第五章光刻第五章光刻5.1引言光刻：

將掩膜版上的電路圖形精確轉(zhuǎn)移到硅片表面光刻膠膜上的復(fù)制過程。光刻是集成電路制造的關(guān)鍵工藝5.1引言光刻：掩膜版（Reticle或Mask）材質(zhì)—玻璃/石英，亞微米及以下技術(shù)—石英版，石英版優(yōu)點(diǎn)：透光性好、熱膨脹系數(shù)低。金屬鉻膜—版上不透光的圖形掩膜版（Reticle或Mask）第五章：光刻ppt課件光刻是產(chǎn)生特征尺寸的工序微芯片上的特征尺寸，是指MOS器件的溝道長度即多晶硅柵條的寬度；或指雙極器件引線孔的大小?，F(xiàn)代集成電路技術(shù)都以特征尺寸命名如0.18μm技術(shù)、90nm技術(shù)等。目前光刻的成本很高，已占整個芯片制造總成本的1/3。光刻是產(chǎn)生特征尺寸的工序現(xiàn)代IC對光刻的要求越來越高IC的性能↑→

→IC特征尺寸↓（即光刻線寬↓）→對光刻的要求↑現(xiàn)代光刻技術(shù)已發(fā)展到納米時代（如45nm技術(shù)、28nm技術(shù)等等）IC集成度↑

器件尺寸↓現(xiàn)代IC對光刻的要求越來越高IC集成度↑器件尺寸↓5.2光刻工藝原理正性膠光刻與負(fù)性膠光刻

光刻膠有正負(fù)膠之分，曝光區(qū)域能被顯影液溶除的膠為正性膠，未曝光區(qū)域能被顯影液溶除的膠為負(fù)性膠。在集成電路光刻中，通常用正性膠，這主要是由于正膠的分辨率比負(fù)性膠高。5.2光刻工藝原理正性膠光刻與負(fù)性膠光刻正性膠光刻正性膠光刻負(fù)性膠光刻負(fù)性膠光刻光刻工藝的8個基本步驟

1.氣相成底膜

2.旋轉(zhuǎn)涂膠

3.軟烘

4.對準(zhǔn)和曝光

5.曝光后烘培（PEB）

6.顯影

7.堅(jiān)膜烘培

8.顯影檢查光刻工藝的8個基本步驟光刻工藝的8個基本步驟光刻工藝的8個基本步驟1.氣相成底膜目的：增強(qiáng)光刻膠與硅片的粘附性。1.氣相成底膜工藝方法：硅片放在真空腔中的熱板上，熱板溫度控制在200℃～250℃，用N2攜帶六甲基二硅胺烷（HMDS）進(jìn)入真空腔，處理時間60秒。這樣在硅片上形成了底膜。HMDS是液態(tài)具有很高的蒸氣壓，能使光刻膠與硅片很好地粘附。工藝方法：自動涂膠/顯影系統(tǒng)－氣相成底膜模塊自動涂膠/顯影系統(tǒng)－氣相成底膜模塊2.旋轉(zhuǎn)涂膠光刻膠是一種有機(jī)化合物，它受紫外線曝光后在顯影液中的溶解度發(fā)生顯著變化，而未曝光的部分在顯影液中幾乎不溶解。光刻膠的用途

1.做硅片上的圖形模板

2.在后續(xù)工藝中，保護(hù)下面的材料（例如刻蝕或離子注入）注：光刻膠不是最終芯片的組成部分2.旋轉(zhuǎn)涂膠光刻膠的成分：1.樹脂（是一種有機(jī)聚合物材料，提供光刻膠的機(jī)械和化學(xué)特性）2.感光劑（光刻膠材料的光敏成分）3.溶劑（使光刻膠具有流動性）4.添加劑（控制光刻膠特殊方面的化學(xué)物質(zhì)，備選）光刻膠的成分：光刻膠的種類：根據(jù)光刻的要求，光刻膠制成與特定波長的紫外線有顯著的光化學(xué)響應(yīng)，一般按照紫外線把膠分類：i線光刻膠、g線光刻膠、DUV線光刻膠等。光刻膠的種類：光刻對光刻膠的要求：1.分辨率高（區(qū)分硅片上兩個相鄰特征尺寸圖形的能力強(qiáng)）2.對比度好（指曝光區(qū)和非曝光區(qū)過渡的陡度）

