集成電路制造工藝

--光刻工藝的基本原理光刻膠第三章光刻工藝光刻的工藝流程本章要點(diǎn)先進(jìn)光刻工藝介紹光刻工藝的基本原理光刻膠第三章光刻工藝光刻的工藝流程本章要點(diǎn)先進(jìn)光刻工藝介紹光刻工藝的基本原理§3.1光刻工藝的基本原理一、光刻的重要性光刻工藝是一種非常精細(xì)的表面加工技術(shù)，器件的橫向尺寸控制幾乎全由光刻來實(shí)現(xiàn)。因此，光刻的精度和質(zhì)量將直接影響器件的性能指標(biāo)，同時(shí)它們也是影響器件成品率和可靠性的重要因素。光刻工藝常被認(rèn)為是集成電路生產(chǎn)制造中最為關(guān)鍵和重要的步驟，需要高性能以便結(jié)合其他工藝獲得高成品率。§3.1光刻工藝的基本原理光刻的定義：

光刻是一種圖像復(fù)印和刻蝕技術(shù)相結(jié)合的精密表面加工技術(shù)。光刻是利用光刻膠的感光性和抗蝕性，首先通過光化學(xué)反應(yīng)，將掩膜版上的電路圖形暫時(shí)轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體晶圓表面涂覆的光刻膠上，然后以光刻膠為抗蝕層，對(duì)下方薄膜材料進(jìn)行選擇性刻蝕，最終在半導(dǎo)體晶圓的薄膜層上獲得與掩膜版相同或相反的圖形。對(duì)位曝光顯影刻蝕去膠掩膜版光刻膠薄膜紫外光源二、光刻的定義第一次圖形轉(zhuǎn)移圖像復(fù)印技術(shù)第二次圖形轉(zhuǎn)移刻蝕技術(shù)三、光刻的任務(wù)完成兩次圖形的轉(zhuǎn)移：第一次通過圖像復(fù)印技術(shù)，把掩模版的圖像復(fù)印到光刻膠上；第二次利用刻蝕技術(shù)把光刻膠的圖像傳遞到薄膜層上，最終得到與掩膜版相對(duì)應(yīng)的幾何圖形?！?.1光刻工藝的基本原理光刻膠掩膜版的圖像薄膜層光刻膠的圖像§3.1光刻工藝的基本原理四、光刻工藝的三要素光刻膠掩模版曝光機(jī)謝謝！集成電路制造工藝

