光刻光刻膠和刻蝕

1、2.4 光刻技術(shù)光刻技術(shù) 2.4.1 光刻工藝概述光刻工藝概述2.4.2 光刻膠光刻膠2.4.3 涂膠涂膠2.4.4 對(duì)位和曝光對(duì)位和曝光2.4.5 顯影顯影2.4.1 光刻光刻工藝概述工藝概述 凡是在能量束（光束、電子束、離子束等）的照射下，以凡是在能量束（光束、電子束、離子束等）的照射下，以交聯(lián)反應(yīng)為主的光刻膠稱為交聯(lián)反應(yīng)為主的光刻膠稱為 ，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱 。 凡是在能量束（光束、電子束、離子束等）的照射下，以凡是在能量束（光束、電子束、離子束等）的照射下，以降解反應(yīng)為主的光刻膠稱為降解反應(yīng)為主的光刻膠稱為 ，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱 。 光刻膠也稱為光刻膠也稱為 （Photoresist，P R）。）。最

2、常用的有最常用的有 AZ 1350 系列。正膠的主要優(yōu)點(diǎn)是分辨率高，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。缺點(diǎn)是靈敏度、耐刻蝕性和附著性等較差。2、光刻膠的組成、光刻膠的組成成分成分功能功能聚合物聚合物當(dāng)被曝光時(shí)，聚合物結(jié)構(gòu)由當(dāng)被曝光時(shí)，聚合物結(jié)構(gòu)由可溶變?yōu)榫酆希ɑ蚍粗┛扇茏優(yōu)榫酆希ɑ蚍粗┤軇┤軇┫♂屜♂尭泄鈩└泄鈩┱{(diào)節(jié)化學(xué)反應(yīng)調(diào)節(jié)化學(xué)反應(yīng)添加劑添加劑工藝效果（如染色劑等）工藝效果（如染色劑等） 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，記為最小電荷量（對(duì)

3、電子束膠），稱為光刻膠的靈敏度，記為 S ，也就是也就是D100 。S 越小，則靈敏度越高。越小，則靈敏度越高。 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。的靈敏度。但靈敏度太高會(huì)影響分辨率。1.00.50D0入射劑量入射劑量（C/ /cm2）未反應(yīng)的歸一化膜厚未反應(yīng)的歸一化膜厚D100靈敏度曲線靈敏度曲線 光刻工藝中影響分辨率的因素有：光刻工藝中影響分辨率的因素有：和和 （包括靈敏度、對(duì)比度、顆粒的大小、顯影時(shí)的溶脹、（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）。電子散射等）。(3)

4、 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，度。靈敏度曲線越陡，D0 與與 D100 的間距就越小，則的間距就越小，則 就越大，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)比度大于之間。對(duì)于亞微米圖形，要求對(duì)比度大于 1。 11000lgDDD0D100 對(duì)比度的定義為對(duì)比度的定

5、義為正膠和負(fù)膠比較正膠和負(fù)膠比較光刻膠對(duì)比度光刻膠對(duì)比度斜坡斜坡膨脹膨脹分辨率分辨率粘附性粘附性2.4.3 涂膠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。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)光刻光刻曝光曝光刻蝕刻蝕光源光源曝光方式曝光方式 評(píng)價(jià)光刻工藝可用三項(xiàng)主要的標(biāo)準(zhǔn)：評(píng)價(jià)光刻工藝可用三項(xiàng)主要的標(biāo)準(zhǔn)：和和。1、基本光學(xué)問題、基本光學(xué)問題 但是當(dāng)掩但是當(dāng)掩膜版上的特征尺寸接近光源的波長(zhǎng)時(shí)，就應(yīng)該把版上的特征尺寸接近光源

6、的波長(zhǎng)時(shí)，就應(yīng)該把光的傳輸作為電磁波來處理，必須考慮衍射和干涉。由于衍射光的傳輸作為電磁波來處理，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)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。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，表面上涂一層薄片，表面上涂一層600 800厚的厚的Cr層，使其表面光潔度更高。稱之為鉻板，層，使其表面光潔度更高。稱之為鉻板，Cr mask。無衍射效應(yīng)無衍射效應(yīng)有衍射效應(yīng)有衍射效應(yīng)光光強(qiáng)強(qiáng) 定義圖形的定義圖形的 為為maxminma

