1、第八章 基本光刻工藝流程,光刻的目的和意義第四章已做過(guò)簡(jiǎn)單的描述，這一章主要介紹基本光刻工藝中的表面準(zhǔn)備至曝光的工藝步驟及光刻膠的特性。 8.1 簡(jiǎn)介 光刻工藝首先是 在晶園表面建立盡可 能接近設(shè)計(jì)規(guī)則中所 要求尺寸的圖形，其 次是在晶園表面正確 定位圖形。,因?yàn)樽罱K的圖形是用多個(gè)掩膜版按照特定的順序在晶園表面一層一層疊加建立起來(lái)的。圖形定位的要求就好像是一幢建筑物每一 層之間所要求的正確對(duì)準(zhǔn)。如 果每一次的定位不準(zhǔn)，將會(huì)導(dǎo) 致整個(gè)電路失效。除了對(duì)特征 圖形尺寸和圖形對(duì)準(zhǔn)的控制， 在工藝過(guò)程中的缺陷水平的控 制也同樣是非常重要的。光刻 操作步驟的數(shù)目之多和光刻工 藝層的數(shù)量之大，所以光刻工 藝

2、是一個(gè)主要的缺陷來(lái)源。,8.2 光刻蝕工藝概況 光刻蝕是一種多步驟的圖形轉(zhuǎn)移過(guò)程，首先是在掩膜版上形成所需要的圖形，之后通過(guò)光刻工藝把所需要的圖形轉(zhuǎn)移到晶園表面的每一層。 圖形轉(zhuǎn)移通過(guò)兩步完成。首先，圖形被轉(zhuǎn)移到光刻膠層。光刻膠經(jīng)過(guò)曝光后自身性質(zhì)和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化（由原來(lái)的可溶性物質(zhì)變?yōu)榉强扇苄晕镔|(zhì)，或者相反）。再通過(guò)化學(xué)溶劑（顯影劑）把可以溶解的部分去掉，在光刻層下就會(huì)留下一個(gè)孔，而這個(gè)孔就是和掩膜版不透光的部分相對(duì)應(yīng)。,其次，把圖形從光刻膠層轉(zhuǎn)移到晶園上。這一步是通過(guò)不同的刻蝕方法把晶園上沒(méi)有被光刻膠保護(hù)的部分的薄膜層去掉。這時(shí)圖形轉(zhuǎn)移就徹底完成了。如圖所示。,如果掩膜版的圖形是由不透光的區(qū)域

3、決定的，稱其為亮場(chǎng)掩膜版；而在一個(gè)暗場(chǎng)掩膜版中，掩膜版上的圖形是用相反的方式編碼的，如果按照同樣的步驟，就會(huì)在晶園表面留下凸起的圖形。 暗場(chǎng)掩膜版主要用來(lái)制作反刻金屬互聯(lián)線。,剛才介紹了對(duì)光有負(fù)效應(yīng)的光刻膠，稱為負(fù)性膠。同樣還有對(duì)光有正效應(yīng)的光刻膠，稱為正膠。用正性膠和亮場(chǎng)掩膜版在晶園表面建立凸起圖形的情況如圖8.7所示。 右圖顯示了用不同極 性的掩膜版和不同極 性的光刻膠相結(jié)合而 產(chǎn)生的結(jié)果。通常是 根據(jù)尺寸控制的要求 和缺陷保護(hù)的要求來(lái) 選擇光刻膠和掩膜版 極性的。,8.3 光刻10步法 把圖形從掩膜版上轉(zhuǎn)移到晶園表面是由多個(gè)步驟完成的（見(jiàn)圖8.9），特征圖形尺寸、對(duì)準(zhǔn)精度、晶園表面情況和

4、光刻層數(shù)都會(huì)影響到特定光刻工藝的難以程度。雖然許多光刻工藝都不盡相同，但大部分都是基于光刻10步法的變異或選項(xiàng)。所以了解和掌握基本的光刻10步法是非常必要的。 8.4 光刻膠 光刻膠是光刻工藝的核心，光刻過(guò)程中的所有操作都會(huì)根據(jù)特定的光刻膠性質(zhì)和想達(dá)到的預(yù)期結(jié)果而進(jìn)行微調(diào)。光刻膠的選擇和光刻工藝的研發(fā)是一個(gè)非常漫長(zhǎng)的過(guò)程。,8.4.1 光刻膠的組成 光刻膠由4種 成分組成： 聚合物 溶劑 感光劑 添加劑,聚合物 聚合物是由一組大而且重的分子組成，包括碳、氫和癢。對(duì)負(fù)性膠，聚合物曝光后會(huì)由非聚合狀態(tài)變?yōu)榫酆蠣顟B(tài)。在大多數(shù)負(fù)性膠里面，聚合物是聚異戊二烯類型。是一種相互粘結(jié)的物質(zhì)抗刻蝕的物質(zhì)，如圖所

