*1第8章光刻工藝概述8.3光刻技術

*28.3光刻技術基本光刻工藝

*38.3光刻技術8.3.6光刻膠光刻膠是光刻工藝的核心，光刻過程中的所有操作都會根據(jù)特定的光刻膠性質和想達到的預期結果而進行微調。光刻膠的選擇和光刻工藝的研發(fā)是一個非常漫長的過程。

*48.3光刻技術1.光刻膠的分類對光有負效應的光刻膠，稱為負性光刻膠。負膠在曝光之后，浸入顯影溶液，在顯影過程中，曝光部分性能穩(wěn)定，未曝光部分將更容易溶解。對光有正效應的光刻膠，稱為正性光刻膠。其性能和負膠正好相反。正膠：曝光前-不可溶曝光后-可溶負膠：曝光前-可溶曝光后-不可溶

*58.3光刻技術

如果掩膜版的圖形是由不透光的區(qū)域決定的，稱其為亮場掩膜版；反之，稱之為暗場掩膜版。

*6UltravioletlightIslandAreasexposedtolightbecomecrosslinkedandresistthedeveloperchemical.Resultingpatternaftertheresistisdeveloped.WindowExposedareaofphotoresistShadowonphotoresistChromeislandonglassmaskSiliconsubstratePhotoresistOxidePhotoresistOxideSiliconsubstrate負性光刻

*7正性光刻photoresistsiliconsubstrateoxideoxidesiliconsubstratephotoresistUltravioletlightIslandAreasexposedtolightaredissolved.Resultingpatternaftertheresistisdeveloped.ShadowonphotoresistExposedareaofphotoresistChromeislandonglassmaskWindowSiliconsubstratePhotoresistOxidePhotoresistOxideSiliconsubstrate

*8正性光刻和負性光刻的區(qū)別負性光刻：產(chǎn)生和掩模版相反的圖形正性光刻：產(chǎn)生和掩模版相同的圖形DesiredphotoresiststructuretobeprintedonwaferWindowSubstrateIslandofphotoresistQuartzChromeIslandMaskpatternrequiredwhenusingnegativephotoresist(oppositeofintendedstructure)Maskpatternrequiredwhenusingpositivephotoresist(sameasintendedstructure)

*9亮場掩模版和暗場掩模版Simulationofcontactholes(positiveresistlithography)Simulationofmetalinterconnectlines(positiveresistlithography)ClearFieldMaskDarkFieldMask

*10根據(jù)光刻膠所能達到的最小關鍵尺寸分類傳統(tǒng)光刻膠：0.35微米和0.35微米以上適用于非關鍵層

化學放大(CA)光刻膠：0.25~0.05微米適用于關鍵層

特殊光刻膠：用于非光學光刻

*118.3光刻技術2.常見光刻膠的組成I線光刻膠該光刻膠適用于I線紫外波長（365nm）適用于0.35微米以上的非關鍵層的光刻

負膠：惰性聚異戊二烯正膠：線性酚醛樹脂由4種成分：聚合物溶劑感光劑添加劑

*12Additives:chemicalsthatcontrolspecificaspectsofresistmaterialSolvent:givesresistitsflowcharacteristicsSensitizers:photosensitivecomponentoftheresistmaterialResin:mixofpolymersusedasbinder;givesresistmechanicalandchemicalproperties

*138.3光刻技術溶劑

光刻膠中容量最大的成分是溶劑。添加溶劑的目的是光刻膠處于液態(tài)，以便是光刻膠能夠通過旋轉的方法涂在晶圓表面。在曝光之前，大部分溶劑已經(jīng)從光刻膠里面蒸發(fā)出去，所以它在實際的光化學反應中不起任何作用。

*148.3光刻技術感光劑

光刻膠中的感光劑是用來產(chǎn)生或者控制聚合物的特定反應。如果聚合物中不添加感光劑，那么它對光的敏感性差，而且光譜范圍較寬，添加特定的感光劑后，可以增加感光靈敏度，而且限制反應光的光譜范圍，或者把反應光限制在某一波長的光。

*158.3光刻技術添加劑

光刻膠中的添加劑主要在光刻膠薄膜中用來吸收和控制光線，可以阻止光刻膠沒有被曝光的部分在顯影過程中被溶解。

*168.3光刻技術聚合物

聚合物是由一組大而且重的分子組成，包括碳、氫和氧。對負膠，聚合物曝光后會由非聚合狀態(tài)變?yōu)榫酆蠣顟B(tài)。在大多數(shù)負膠里面，聚合物是聚異戊二烯類型。是一種相互粘結的物質－－抗刻蝕的物質，如圖所示。其他常用負膠有聚肉桂酸酯類、聚酯類和聚烴類。負膠一般不適于2.0μm以下的尺寸