--光刻膠單位：江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院微電子教研室光刻膠第三章光刻工藝光刻的工藝流程本章要點(diǎn)先進(jìn)光刻工藝介紹光刻工藝的基本原理光刻膠第三章光刻工藝光刻的工藝流程本章要點(diǎn)先進(jìn)光刻工藝介紹光刻工藝的基本原理§3.2光刻膠一、光刻膠簡(jiǎn)介光刻膠，又稱光致抗蝕劑，是由高分子聚合物（即感光劑）、溶劑和其他添加劑按一定比例配制而成。光刻工藝的原理是利用光刻膠在曝光前后溶解性的變化，即光刻膠具有光化學(xué)敏感性。按照光刻膠感光前后溶解性變化的不同，可以把光刻膠分成兩大類，正性光刻膠和負(fù)性光刻膠。簡(jiǎn)稱正膠和負(fù)膠?！?.2光刻膠二、光刻膠的主要性能指標(biāo)光刻膠的技術(shù)參數(shù)，主要包括：靈敏度、分辨率、黏附性、抗蝕性等。靈敏度(Sensitivity)靈敏度，又稱感光度，是表征光刻膠對(duì)光線敏感程度的性能指標(biāo)。光刻膠的靈敏度越高，曝光過程越快。應(yīng)當(dāng)注意只有某一波長(zhǎng)范圍的光線才能使光刻膠發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，也就是在這一波長(zhǎng)范圍才有最大靈敏度。S=K/ES：靈敏度K：常數(shù)E：曝光量曝光量是光照度和曝光時(shí)間的乘積靈敏度的測(cè)量方法§3.2光刻膠二、光刻膠的主要性能指標(biāo)分辨率(Resolution)分辨率，是指能在光刻膠上得到的最小特征尺寸，也就是關(guān)鍵尺寸CD。分辨率是表征半導(dǎo)體工藝發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一，其對(duì)曝光設(shè)備和光刻膠自身工藝有很強(qiáng)的依賴性?！?.2光刻膠二、光刻膠的主要性能指標(biāo)黏附性(Adherence)黏附性，是指光刻膠與襯底之間黏附的牢固程度。光刻膠的黏附性不足，會(huì)導(dǎo)致硅片表面的圖形變形，直接影響光刻的質(zhì)量。影響?zhàn)じ叫缘囊蛩兀汗饪棠z本身的性質(zhì)，襯底的性質(zhì)和表面狀態(tài)（如親水性、疏水性），以及光刻的工藝條件等。離子徙動(dòng)法測(cè)量黏附力§3.2光刻膠二、光刻膠的主要性能指標(biāo)對(duì)比度(Contrast)對(duì)比度，是指光刻膠從曝光區(qū)到非曝光區(qū)過渡的陡度。對(duì)比度越好，形成圖形的側(cè)壁越陡峭，分辨率越好。對(duì)比度差的形貌對(duì)比度較好的形貌§3.2光刻膠二、光刻膠的主要性能指標(biāo)表面張力(SurfaceTension)表面張力，是指液體中將表面分子拉向液體主體內(nèi)的分子間吸引力。光刻膠應(yīng)該具有比較小的表面張力，使光刻膠具有良好的流動(dòng)性和覆蓋能力。§3.2光刻膠三、正性光刻膠正膠重點(diǎn)掌握不溶性經(jīng)曝光可溶性正性光刻膠定義：經(jīng)曝光過的區(qū)域被溶解，而未曝光的區(qū)域被保留的一類光刻膠，稱之為正性光刻膠。由于正性光刻膠的分辨率較高，因此在集成電路制造中的應(yīng)用非常廣泛。鄰疊氮萘醌類感光機(jī)理鄰疊氮萘醌類化合物經(jīng)紫外光照射后，分解釋放出氮?dú)?，同時(shí)分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行重排，產(chǎn)生環(huán)的收縮作用，再經(jīng)水解生成羰酸衍生物，成為能溶于堿性溶液的物質(zhì)，從而顯示圖形。三、正性光刻膠目前最常用的正性光刻膠是重氮醌類化合物，稱為DQN。四、負(fù)性光刻膠§3.2光刻膠負(fù)性光刻膠定義：經(jīng)曝光過的區(qū)域被保留，而未曝光的區(qū)域被溶解的一類光刻膠，稱之為負(fù)性光刻膠。負(fù)性光刻膠是最早使用的光刻膠，由于光刻后在薄膜上得到的圖形與掩膜版的圖形相反，故而稱為負(fù)膠。對(duì)位曝光顯影刻蝕去膠掩膜版光刻膠薄膜紫外光源四、負(fù)性光刻膠負(fù)性光刻膠主要有兩類：聚肉桂酸脂類和環(huán)化橡膠類。典型的聚乙烯醇肉桂酸酯（KPR膠）的感光機(jī)理KPR膠的特點(diǎn)是，在紫外光的作用下，肉桂酰基官能團(tuán)里的碳碳雙鍵發(fā)生二次聚合反應(yīng)，引起聚合物分子間的交聯(lián)，線狀結(jié)構(gòu)變成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增加了強(qiáng)度，降低了聚合物在常用溶劑中的溶解能力。負(fù)膠重點(diǎn)掌握可溶性經(jīng)曝光不溶性§3.2光刻膠四、正膠和負(fù)膠的性能比較負(fù)膠正膠優(yōu)點(diǎn)具有較好的靈敏度有更高的光刻分辨率對(duì)硅片有良好的黏附性和對(duì)刻蝕有良好的阻擋性有較強(qiáng)的抗干法刻蝕能力缺點(diǎn)成本低，適合大批量生產(chǎn)對(duì)硅片的黏附性較差顯影易膨脹，分辨率較低，不能用于深亞微米以下的工藝成本較高掩膜版與光刻膠之間的關(guān)系謝謝！集成電路制造工藝

--光刻工藝的基本流程單位：江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院微電子教研室光刻膠第三章光刻工藝光刻的工藝流程本章要點(diǎn)先進(jìn)光刻工藝介紹光刻工藝的基本原理光刻膠第三章光刻工藝光刻的工藝流程本章要點(diǎn)先進(jìn)光刻工藝介紹光刻工藝的基本原理§3.3光刻的工藝流程后烘、刻蝕去膠對(duì)位曝光光源涂膠、前烘顯影負(fù)膠正膠整個(gè)圖形制備的工藝流程核心：涂膠前烘曝光顯影后烘一、光刻工藝流程1.涂膠前的預(yù)處理：檢查硅片表面的清潔度檢查硅片表面的性質(zhì)----接觸角檢查硅片的平面度高溫烘焙增粘劑處理六甲基二硅胺烷（HMDS)增粘劑—蒸汽法涂布θ