5、示。,正性膠的基本聚合物是苯酚甲醛聚合物，也稱為苯酚甲醛樹(shù)脂。如圖所示。 在光刻膠中聚合物是相對(duì)不可溶的，用適當(dāng)能量的光照后變成可溶狀態(tài)。這種反應(yīng)稱為光溶解反應(yīng)。,下表列出了用在光刻膠產(chǎn)品上的聚合物，正膠和負(fù)膠相對(duì)的有點(diǎn)。,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(guò)旋轉(zhuǎn)的方法涂在晶園表面。 感光劑 光刻膠中的感光劑是用來(lái)產(chǎn)生或者控制聚合物的特定反應(yīng)。如果聚合物中不添加感光劑，那么它對(duì)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(yīng)光的光譜范圍，或者把反應(yīng)光限制在某一波長(zhǎng)的光。,添加劑 光刻膠中的添加劑主要在光刻膠

6、薄膜中用來(lái)吸收和控制光線，可以阻止光刻膠沒(méi)有被曝光的部分在顯影過(guò)程中被溶解。 8.5 光刻膠的表現(xiàn)要素 對(duì)光刻膠的要求包括一下幾個(gè)方面： 分辨率 在光刻膠層能夠產(chǎn)生的最小圖形通常被作為對(duì)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(jié)構(gòu)、性質(zhì)有關(guān)，還與特定的工藝有關(guān)，比如：曝光光源、顯影工藝等。,粘結(jié)能力 光刻膠與襯底膜層（SiO2、Al等）的粘結(jié)能力直接影響光刻的質(zhì)量。不同的襯底表面，光刻膠的粘結(jié)能力是不同的。負(fù)性膠通常比正性膠有更強(qiáng)的粘結(jié)能力。 曝光速度 靈敏性和曝光源 光刻膠的感光靈敏度反應(yīng)了光刻膠感光所必須的照射量，而照射量正比于光的強(qiáng)度和感光時(shí)間。光強(qiáng)度是和光源

7、特定的波長(zhǎng)有關(guān)系。不同光源（射線）對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)如下圖所示。 波長(zhǎng)越短的光源（射線）能量越高。,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(gè)參數(shù)，使通過(guò)能夠使基本的反應(yīng)開(kāi)始所需要的能量總和來(lái)衡量的，它的單位是mJ/平方厘米 負(fù)性膠通常的曝光時(shí)間是515秒，而正性膠則需要用上34倍的時(shí)間。,工藝寬容度 整個(gè)光刻過(guò)程步驟之多，而且每一步驟都會(huì)影響最終的圖形尺寸， 另外每一工藝步驟都有它的內(nèi)部變異。不同的光刻膠對(duì)工藝變異的容忍性都不一樣。那么，容忍性越高，在晶園表面達(dá)到所需要尺寸的可能性就越大，或者說(shuō)工藝的寬容度就越大。 針孔 所謂針孔是指光刻膠層中尺寸非常

8、小的空穴。可以是涂膠工藝中由環(huán)境中的微粒污染物造成的，也可以由光刻膠層結(jié)構(gòu)上的空穴造成。針孔是有害的，因?yàn)樗梢栽试S刻蝕劑滲過(guò)光刻膠層進(jìn)而在晶園表面層刻蝕除小孔。,階梯覆蓋度 隨著晶園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。,8.6 正膠和負(fù)膠的比較 在工藝發(fā)展的早期，負(fù)膠一直在光刻工藝中占主導(dǎo)地位，隨著VLSI IC和25微米圖形尺寸的出現(xiàn)，負(fù)膠已不能滿足要求。隨后出現(xiàn)了正膠，但正膠的缺點(diǎn)是粘結(jié)能力差。 用正膠需要改變掩膜版的極性，這并不是簡(jiǎn)單的圖形翻轉(zhuǎn)。因?yàn)橛醚谀ぐ婧蛢煞N不同光刻膠結(jié)合，在晶園表面光刻得到的尺寸是不一樣的（