*178.3光刻技術負性膠由光產(chǎn)生交聯(lián)聚合物：惰性聚異戊二烯,天然橡膠溶劑：二甲苯感光劑：紫外線曝光后釋放出氮氣的光敏劑，產(chǎn)生自由基自由基促使光刻膠聚合缺點：1、在顯影時曝光區(qū)域會因溶劑產(chǎn)生泡脹2、曝光時產(chǎn)生的氮氣會和光刻膠反應

*18Areasexposedtolightbecomecrosslinkedandresistthedeveloperchemical.Unexposedareasremainsolubletodeveloperchemical.Pre-exposure-photoresistPost-exposure-photoresistPost-develop-photoresistUVOxidePhotoresistSubstrateCrosslinksUnexposedExposedSoluble

*198.3光刻技術

正膠的基本聚合物是苯酚－甲醛聚合物，也稱為苯酚－甲醛樹脂。如圖所示。其中含有感光聚合PAC（DQ）和基體材料N，N一般采用酚醛樹脂。在光刻膠中聚合物是相對不可溶的，用適當能量的光照后變成可溶狀態(tài)。這種反應稱為光溶解反應。

*208.3光刻技術重氮醌Diazoquinone,DQ1.DQ的二氧化硅以下的分子部分，包括兩個位置靠下的芳香族的環(huán)烴，在曝光中僅是次要作用，所以用R來表示這部分分子。2.氮分子化合鍵較弱，受光照氮分子脫離碳環(huán)，留下一個高活性的碳位

*218.3光刻技術3.此時環(huán)內的一個碳位移到環(huán)外，氧原子將與這個外部的碳原子形成共價鍵，此過程稱為Wolff重組。重組的結果是生成乙烯酮4.最終加入水后，會發(fā)生最終的重組，此過程中環(huán)與外部碳原子之間的雙化學鍵被一個單鍵和一個OH基所代替，生成羧酸

*22Resistexposedtolightdissolvesinthedeveloperchemical.Unexposedresist,containingPACs,remaincrosslinkedandinsolubletodeveloperchemical.Pre-exposure+photoresistPost-exposure+photoresistPost-develop+photoresistUVOxidePhotoresistSubstrateSolubleresistExposedUnexposedPAC

*238.3光刻技術

初始材料不溶于顯影溶液（PH<7，一般是KON或NaOH溶液），當發(fā)生整個曝光之后，生成的羧酸易于顯影溶液反應，從而可以溶解。其中發(fā)生的化學反應是羧酸分解成溶于水的胺，比如苯胺和鉀鹽/鈉鹽。正膠的優(yōu)點：1.未曝光區(qū)基本不受顯影劑的影響，所以正膠的亮區(qū)細線條圖形能夠保持其線寬和形狀。

2.酚醛樹脂作為光刻膠的機體材料，化學性能穩(wěn)定，對刻蝕工藝來說可以起到很好的掩蔽作用。

*248.3光刻技術

下表列出了用在光刻膠產(chǎn)品上的聚合物

*258.3光刻技術4、光刻膠的表現(xiàn)要素（1）分辨率在光刻膠層能夠產(chǎn)生的最小圖形通常被作為對光刻膠的分辨率。產(chǎn)生的線條越小，分辨率越高。分辨率不僅與光刻膠本身的結構、性質有關，還與特定的工藝有關，比如：曝光光源、顯影工藝等。

*268.3光刻技術

（2）對比度函數(shù)γ

可以用對比度γ

更直觀的表示光刻膠的特性。就是將一定厚度的光刻膠在不同的曝光劑量下曝光，然后測量顯影之后的剩余的光刻膠的膜厚。假定用正膠，首先在晶圓上涂上一層光刻膠，測量膠的厚度，然后給光刻膠一個短時間的均勻曝光，曝光的劑量恰好是光強乘以曝光時間。然后將晶圓浸入顯影溶液維持固定時間，取出后測量所剩下的膠厚。不斷增加劑量進行試驗。

*278.3光刻技術現(xiàn)象：時間很短，厚度基本沒變化時間很長，所有的都溶解在一定時間內，曝光后留下的厚度和曝光劑量大致呈線性關系

*288.3光刻技術

關系圖圖中開始光刻膠去除時的曝光劑量D0（臨界曝光劑量）,所有光刻膠被去掉，所需要的曝光劑量為D100.定義：

*298.3光刻技術

對比度是上述直線的斜率。對比度是光刻膠區(qū)分掩膜上亮區(qū)和暗區(qū)的能力的衡量標準。理想的對比度曲線斜率趨近于無窮大。實際意義：就是期望存在一個曝光劑量的臨界點。