（a）對比度差（b）對比度好光刻對光刻膠的要求：（a）對比度差3.敏感度好（是指硅片表面光刻膠中產(chǎn)生良好圖形所需要的一定波長光的最小能量值，以mJ/cm2為單位）4.粘滯性好（表征液體光刻膠流動性的一個指標(biāo)，即粘度，單位用cps表示）5.粘附性好（指光刻膠與襯底表面的粘附性好）6.抗蝕性好（在后續(xù)刻蝕工藝中，光刻膠很好地保護(hù)襯底表面，膠的這種性質(zhì)稱為抗蝕性）7.顆粒少3.敏感度好（是指硅片表面光刻膠中產(chǎn)生良好圖形所需要的一定傳統(tǒng)的正性I線光刻膠溶解于顯影液的機(jī)理1.樹脂是懸浮于溶劑中的酚醛甲醛聚合物（線性酚醛樹脂）2.感光劑化合物作為強(qiáng)的溶解抑制劑（不溶解于顯影液）被加到線性酚醛樹脂中3.在曝光過程中，感光劑（通常為DNQ）發(fā)生光化學(xué)分解產(chǎn)生羧酸4.羧酸提高光刻膠曝光區(qū)域的線性酚醛樹脂的溶解度傳統(tǒng)的正性I線光刻膠溶解于顯影液的機(jī)理化學(xué)放大（CA）深紫外光刻膠常規(guī)的I線光刻膠體系的光吸收敏感性對于更短的DUV波長較差?；瘜W(xué)放大（CA）是通過采用含光酸產(chǎn)生劑（PAG）的感光劑，增加光刻膠的敏感性，增強(qiáng)光刻膠的光化學(xué)反應(yīng)?；瘜W(xué)放大（CA）深紫外光刻膠化學(xué)放大DUV光刻膠溶解于顯影液的機(jī)理1.具有保護(hù)團(tuán)的酚醛樹脂使之不溶于顯影液2.光酸產(chǎn)生劑在曝光時產(chǎn)生酸3.曝光區(qū)域產(chǎn)生的酸作為催化劑，在曝光后熱烘過程中移除樹脂保護(hù)團(tuán)4.不含保護(hù)團(tuán)的光刻膠曝光區(qū)域溶解于以水為主要成分的顯影液化學(xué)放大DUV光刻膠溶解于顯影液的機(jī)理涂膠工藝工藝目的：形成圖形轉(zhuǎn)移的模板。工藝方法：

1.滴膠

2.勻膠：轉(zhuǎn)速500rpm～700rpm3.旋轉(zhuǎn)：轉(zhuǎn)速3000rpm-5000rpm工藝要求：厚度：1.0μm左右均勻性：3％以內(nèi)涂膠工藝自動涂膠/顯影系統(tǒng)－涂膠模塊自動涂膠/顯影系統(tǒng)－涂膠模塊涂膠模塊剖面圖涂膠模塊剖面圖涂膠模塊示意圖涂膠模塊光刻膠旋轉(zhuǎn)速度曲線光刻膠旋轉(zhuǎn)速度曲線3.軟烘工藝目的：去除光刻膠中的溶劑以改善膠的粘附性、均勻性、抗蝕性，優(yōu)化膠的光吸收特性，緩解涂膠時產(chǎn)生的應(yīng)力。工藝方法：在溫度為100℃的熱板上烘60秒

3.軟烘涂膠/顯影系統(tǒng)設(shè)備（AIO-700型）涂膠/顯影系統(tǒng)設(shè)備（AIO-700型）涂膠/顯影系統(tǒng)設(shè)備（AIO-700型）涂膠/顯影系統(tǒng)設(shè)備（AIO-700型）涂膠/顯影系統(tǒng)設(shè)備（AIO-700型）涂膠/顯影系統(tǒng)設(shè)備（AIO-700型）涂膠/顯影系統(tǒng)設(shè)備（AIO-700型）涂膠/顯影系統(tǒng)設(shè)備（AIO-700型）涂膠/顯影系統(tǒng)設(shè)備（AIO-700型）涂膠/顯影系統(tǒng)設(shè)備（AIO-700型）涂膠/顯影系統(tǒng)設(shè)備（AIO-700型）涂膠/顯影系統(tǒng)設(shè)備（AIO-700型）涂膠/顯影系統(tǒng)設(shè)備（AIO-700型）涂膠/顯影系統(tǒng)設(shè)備（AIO-700型）涂膠/顯影系統(tǒng)設(shè)備（AIO-700型）涂膠/顯影系統(tǒng)設(shè)備（AIO-700型）涂膠/顯影系統(tǒng)設(shè)備從氣相成底膜到軟烘都在自動涂膠/顯影系統(tǒng)（也稱為涂膠/顯影軌道）上進(jìn)行。