7、xminMTFIIII 無衍射效應(yīng)時(shí)，無衍射效應(yīng)時(shí)，MTF = 1 ；有衍射效應(yīng)時(shí)；有衍射效應(yīng)時(shí) ，MTF 1 。光柵的周期（或圖形的尺寸）越小，則光柵的周期（或圖形的尺寸）越小，則 MTF 越??；光的波長(zhǎng)越小；光的波長(zhǎng)越短，則越短，則 MTF 越大。越大。 圖形的分辯率還要受光刻膠對(duì)光強(qiáng)的響應(yīng)特性的影響。圖形的分辯率還要受光刻膠對(duì)光強(qiáng)的響應(yīng)特性的影響。 光強(qiáng)不到臨界光強(qiáng)光強(qiáng)不到臨界光強(qiáng) Dcr 時(shí)不發(fā)生反應(yīng)，光強(qiáng)時(shí)不發(fā)生反應(yīng)，光強(qiáng)超過超過 Dcr 時(shí)完全反應(yīng)，衍射只造成線寬和間距的少量變化。時(shí)完全反應(yīng)，衍射只造成線寬和間距的少量變化。 DcrD100D0 光強(qiáng)不到光強(qiáng)不到 D0 時(shí)不發(fā)生反應(yīng)

8、，光強(qiáng)介于時(shí)不發(fā)生反應(yīng)，光強(qiáng)介于 D0 和和 D100 之間時(shí)發(fā)生部分反應(yīng)，光強(qiáng)超過之間時(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)邊緣出現(xiàn)模糊區(qū)。在通常的光刻膠中，當(dāng) MTF 0.5 時(shí)，圖形時(shí)，圖形不再能被復(fù)制。不再能被復(fù)制。 對(duì)光源系統(tǒng)的要求對(duì)光源系統(tǒng)的要求 1、有適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)。波長(zhǎng)越短，可曝光的特征尺寸就越??；、有適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)。波長(zhǎng)越短，可曝光的特征尺寸就越小； 2、有足夠的能量。能量越大，曝光時(shí)間就越短；、有足夠的能量。能量越大，曝光時(shí)間就越短； 3、曝光能量必須均勻地分布在曝光區(qū)。、曝光能量必須均勻地分布在曝光區(qū)。 常用的

9、常用的 光源是高壓弧光燈（高壓汞燈），高壓汞燈光源是高壓弧光燈（高壓汞燈），高壓汞燈有許多尖銳的光譜線，經(jīng)過濾光后使用其中的有許多尖銳的光譜線，經(jīng)過濾光后使用其中的 或或 。高壓汞燈的光譜線高壓汞燈的光譜線120100806040200200300 400 500 600Relative Intensity (%)h-line405 nmg-line436 nmi-line365 nmDUV248 nmEmission spectrum of high-intensity mercury lamp 由于衍射效應(yīng)是光學(xué)曝光技術(shù)中限制分辨率的主要因素，由于衍射效應(yīng)是光學(xué)曝光技術(shù)中限制分辨率的主要因

10、素，所以要提高分辨率就應(yīng)使用波長(zhǎng)更短的光源如所以要提高分辨率就應(yīng)使用波長(zhǎng)更短的光源如 。實(shí)際。實(shí)際使用的深紫外光源有使用的深紫外光源有 和和 F2 準(zhǔn)分子激光（準(zhǔn)分子激光（157 nm）等。）等。 光光源源紫外光（紫外光（UV）深紫外光（深紫外光（DUV） g 線：線：436 nm i 線：線：365 nm KrF 準(zhǔn)分子激光：準(zhǔn)分子激光：248 nm ArF 準(zhǔn)分子激光：準(zhǔn)分子激光：193 nm極紫外光（極紫外光（EUV），），10 15 nm X 射線，射線，0.2 4 nm 電子束電子束 離子束離子束有掩模方式有掩模方式無掩模方式無掩模方式（聚焦掃描方式）（聚焦掃描方式）接觸式接觸式非接

