常的光刻膠中，當(dāng) MTF 0.5 時(shí)，圖形不再能被復(fù)制。第9頁(yè)，共63頁(yè)。2.4.3 涂膠一般采用旋涂法。涂膠的關(guān)鍵是控制膠膜的厚度與膜厚的均勻性。膠膜的厚度決定于光刻膠的粘度和旋轉(zhuǎn)速度。3) 甩掉多余的膠4) 溶劑揮發(fā)1) 滴膠2) 加速旋轉(zhuǎn)第10頁(yè)，共63頁(yè)。2.4.4 對(duì)位和曝光光刻曝光刻蝕

5、光源曝光方式 評(píng)價(jià)光刻工藝可用三項(xiàng)主要的標(biāo)準(zhǔn)：分辨率、對(duì)準(zhǔn)精度 和生產(chǎn)效率。第11頁(yè)，共63頁(yè)。1、基本光學(xué)問題第12頁(yè)，共63頁(yè)。衍射 但是當(dāng)掩膜版上的特征尺寸接近光源的波長(zhǎng)時(shí)，就應(yīng)該把光的傳輸作為電磁波來(lái)處理，必須考慮衍射和干涉。由于衍射的作用，掩模版透光區(qū)下方的光強(qiáng)減弱，非透光區(qū)下方的光強(qiáng)增加，從而影響光刻的分辯率。掩膜版是用石英玻璃做成的均勻平坦的薄片，表面上涂一層600800厚的Cr層，使其表面光潔度更高。稱之為鉻板，Cr mask。第13頁(yè)，共63頁(yè)。調(diào)制傳輸函數(shù)和光學(xué)曝光無(wú)衍射效應(yīng)有衍射效應(yīng)光強(qiáng)第14頁(yè)，共63頁(yè)。 定義圖形的 調(diào)制傳輸函數(shù) MTF 為 無(wú)衍射效應(yīng)時(shí)，MTF =

6、1 ；有衍射效應(yīng)時(shí) ，MTF A0 ，實(shí)際的各向異性刻蝕5、刻蝕工藝的品質(zhì)因數(shù)(1) 刻蝕速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間刻蝕的厚度。決定了刻蝕工藝的產(chǎn)率決定了刻蝕后剖面形貌和“鉆蝕”程度第43頁(yè)，共63頁(yè)。膜層厚度的不均勻+刻蝕速率的不均勻圖形轉(zhuǎn)移尺寸的不均勻（4）均勻性：第44頁(yè)，共63頁(yè)。二、濕法刻蝕1）反應(yīng)物擴(kuò)散到被刻蝕的材料表面；2）反應(yīng)物與被刻蝕薄膜反應(yīng)；3）反應(yīng)后的產(chǎn)物從刻蝕表面擴(kuò)散到溶液中， 并隨溶液被排出。1、濕法刻蝕:利用溶液與預(yù)刻蝕材料之間的化學(xué)反應(yīng)來(lái)去除未被掩蔽膜材料掩蔽的部分而達(dá)到刻蝕目的。2、三個(gè)步驟：a. 刻蝕溶液的種類b. 溶液的濃度c. 反應(yīng)溫度d. 攪拌速率控制方法：第45頁(yè)

7、，共63頁(yè)。各相同性的，鉆蝕嚴(yán)重，對(duì)圖形的控制性較差。安全性、潔凈性差。I. 刻蝕液的選用：選擇比大。II. 掩蔽膜的選用：粘附性；穩(wěn)定性；抗蝕性好；III. 主要優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單，成本底，產(chǎn)量高，并且具有很好的刻蝕選擇比，重復(fù)性好。IV. 主要缺點(diǎn)第46頁(yè)，共63頁(yè)。濕刻的工藝過程（例）transparent glassCr patterned filmMaskSi photoresistSiO2 filmAl filmSi UV exposureSi Develop solutionSi Pattern transferto photoresistSi Etching of Al film第

8、47頁(yè)，共63頁(yè)。Isotropic etching undercutFilm etching undercutLayer 2Layer 1濕法刻蝕中的側(cè)向腐蝕SiO2腐蝕斷面第48頁(yè)，共63頁(yè)。三、干法刻蝕c. 分類：1、特點(diǎn):利用氣體在外加的交流電場(chǎng)中所形成的等離子與選定材料在真空室內(nèi)發(fā)生反應(yīng)的機(jī)制，將未受保護(hù)區(qū)域的材料從表面上移除的過程。a. 優(yōu)點(diǎn):各向異性好，選擇比高，可控性、靈活性、重復(fù)性好，細(xì)線條操作安全，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，無(wú)化學(xué)廢液，處理過程未引入污染，潔凈度高。b. 缺點(diǎn)：成本高，設(shè)備復(fù)雜。物理性、化學(xué)性、物理化學(xué)性刻蝕。第49頁(yè)，共63頁(yè)。2、物理性刻蝕(2) 設(shè)備：a. 純粹的