9、見(jiàn)下圖）由于光在圖形周圍的衍射效應(yīng)，使得用負(fù)膠和亮場(chǎng)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(chǎng)掩膜版組合會(huì)使光刻膠層上的圖形尺寸變大。,（a）亮場(chǎng)掩膜版和負(fù)膠組合 圖形尺寸變小 （b）暗場(chǎng)掩膜版和正膠組合 圖形尺寸變大,用正膠和暗場(chǎng)掩膜版組合還可以在晶園表面得到附加的針孔保護(hù)。如果是亮場(chǎng)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(huì)影響光刻質(zhì)量，若是暗場(chǎng)掩膜版則可以避免上述缺陷的產(chǎn)生，如圖所示。,正膠成本比負(fù)膠高，但良品率高； 負(fù)膠所用的顯影劑容易得到，顯影過(guò)程中圖形尺寸相對(duì)穩(wěn)定。 對(duì)于要求高的制作工藝選擇正膠，而對(duì)于那些圖形尺寸大于2微米的工

10、藝還是選擇負(fù)膠。圖8.21顯示了兩種類型光刻膠屬性的比較。,8.8 光刻工藝 這一節(jié)將介紹基本的光刻工藝10步法，包括每一步的目的、技術(shù)考慮、選項(xiàng)和工藝控制方法等。 8.9 表面準(zhǔn)備 為確保光刻膠能和晶園表面很好粘結(jié)，必須進(jìn)行表面處理，包括三個(gè)階段：微粒清除、脫水和涂底膠。 微粒清除 雖然光刻前的每一步工藝（氧化、摻雜等）都是在清潔區(qū)域完成的，但晶園表面有可能吸附一些顆粒狀的污染物，所以必須給以清除。微粒清除方法見(jiàn)下圖。,脫水烘焙 經(jīng)過(guò)清潔處理后的晶園表面可能會(huì)含有一定的水分（親水性表面），所以必須脫水烘焙使其達(dá)到清潔干燥（憎水性表面），以便增加光刻膠和晶園表面的黏附能力。 保持憎水性表面通常

11、通過(guò)下面兩種方法：一是保持室內(nèi)溫度在50以下，并且在晶園完成前一步工藝之后盡可能快的進(jìn)行涂膠。,另一種方法是把晶園存儲(chǔ)在用干燥并且干凈的氮?dú)鈨艋^(guò)的干燥器中。 除此之外，一個(gè)加熱的操作也可以使晶園表面恢復(fù)到憎水表面。有三種溫度范圍： 150200（低溫），此時(shí)晶園表面會(huì)被蒸發(fā),到了400（中溫）時(shí)，與晶園表面結(jié)合較松的水分子會(huì)離開(kāi)。當(dāng)超過(guò)750（高溫）時(shí)，晶園表面從化學(xué)性質(zhì)上講恢復(fù)到了憎水性條件。通常采用低溫烘焙，原因是操作簡(jiǎn)單。 涂底膠 涂底膠的目的是進(jìn)一步保證光刻膠和晶園表面的粘結(jié)能力。底膠的選擇必須保證一個(gè)很好的黏附和平滑的表面。 底膠的作用是從化學(xué)上把晶園表面的水分子系在一起，因此增加

12、了表面的黏附能力。 方法有：沉浸式 旋轉(zhuǎn)式 蒸汽式 各有優(yōu)缺點(diǎn)，使用時(shí)根據(jù)具體情況選擇。,8.10 涂光刻膠 目的是在晶園表面建立薄而均勻并且沒(méi)有缺陷的光刻膠膜。要做到這一點(diǎn)必須用精良的設(shè)備和嚴(yán)格的工藝控制才能達(dá)到。 厚度：0.51.5m，均勻性：0.01m 常用方法：旋轉(zhuǎn)涂膠法 分手動(dòng)，半自動(dòng)，全自動(dòng) 靜態(tài)涂膠工藝 首先把光刻膠通過(guò)管道堆積在晶園的中心，堆積量由晶園大小和光刻膠的類型決定，堆積量非常關(guān)鍵，量少了會(huì)導(dǎo)致涂膠不均勻，量大了會(huì)導(dǎo)致晶園邊緣光刻膠的堆積甚至流到背面，如圖所示。,靜態(tài)旋轉(zhuǎn)工藝 光刻膠膜的最終厚度是由光刻膠的粘度、旋轉(zhuǎn)速度、表面張力和國(guó)光刻膠的干燥性來(lái)決定的。,光刻膠覆蓋