涂膠/顯影系統(tǒng)涂膠/顯影系統(tǒng)設(shè)備涂膠/顯影系統(tǒng)4.對準(zhǔn)和曝光對準(zhǔn)曝光系統(tǒng)4.對準(zhǔn)和曝光對準(zhǔn)曝光系統(tǒng)組成

1.紫外光源

2.光學(xué)系統(tǒng)

3.投影掩膜版

4.對準(zhǔn)系統(tǒng)

5.載片臺對準(zhǔn)曝光系統(tǒng)組成對準(zhǔn)曝光系統(tǒng)示意圖對準(zhǔn)曝光對準(zhǔn)和曝光工藝目的：對準(zhǔn)和曝光是將掩膜板上的圖形通過鏡頭由紫外線傳遞到硅片表面光刻膠膜上,形成光敏感物質(zhì)在空間的精確分布，最終達(dá)到圖形精確轉(zhuǎn)移的目的。對準(zhǔn)和曝光工藝方法：

1.上掩膜版、硅片傳送

2.掩膜版對準(zhǔn)（RA

）：掩膜版標(biāo)記與光刻機(jī)基準(zhǔn)進(jìn)行激光對準(zhǔn)

3.硅片粗對準(zhǔn)（GA

）：掩膜版與硅片兩邊的標(biāo)記進(jìn)行激光對準(zhǔn)

4.硅片精對準(zhǔn)（FA

）：掩膜版與硅片圖形區(qū)域的標(biāo)記進(jìn)行激光對準(zhǔn)工藝方法：對準(zhǔn)標(biāo)記1.投影掩膜版的對位標(biāo)記(RA)：在版的左右兩側(cè)，RA與步進(jìn)光刻機(jī)上的基準(zhǔn)標(biāo)記對準(zhǔn)2.整場對準(zhǔn)標(biāo)記(GA):第一次曝光時被光刻在硅片左右兩邊，用于每個硅片的粗對準(zhǔn)3.精對準(zhǔn)標(biāo)記(FA)：每個場曝光時被光刻的，用于每個硅片曝光場和投影掩膜版的對準(zhǔn)

對準(zhǔn)標(biāo)記對準(zhǔn)標(biāo)記對準(zhǔn)標(biāo)記8張掩膜版及經(jīng)過8次對準(zhǔn)和曝光形成的CMOS器件結(jié)構(gòu)8張掩膜版及經(jīng)過8次對準(zhǔn)和曝光形成的CMOS器件結(jié)構(gòu)5.曝光后烘培（PEB）工藝目的：使曝光后的光敏感物質(zhì)在光刻膠內(nèi)部進(jìn)行一定的擴(kuò)散，可有效防止產(chǎn)生駐波效應(yīng)。工藝方法：在溫度為110℃的熱板烘60秒

5.曝光后烘培（PEB）6.顯影工藝目的：溶解硅片上曝光區(qū)域的膠膜，形成精密的光刻膠圖形。6.顯影工藝方法：

1.正膠顯影液：2.38%的四甲基氫氧化銨

TMAH噴淋顯影，轉(zhuǎn)速1000rpm～1500rpm2.去離子水噴淋定影，轉(zhuǎn)速1000rpm～1500r3.原位旋轉(zhuǎn)甩干工藝要求：均勻性：3％以內(nèi)工藝方法：顯影及顯影后的硅片圖形顯影及顯影后的硅片圖形7.堅(jiān)膜烘培工藝目的：使存留在光刻膠中的溶劑徹底揮發(fā)，提高光刻膠的粘附性和抗蝕性。這一步是穩(wěn)固光刻膠，對下一步的刻蝕或離子注入過程非常重要。工藝方法：在溫度為140℃的熱板烘60秒注：從曝光后烘培到堅(jiān)膜烘培在自動涂膠/顯影系統(tǒng)上進(jìn)行7.堅(jiān)膜烘培8.顯影檢查8.顯影檢查8.顯影檢查光刻膠和襯底折射率不匹配，抗反射膜（ARC）類型不匹配光刻膠和襯底酸堿不平衡光刻膠頂部受到過多的顯影8.顯影檢查8.顯影檢查空氣中氨分子（堿性）與膠表面光酸分子中和膠的光吸收不均勻，底部少頂部多膠同襯底的粘附性不好或HMDS處理不良8.顯影檢查膠同襯底的粘附性不好或HMDS處理不良5.3光學(xué)光刻光刻對光源的要求