*308.3光刻技術對比度影響PoorResistContrastSlopedwallsSwellingPoorcontrastResistFilmGoodResistContrastSharpwallsNoswellingGoodcontrastResistFilm

*318.3光刻技術

光刻膠的對比度曲線并不固定，它取決于顯影過程，軟烘和曝光之后的烘烤過程，曝光輻射的波長，晶圓表面的反射率。光刻的一個任務就是調節(jié)光刻膠工藝的過程，使其對比度最大而光刻速度維持在一個可接受的水平。為了取得較好的曝光效果，一般采用高曝光區(qū)加長時間曝光的方法。代價：產(chǎn)率下降

*328.3光刻技術(3)粘結能力

光刻膠與襯底膜層（SiO2、Al等）的粘結能力直接影響光刻的質量。不同的襯底表面，光刻膠的粘結能力是不同的。負膠通常比正膠有更強的粘結能力。

*338.3光刻技術(4)敏感度光刻膠的敏感度反應了光刻膠感光所必須的照射量，而照射量正比于光的強度和感光時間。光強度是和光源特定的波長有關系。不同光源（射線）對應的波長如下圖所示。波長越短的光源（射線）能量越高。要使光刻膠和光源“和諧”

e=hc/λ

*348.3光刻技術除了普通光源，經(jīng)常還根據(jù)不同需要選擇X射線或者電子束作為曝光光源。那么光刻膠靈敏性作為一個參數(shù)，使通過能夠使基本的反應開始所需要的能量總和來衡量的，它的單位是mJ/平方厘米負膠通常的曝光時間是5～15秒，而正膠則需要用上3～4倍的時間

*358.3光刻技術(5)工藝寬容度

整個光刻過程步驟之多，而且每一步驟都會影響最終的圖形尺寸，

另外每一工藝步驟都有它的內部變異。不同的光刻膠對工藝變異的容忍性都不一樣。那么，容忍性越高，在晶圓表面達到所需要尺寸的可能性就越大，或者說工藝的寬容度就越大。

*368.3光刻技術(6)針孔、玷污和顆粒

所謂針孔是指光刻膠層中尺寸非常小的空穴?？梢允峭磕z工藝中由環(huán)境中的微粒污染物造成的，也可以由光刻膠層結構上的空穴造成。針孔是有害的，因為它可以允許刻蝕劑滲過光刻膠層進而在晶圓表面層刻蝕除小孔。除此之外，還應考慮其純度。

*378.3光刻技術(7)階梯覆蓋度隨著晶圓表面上膜層的不斷增加，表面不再是完全平坦化的，如圖所示。

所以要求光刻膠必須具有良好的階梯覆蓋特性。

*388.3光刻技術5.正膠和負膠的比較

(1)在工藝發(fā)展的早期，負膠一直在光刻工藝中占主導地位，隨著VLSIIC和2～5微米圖形尺寸的出現(xiàn)，負膠已不能滿足要求。隨后出現(xiàn)了正膠，但正膠的缺點是粘結能力差。

*39(2)掩模版的改變用正膠需要改變掩膜版的極性，這并不是簡單的圖形翻轉。因為用掩膜版和兩種不同光刻膠結合，在晶圓表面光刻得到的尺寸是不一樣的（見下圖）由于光在圖形周圍的衍射效應，使得用負膠和亮場掩膜版組合在光刻膠層上得到的圖形尺寸要比掩膜版上的圖形尺寸小。用正膠和暗場掩膜版組合會使光刻膠層上的圖形尺寸變大。

*408.3光刻技術（a）亮場掩膜版和負膠組合

圖形尺寸變小（b）暗場掩膜版和正膠組合

圖形尺寸變大

*418.3光刻技術

用正膠和暗場掩膜版組合還可以在晶圓表面得到附加的針孔保護。如果是亮場掩膜版，大部分區(qū)域是空穴，這樣，玻璃上的任何缺陷及污染物微粒都會影響光刻質量，若是暗場掩膜版則可以避免上述缺陷的產(chǎn)生，如圖所示。

*428.3光刻技術正膠成本比負膠高，但良品率高；負膠所用的顯影劑容易得到，顯影過程中圖形尺寸相對穩(wěn)定。對于要求高的制作工藝選擇正膠，而對于那些圖形尺寸大于2微米的工藝還是選擇負膠。圖顯示了兩種類型光刻膠屬性的比較。

*43

*44深紫外（DUV）光刻膠一般來說，較小波長的光源可以