13、,動(dòng)態(tài)噴灑 隨著晶園直徑越來(lái)越大，靜態(tài)涂膠已不能滿足要求，動(dòng)態(tài)噴灑是晶園以500rpm的速度低速旋轉(zhuǎn)，其目的是幫助光刻膠最初的擴(kuò)散，用這種方法可以用較少量的光刻膠而達(dá)到更均勻的光刻膠膜。待擴(kuò)散后旋轉(zhuǎn)器加速完成最終要求薄而均勻的光刻膠膜。,自動(dòng)旋轉(zhuǎn)器 自動(dòng)系統(tǒng)如圖所示，包含了晶園表面處理、涂底膠 和涂光刻膠 的全部過(guò)程， 標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng) 配置就是一 條流水線。,8.11 軟烘焙 因?yàn)楣饪棠z是一種粘稠體，所以涂膠結(jié)束后并不能直接進(jìn)行曝光，必須經(jīng)過(guò)烘焙，使光刻膠中的溶劑蒸發(fā)。烘焙后的光刻膠仍然保持“軟”狀態(tài)。但和晶園的粘結(jié)更加牢固。 時(shí)間和溫度是軟烘焙的參數(shù)，不完全的烘焙在曝光過(guò)程中造成圖像形成不完整和

14、在刻蝕過(guò)程中造成多余的光刻膠漂移；過(guò)分烘焙會(huì)造成光刻膠中的聚合物產(chǎn)生聚合反應(yīng)，并且不與曝光射線反應(yīng)。 負(fù)膠必須在氮?dú)庵羞M(jìn)行烘焙，而正膠可以在空氣中烘焙。,烘焙方式參見(jiàn)第8.11.18.11.6節(jié)。下表總結(jié)了不同的烘焙方式。,8.12 對(duì)準(zhǔn)和曝光 對(duì)準(zhǔn)是把所需圖形在晶園表面上定位或?qū)?zhǔn)。而曝光是通過(guò)曝光燈或其他輻射源將圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠涂層上。如果說(shuō)光刻膠是光刻工藝的“材料”核心，那么對(duì)準(zhǔn)和曝光則是該工藝的“設(shè)備”核心。圖形的準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)是保證器件和電路正常工作的決定性因素之一。 對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的性能表現(xiàn) 對(duì)準(zhǔn)和曝光包括兩個(gè)系統(tǒng)：一個(gè)是要把圖形在晶園表面上準(zhǔn)確定位（不同的對(duì)準(zhǔn)機(jī)類型的對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)各不相同）；另一

15、個(gè)是曝光系統(tǒng)（包括一個(gè)曝光光源和一個(gè)將輻射光線導(dǎo)向到晶園表面上的機(jī)械裝置）。,對(duì)準(zhǔn)機(jī)的性能指標(biāo)： 分辨率：機(jī)器產(chǎn)生特定尺寸的能力， 分辨率越高越好，機(jī)器的性能越好。 套準(zhǔn)能力：圖形準(zhǔn)確定位的能力 其他標(biāo)準(zhǔn)如圖所示,對(duì)準(zhǔn)與曝光系統(tǒng) 最初曝光設(shè)備是接觸式光刻機(jī)和接近式光刻機(jī)，而今，光刻機(jī)已發(fā)展成兩大類型，即光學(xué)光刻機(jī)和非光學(xué)光刻機(jī)， 如圖所示。光學(xué) 光刻機(jī)采用紫外 線作為光源，而 非光學(xué)光刻機(jī)的 光源則來(lái)自電磁 光譜的其他成分。,曝光光源 普通光源光的波長(zhǎng)范圍大，圖形邊緣衍射現(xiàn)象嚴(yán)重，滿足不了特征尺寸的要求。所以作為晶園生產(chǎn)用的曝光光源必須是某一單一波長(zhǎng)的光源；另外光源還必須通過(guò)反射鏡和透鏡，使光源發(fā)出的光轉(zhuǎn)化成一束平行光，這樣才能保證特征尺寸的要求。 最廣泛使用的曝光光源是高壓汞燈，它所產(chǎn)生的光為紫外光（UV），為獲得更高的清晰度，光刻膠被設(shè)計(jì)成只與汞燈光譜中很窄一段波長(zhǎng)的光（稱為深紫外區(qū)或DUV）反應(yīng)。 除自之外