光的能量能滿足激活光刻膠，成功實(shí)現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移的要求。光刻典型的曝光光源是紫外（UVultraviolet）光源以及深紫外（DUV）光源、極紫外（EUV）光源。5.3光學(xué)光刻光刻對光源的要求光譜光譜曝光光源的光譜曝光光源的光譜曝光光源最常用的兩種紫外光源

1.高壓汞燈

2.準(zhǔn)分子激光（如ArF）高強(qiáng)度汞燈的發(fā)射光譜（產(chǎn)生DUV248nm，不能用汞燈，而用準(zhǔn)分子激光）曝光光源高強(qiáng)度汞燈的發(fā)射光譜高強(qiáng)度汞燈的發(fā)射光譜光學(xué)光的反射光的折射光線從一種透明介質(zhì)進(jìn)入另一種透明介質(zhì)時，發(fā)生的方向改變，這種現(xiàn)象稱為折射光學(xué)光的衍射

當(dāng)光穿過一個小孔或經(jīng)過一個輪廓分明的邊緣時，沿小孔邊緣產(chǎn)生了干涉圖形，結(jié)果得到了一個模糊的圖像，這種現(xiàn)象稱為衍射。光的衍射透鏡

透鏡是一種光學(xué)元件，來自物體的光并通過它折射形成物體的像。透鏡透鏡光學(xué)系統(tǒng)第五章：光刻ppt課件數(shù)值孔徑（NA）

透鏡能夠把一些衍射光會聚到一點(diǎn)成像，把透鏡收集衍射光的能力稱為透鏡的數(shù)值孔徑。（通常UV光通過掩膜版上的特征尺寸小孔會發(fā)生衍射現(xiàn)象）數(shù)值孔徑（NA）NA＝（n）Sinθm≈（n）×透鏡半徑/透鏡焦長

n為圖像介質(zhì)的折射率，θm為主光軸與透鏡邊緣光線的最大夾角。透鏡半徑越大數(shù)值孔徑越大成像效果越好。但受到鏡頭成本的限制。分步重復(fù)光刻機(jī)和步進(jìn)掃描光刻機(jī)的NA都能做到0.60～0.68的水平NA＝（n）Sinθm≈（n）×透鏡半徑/透鏡焦長數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑分辨率（R）分辨率是將硅片上兩個相鄰的特征尺寸（或關(guān)鍵尺寸）光刻膠圖形區(qū)分開的能力。分辨率是光刻中一個重要的性能指標(biāo)。

k為工藝因子，范圍是0.6～0.8，λ為光源的波長NA為曝光系統(tǒng)的數(shù)值孔徑

要提高曝光系統(tǒng)的分辨率即減小特征尺寸，就要降低紫外光的波長λ

分辨率（R）圖中分辨率為0.25μm圖中分辨率為0.25μm焦深（DOF）焦深是焦點(diǎn)上下的一個范圍，在這個范圍內(nèi)圖像連續(xù)保持清晰。焦深類似照相的景深，集成電路光刻中的景深很小，一般在1.0μm左右。焦深（DOF）焦深焦深從焦深公式中看出提高分辨率降低了焦深，兩個參數(shù)互相制約。分辨率和焦深是現(xiàn)代分步重復(fù)光刻機(jī)或步進(jìn)掃描光刻機(jī)非常重要的參數(shù)從焦深公式中看出提高分辨率降低了焦深，兩個參數(shù)互相制約。數(shù)值孔徑和焦深的關(guān)系數(shù)值孔徑和焦深的關(guān)系套準(zhǔn)精度套準(zhǔn)精度是掩膜版上的圖形與硅片上的圖形的對準(zhǔn)程度。根據(jù)光刻的要求，版上的圖形與片上圖形要精確對準(zhǔn)。套準(zhǔn)精度也是光刻中一個重要的性能指標(biāo)。套準(zhǔn)精度一般是特征尺寸的1/5~1/4套準(zhǔn)精度套準(zhǔn)精度套準(zhǔn)精度光刻工藝中的套刻環(huán)節(jié)光刻工藝中的套刻環(huán)節(jié)最大曝光場最大曝光場駐波效應(yīng)入射光和反射光發(fā)生干涉并引起光刻膠在厚度方向上的不均勻曝光，這種現(xiàn)象稱為駐波效應(yīng)。駐波效應(yīng)降低了光刻膠成像的分辨率。深紫外光刻膠由于反射嚴(yán)重駐波效應(yīng)嚴(yán)重。駐波效應(yīng)光刻膠中的駐波效應(yīng)駐波效應(yīng)降低了光刻膠成像的分辨率，影響線寬的控制。光刻膠中的駐波效應(yīng)駐波效應(yīng)降低了光刻膠成像的分辨率，影響線寬光刻膠中的駐波效應(yīng)光刻膠中的駐波效應(yīng)駐波與抗反射涂層