鄰氨基酚（OAP）增粘劑-蒸汽法涂布二、涂膠2.涂膠的方法-----旋涂法片架到片架的涂膠法送片未涂膠片架傳感器感知有無硅片滴膠涂布前烘有無送片送片真空泵（1）將硅片上覆蓋的光刻膠溶劑去除（2）增強(qiáng)光刻膠的粘附性以便在顯影時(shí)光刻膠可以很好地粘附（3）緩和在旋轉(zhuǎn)過程中光刻膠膜內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力三、前烘（軟烘）1.前烘的目的：2.前烘的方法烘箱：設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，但溶劑揮發(fā)不夠充分，且設(shè)備易對(duì)操作人員造成傷害紅外光：利用硅片對(duì)紅外光透明的原理，光線從底部照射，有利于溶劑的充分揮發(fā)熱板：從硅片底部開始加熱，有利于溶劑揮發(fā)，且設(shè)備簡(jiǎn)單，是普遍采用的方法烘膠臺(tái)3.前烘的質(zhì)量控制溶劑揮發(fā)不充分，影響光化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生前烘不足發(fā)生熱交聯(lián)、膠膜翹曲、膠膜碳化前烘過度前烘時(shí)關(guān)鍵控制好前烘的溫度和時(shí)間一般工藝條件：60-100°C,時(shí)間1-2min(1)對(duì)準(zhǔn)是什么？1.對(duì)準(zhǔn)：四、對(duì)準(zhǔn)和曝光對(duì)準(zhǔn)就是確定硅片上圖形的位置、方向和變形的過程，利用這些數(shù)據(jù)與掩膜圖形建立起正確的關(guān)系。為什么要對(duì)準(zhǔn)？通過對(duì)準(zhǔn)，把掩膜版的圖形準(zhǔn)確地通過紫外光投影到硅片表面的光刻膠上，是集成電路具有相應(yīng)功能的必要前提。（3）對(duì)準(zhǔn)的指標(biāo)：套準(zhǔn)精度，測(cè)量對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)把版圖套準(zhǔn)到硅片上圖形的能力。具體是指要形成的圖形層與前層的最大相對(duì)位移。一般而言大約是關(guān)鍵尺寸的三分之一。套準(zhǔn)容差+Y-Y+X-X+Y-Y+X-X完美的套準(zhǔn)精度套準(zhǔn)偏移-Y2.曝光光源：常規(guī)光學(xué)光刻所用的光源為紫外光，目前主要有汞燈和準(zhǔn)分子激光來產(chǎn)生紫外光UV光波長(zhǎng)(nm)描述符CD分辨率(μm)436g0.5405h0.4365i0.35248深紫外0.253.曝光方式：接觸式曝光光源掩膜版硅片光刻膠透鏡特點(diǎn)：由于掩膜版與光刻膠緊密接觸，無衍射效應(yīng)，分辨率高，但有塵埃粒子會(huì)造成硅片與掩膜版的損傷光刻膠透鏡接近式曝光光源掩膜版硅片特點(diǎn)：由于掩膜版浮在圓片表面，不存在任何接觸，掩膜版壽命長(zhǎng)，但由于有間隙，分辨率下降。既有接觸式光刻的分辨率，又不會(huì)產(chǎn)生缺陷。投影曝光：掃描投影曝光步進(jìn)（step)投影曝光步進(jìn)掃描投影曝光特點(diǎn)：4.曝光控制：曝光過程中要嚴(yán)格控制曝光量。分辨率能精確轉(zhuǎn)移到晶片表面抗蝕劑上圖案的最小尺寸套準(zhǔn)精度后續(xù)掩膜版與先前掩膜版刻在硅片上的圖形互相對(duì)準(zhǔn)的程度產(chǎn)率對(duì)一給定的掩膜，每小時(shí)能曝光完成的晶片的數(shù)量曝光后的光刻膠結(jié)構(gòu)重新排列，使駐波的影響減輕。烘焙溫度：110℃到130℃烘焙時(shí)間：1到2分鐘五、曝光后的烘焙顯影液負(fù)膠：二甲苯溶劑正膠：四甲基氫氧化銨（TMAH)有機(jī)溶劑使有機(jī)的光刻膠易產(chǎn)生溶漲現(xiàn)象

水性顯影液不會(huì)使光刻膠產(chǎn)生溶漲現(xiàn)象，僅需去離子水沖洗顯影方式連續(xù)噴霧顯影旋覆浸沒式顯影六、顯影目的：利用化學(xué)顯影液把通過曝光后可溶性光刻膠溶解掉，從而把掩膜版的圖形準(zhǔn)確復(fù)制到光刻膠中。顯影參數(shù)顯影溫度：15℃到25℃顯影時(shí)間：在線溶解率檢測(cè)（DRM)顯影液量：顯影不足或清洗不適當(dāng)硅片