11、觸式非接觸式接近式接近式投影式投影式反射反射折射折射全場(chǎng)投影全場(chǎng)投影步進(jìn)投影步進(jìn)投影掃描步進(jìn)投影掃描步進(jìn)投影矢量掃描矢量掃描光柵掃描光柵掃描混合掃描混合掃描3、曝光方式、曝光方式掩模板制造掩模板制造SiU. V.MaskP. R.SiO2 設(shè)備簡(jiǎn)單；理論上設(shè)備簡(jiǎn)單；理論上 MTF 可達(dá)到可達(dá)到 1，因此分辨率比較，因此分辨率比較高，約高，約 0.5 m。 掩模版壽命短（掩模版壽命短（10 20 次），硅片上圖形缺陷多，次），硅片上圖形缺陷多，光刻成品率低。光刻成品率低。 （2）g = 10 50 m 掩模壽命長(zhǎng)（可提高掩模壽命長(zhǎng)（可提高 10 倍以上），圖形缺陷少。倍以上），圖形缺陷少。 缺點(diǎn)

12、：缺點(diǎn)：衍射效應(yīng)嚴(yán)重，使分辨率下降。衍射效應(yīng)嚴(yán)重，使分辨率下降。 minWk ggmin0.436m(g),20m2.95mgW例：當(dāng)線時(shí)， 最小可分辨的線寬為最小可分辨的線寬為式中，式中，k 是與光刻膠處理工藝有關(guān)的常數(shù)，通常接近于是與光刻膠處理工藝有關(guān)的常數(shù)，通常接近于 1 。接觸接觸/接近式曝光的光學(xué)系統(tǒng)接近式曝光的光學(xué)系統(tǒng)式中，式中，k1 是與光刻膠的光強(qiáng)響應(yīng)特性有關(guān)的常數(shù)，約為是與光刻膠的光強(qiáng)響應(yīng)特性有關(guān)的常數(shù)，約為 0.75 。 NA 為鏡頭的為鏡頭的 ， 投影式光刻機(jī)的分辨率由投影式光刻機(jī)的分辨率由 給出，即給出，即min1WkNAn 為折射率，為折射率， 為半接收角。為半接收角

13、。NA 的典型值是的典型值是 0.16 到到 0.8。sinNAn 增大增大 NA 可以提高分辨率，但卻受到可以提高分辨率，但卻受到 的限制。的限制。2NA 分辨率與焦深對(duì)波長(zhǎng)和數(shù)值孔徑有相互矛盾的要求，需要分辨率與焦深對(duì)波長(zhǎng)和數(shù)值孔徑有相互矛盾的要求，需要折中考慮。折中考慮。增加增加 NA 線性地提高分辨率，平方關(guān)系地減小焦深，線性地提高分辨率，平方關(guān)系地減小焦深，所以一般選取較小的所以一般選取較小的 NA。為了提高分辨率，可以縮短波長(zhǎng)。為了提高分辨率，可以縮短波長(zhǎng)。 代表當(dāng)基片沿光路方向移動(dòng)時(shí)能保持良好聚焦的移動(dòng)代表當(dāng)基片沿光路方向移動(dòng)時(shí)能保持良好聚焦的移動(dòng)距離。投影式光刻機(jī)的焦深由距離。

14、投影式光刻機(jī)的焦深由 給出，即給出，即掩掩模模硅硅片片反射凹反射凹鏡鏡反射凸反射凸鏡鏡光光源源 1、掩模壽命長(zhǎng)，圖形缺陷少。、掩模壽命長(zhǎng)，圖形缺陷少。 2、無色散，可以使用連續(xù)波長(zhǎng)、無色散，可以使用連續(xù)波長(zhǎng)光源，無駐波效應(yīng)。無折射系統(tǒng)光源，無駐波效應(yīng)。無折射系統(tǒng)中的象差、彌散等的影響。中的象差、彌散等的影響。 3、曝光效率較高。、曝光效率較高。缺點(diǎn)缺點(diǎn) 數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑 NA 太小，是限制太小，是限制分辨率的主要因素。分辨率的主要因素。 隨著線寬的不斷減小和基板直徑的增大，隨著線寬的不斷減小和基板直徑的增大，、越來越嚴(yán)重。為解決這些問題，開發(fā)越來越嚴(yán)重。為解決這些問題，開發(fā)出了分步重復(fù)縮小投影