當(dāng)光刻膠下面的底層是反光的襯底（如金屬和多晶），光線將從襯底反射并可能損害臨近未曝光的光刻膠，這種反射現(xiàn)象會造成反射切入。在反光襯底上增加一層抗反射涂層（如TiN）可消除反射切入和駐波現(xiàn)象。駐波與抗反射涂層駐波與抗反射涂層來自曝光區(qū)的光被圓片高低形貌反射，被不曝光區(qū)域的光刻膠吸收駐波與抗反射涂層來自曝光區(qū)的光被圓片高低形貌反射，被不曝光區(qū)高低形貌反射造成底部切入高低形貌反射造成底部切入5.4光刻設(shè)備光刻機(jī)分類光刻機(jī)類型按照曝光進(jìn)行方式分為：接觸式(Contact)，接近式(Proximity)，掃描式(Scan)，步進(jìn)式(Stepping)，步進(jìn)-掃描式(StepandScan)按照工作波長分為：

g-line(435nm),i-line(365nm),KrF(248nm),ArF(193nm),和將來的EUV(13.5nm)5.4光刻設(shè)備光刻機(jī)分類按照工作平臺的個數(shù)分為：單平臺，雙平臺(ASMLTwinscan)，串列平臺(NikonNSR-S610C)按照一次曝光的區(qū)域(ExposureField)大小分為：迷你(Mini)，全尺寸(FullField,26mmx33mm)按照縮小比例(ReductionRatio)分為：10倍、5倍、4倍和1倍按照工作平臺的個數(shù)分為：

不同時代的五種光刻機(jī)

1.接觸式光刻機(jī)－20世紀(jì)70年代，特征尺寸≥5μm2.接近式光刻機(jī)－20世紀(jì)70年代，特征尺寸≥2μm3.掃描式光刻機(jī)－20世紀(jì)80年代初，特征尺寸≥1μm4.步進(jìn)式光刻機(jī)－20世紀(jì)80年代后，亞/深亞微米

5.步進(jìn)掃描式光刻機(jī)－20世紀(jì)90年代，亞/深亞微米不同時代的五種光刻機(jī)接觸式光刻機(jī)和接近式光刻機(jī)接觸式光刻機(jī)和接近式光刻機(jī)

接觸式光刻機(jī)和接近式光刻機(jī)的特點(diǎn)

1.版上圖形與片上圖形1：12.人工對準(zhǔn)

3.版與光刻膠直接接觸浪費(fèi)版光刻圖形缺陷多接近式好些

4.特征尺寸≥5μm，2μm（接近式）

5.目前大尺寸功率器件的光刻還使用它。

接觸式光刻機(jī)和接近式光刻機(jī)的特點(diǎn)掃描式光刻機(jī)掃描式光刻機(jī)

掃描式光刻機(jī)的特點(diǎn)

1.版上圖形與片上圖形1：12.人工對準(zhǔn)

3.版與光刻膠不接觸節(jié)省版光刻圖形缺陷少

4.特征尺寸≥1μm掃描式光刻機(jī)的特點(diǎn)步進(jìn)式光刻機(jī)NSR2005i9c型

NIKON光刻機(jī)步進(jìn)式光刻機(jī)NSR2005i9c型步進(jìn)式光刻系統(tǒng)步進(jìn)式光刻系統(tǒng)

步進(jìn)式光刻機(jī)的特點(diǎn)

1.版上圖形與片上圖形5：1（即縮小倍率5：1）掩膜版制造更容易更精確

2.機(jī)器自動對準(zhǔn)

3.光刻精度高，特征尺寸：亞/深亞微米

4.對硅片的平整度和幾何形狀變化的補(bǔ)償較容易

步進(jìn)式光刻機(jī)的特點(diǎn)5.為提高硅片處理速度，鏡頭尺寸大、曝光區(qū)域大，造成像差大，圖像畸變6.如今國內(nèi)外工藝線均使用步進(jìn)式光刻機(jī)（日本NIKON公司、佳能公司生產(chǎn)）7.造價(jià)高，一臺0.25μm新的步進(jìn)式光刻機(jī)

1000多萬人民幣5.為提高硅片處理速度，鏡頭尺寸大、曝光序號性能參數(shù)參數(shù)要求1分辨率0.45μm2焦深≥0.7μm3套刻精度≤110nm4最大曝光面積20X20mm2

5曝光光強(qiáng)≥600mw/cm2NSR2005i9c型NIKO