9、機(jī)械過程，對(duì)所有材料都可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)的各向異性刻蝕。b.選擇比差；c.刻出物易再淀積；d.易對(duì)下面結(jié)構(gòu)造成損傷；e. 單片刻蝕。(1) 機(jī)理：利用輝光放電將惰性氣體解離成帶正電的離子，再利用偏壓將離子加速，轟擊被刻蝕物的表面，并將被刻蝕物材料的原子擊出。離子銑（真空度10-310-5 Torr）(3) 特點(diǎn)：第50頁(yè)，共63頁(yè)。離子束刻蝕Neutralized ion beam: good for conductor & insulator第51頁(yè)，共63頁(yè)。3、化學(xué)性刻蝕(1) 機(jī)理：第52頁(yè)，共63頁(yè)。a. 主要依靠化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行刻蝕，選擇性好；b. 離子的能量很小，各向異性差；c. 對(duì)基底的損傷

10、??；d. 刻蝕速度低。(2) 設(shè)備：高壓等離子體刻蝕機(jī)（真空度10210-1 Torr）(3) 特點(diǎn)：第53頁(yè)，共63頁(yè)。4、物理化學(xué)性刻蝕a. 選擇比較高；b. 各向異性較好，c. 刻蝕速度較快(1) 機(jī)理：物理性的離子轟擊和化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)的刻蝕。(2) 設(shè)備：反應(yīng)離子刻蝕機(jī)（RIE)（真空度10-110-2 Torr）傳統(tǒng)的RIE設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格較低廉。通過適當(dāng)選擇反應(yīng)氣體、氣壓、流量和射頻功率，可以得到較快的刻蝕速率和良好的各向異性。(3) 特點(diǎn)：第54頁(yè)，共63頁(yè)。a. 將被刻蝕材料表面的原子鍵破壞；b. 將再淀積于被刻蝕表面的產(chǎn)物或聚合物打掉,使被刻蝕表面能再與刻蝕氣體接觸；(

11、4) 離子轟擊的作用：第55頁(yè)，共63頁(yè)。(5) 反應(yīng)離子刻蝕機(jī)RIE可達(dá)100 1000ev比 0 100a. 在RIE設(shè)備中，使用非對(duì)稱腔體。b. 為了保持電流連續(xù)性，小電極處應(yīng)有更高的電場(chǎng) (更高的RF電流密度）。V1/V2 A2/A14c.d. 自由基反應(yīng)各向同性， 高能離子轟擊各向異性刻蝕。RIE的基板是帶負(fù)電的。正離子受帶負(fù)電的基板吸引，最終以近乎垂直的方向射入晶體，從而使刻蝕具有良好的方向性。第56頁(yè)，共63頁(yè)。(6) RIE的不足：d. 工作氣壓較高，離子沾污較大。a. 射頻等離子體的離化率較低.b. 刻蝕速度 等離子體密度， 但同時(shí)離子轟擊的能量 ，轟擊損傷;c. 隨著線條尺

12、寸，刻蝕圖形的深寬比,要求氣壓 離子的自由程確?？涛g的垂直度， 但在此氣壓下，等離子體密度，刻蝕效率。第57頁(yè)，共63頁(yè)。(7) 高密度低壓等離子體(HDP)刻蝕機(jī)真空度102104Torra. 包括電子回旋共振式ECR、感應(yīng)耦合式ICP、螺旋波式HWPb. 共同特點(diǎn)： 利用交叉的電場(chǎng)和磁場(chǎng)電子在等離子體中的行程 電 子和原子間碰撞 等離子體中自由基和離子的密度 。 使用額外的RF電源給硅片提供襯底偏壓。第58頁(yè)，共63頁(yè)。(8) HDP的優(yōu)缺點(diǎn)高的離子流量容易對(duì)浮空結(jié)構(gòu)（尤其是MOS管中的柵）充電，可能會(huì)在柵絕緣中導(dǎo)致過多的漏電。a. 優(yōu)點(diǎn)：刻蝕速度高；損傷?。贿x擇比好；各向異性強(qiáng)；b. 缺點(diǎn)：第59頁(yè)，共63頁(yè)。5、影響干法刻蝕的因素(1) 刻蝕氣體的種類、流量及其配比(2) 射頻功率(3) 溫度(4) 負(fù)載效應(yīng)第60頁(yè)，共63頁(yè)。6、干法刻蝕的終點(diǎn)檢測(cè)技術(shù) 光發(fā)射譜分析儀。各種等離子體都發(fā)出某些特定波長(zhǎng)的光，通過分析它們的強(qiáng)弱變化，來(lái)達(dá)到終點(diǎn)檢測(cè)的目的。第61頁(yè)，共63頁(yè)。 光線強(qiáng)度與刻蝕速率成正比，刻蝕 小時(shí)則難以觀測(cè)。 刻蝕面積小時(shí)，強(qiáng)度太低。第62頁(yè)，共63頁(yè)。1、在投影式曝光技術(shù)中，分辯率與焦深之間存在什么矛盾？如何協(xié)調(diào)這個(gè)矛盾？步進(jìn)掃描技術(shù)有什