表面就會(huì)有光刻膠殘膜負(fù)膠的漂洗：在顯影時(shí)有溶脹現(xiàn)象,在漂洗時(shí)能夠使圖形收縮,有助于提高圖形質(zhì)量。通常采用醋酸丁酯或?qū)Ｓ闷匆哼M(jìn)行漂洗。顯影中的三個(gè)主要問題：顯影不足、不完全顯影、過顯影目的：蒸發(fā)掉剩余的溶劑，使光刻膠變硬，提高光刻膠與襯底的粘附性。溫度正膠：130℃負(fù)膠：150℃七、堅(jiān)膜謝謝！集成電路制造工藝

--先進(jìn)的光刻工藝單位：江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院微電子教研室光刻膠第三章光刻工藝光刻的工藝流程本章要點(diǎn)先進(jìn)光刻工藝介紹光刻工藝的基本原理光刻膠第三章光刻工藝光刻的工藝流程本章要點(diǎn)先進(jìn)光刻工藝介紹光刻工藝的基本原理判斷光刻工藝是否具有生命力的三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：分辨率、套準(zhǔn)精度、產(chǎn)出率，其中分辨率是關(guān)鍵圖形最小線寬與曝光光源波長(zhǎng)、間距之間的關(guān)系:Wmin為最小線寬K是取決于光刻工藝條件的的一個(gè)常數(shù)是入射光的波長(zhǎng)g是掩膜版與硅片之間的間隙從公式看出，要使Wmin減小，可以減小k、λ或g,但k的典型值接近1，g如果減小，會(huì)增加接觸的風(fēng)險(xiǎn)，更有吸引力的方法是減小波長(zhǎng)λ§3.4先進(jìn)光刻工藝介紹遠(yuǎn)紫外線光刻是建立在光學(xué)光刻技術(shù)基礎(chǔ)上，使用激光產(chǎn)生等離子源，產(chǎn)生約13nm的紫外波長(zhǎng)，這種光源工作在真空環(huán)境下以產(chǎn)生極外射線，由光學(xué)聚焦成光束經(jīng)投影掩膜版反射掃描硅片。目前光刻圖形的精度可達(dá)到30nm.EUV掩膜示意圖一、極紫外線EUV曝光紫外光譜圖目前深紫外線光刻采用１９３nm和２４８nm的譜線1.電子束曝光的原理與種類電子束掃描曝光電子束投影曝光矢量掃描曝光光柵掃描曝光種類

(a)矢量掃描系統(tǒng)(b)光柵掃描系統(tǒng)電子束掃描原理：利用電子槍發(fā)射具有一定能量的電子并聚焦成電子束，打在光刻膠上，使光刻膠發(fā)生反應(yīng)，改變?nèi)芙舛?，完成曝光。二、電子束光?.電子束光刻膠PMMA系列，ZEP系列，HSQ系列，SAL系列2.X射線光源：1.X射線曝光的原理X射線曝光系統(tǒng)圖陰極靶電子束X射線真空室s真空窗口掩模版襯底薄膜光刻膠靶：鈀（Pd）X射線作為光源，透過X射線掩膜，X射線抗蝕劑上，抗蝕劑吸收X射線后,逐出二次電子,二次電子使得抗蝕劑鏈斷裂(正性)或交聯(lián)(負(fù)性)，從而實(shí)現(xiàn)光刻。420A即軟X射線區(qū)，利用高能電子束轟擊靶。三、X射線光刻3.X射線掩膜版基體材料：必須對(duì)X射線透明，用SiC掩模材料：必須對(duì)X射線很好地吸收，一般用Au

X射線掩膜版基體材料掩模材料4.X射線光刻膠電子束抗蝕劑1.利用透鏡減少衍射k1表示系統(tǒng)常數(shù)，λ是光的波長(zhǎng)，NA=2r0/D是數(shù)值孔徑，表示透鏡聚集折射光的能力。D是光刻版與透鏡間的距離，2r0表示透鏡的直徑四、分辨率增強(qiáng)技術(shù)2.移相掩膜技術(shù)移相掩膜的光強(qiáng)分布

在光掩膜的某些透明圖形上增加或減少一個(gè)透明的介質(zhì)層，使光波通過這個(gè)介質(zhì)層后產(chǎn)生180的相位差，與鄰近透明