15、曝光機(jī)（出了分步重復(fù)縮小投影曝光機(jī)（ Direct Step on the Wafer ，簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱 DSW，Stepper）。常用的是）。常用的是 5 : 1 或或 4 : 1。光源光源聚光透鏡聚光透鏡投影器投影器掩模掩?；琔V lightReticle field size20 mm 15mm,4 die per field5:1 reduction lens基片基片曲折的步進(jìn)圖形曲折的步進(jìn)圖形 缺點(diǎn)缺點(diǎn) 1、曝光效率低；、曝光效率低； 2、設(shè)備復(fù)雜、昂貴。、設(shè)備復(fù)雜、昂貴。 1、掩模版壽命長(zhǎng)，圖形缺陷少；、掩模版壽命長(zhǎng)，圖形缺陷少； 2、可以使用高數(shù)值孔徑的透鏡來提高分辨率，通過分步

16、、可以使用高數(shù)值孔徑的透鏡來提高分辨率，通過分步聚焦來解決焦深問題，可以在大基片上獲得高分辨率的圖形；聚焦來解決焦深問題，可以在大基片上獲得高分辨率的圖形； 3、由于掩模尺寸遠(yuǎn)大于芯片尺寸，使掩模制造簡(jiǎn)單，可、由于掩模尺寸遠(yuǎn)大于芯片尺寸，使掩模制造簡(jiǎn)單，可減少掩模上的缺陷對(duì)芯片成品率的影響。減少掩模上的缺陷對(duì)芯片成品率的影響。 限制光學(xué)曝光方式的分辨率的主要因素是衍射效應(yīng)。最早限制光學(xué)曝光方式的分辨率的主要因素是衍射效應(yīng)。最早使用的接觸式光刻機(jī)，分辨率可到使用的接觸式光刻機(jī)，分辨率可到 1 m以下，但容易損傷掩模以下，但容易損傷掩模和硅片。解決的辦法是使用接近式光刻機(jī)，但要影響分辨率。和硅片。

17、解決的辦法是使用接近式光刻機(jī)，但要影響分辨率。介紹了具有亞微米分辨率的投影曝光系統(tǒng)。為了解決分辨率和介紹了具有亞微米分辨率的投影曝光系統(tǒng)。為了解決分辨率和焦深之間的矛盾，可以采用分步重復(fù)的方式。焦深之間的矛盾，可以采用分步重復(fù)的方式。接接觸觸式式非非接接觸觸式式優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單，分辨率較高優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單，分辨率較高缺點(diǎn)：掩模版與晶片易損傷，成品率低缺點(diǎn)：掩模版與晶片易損傷，成品率低接近式接近式優(yōu)點(diǎn)：掩模版壽命長(zhǎng)，成本低優(yōu)點(diǎn)：掩模版壽命長(zhǎng)，成本低缺點(diǎn)：衍射效應(yīng)嚴(yán)重，影響分辨率缺點(diǎn)：衍射效應(yīng)嚴(yán)重，影響分辨率投影式投影式全反射全反射折射折射優(yōu)點(diǎn)：無像差，無駐波效應(yīng)影響優(yōu)點(diǎn)：無像差，無駐波效應(yīng)影響缺點(diǎn)：

18、數(shù)值孔徑小，分辨率低缺點(diǎn)：數(shù)值孔徑小，分辨率低優(yōu)點(diǎn)：數(shù)值孔徑大，分辨率高，優(yōu)點(diǎn)：數(shù)值孔徑大，分辨率高，對(duì)硅片平整度要求低，對(duì)硅片平整度要求低，掩模制造方便掩模制造方便缺點(diǎn)：曝光效率低，設(shè)備昂貴缺點(diǎn)：曝光效率低，設(shè)備昂貴 將曝光后的基片用顯影液浸泡或噴霧處理。對(duì)負(fù)膠，顯將曝光后的基片用顯影液浸泡或噴霧處理。對(duì)負(fù)膠，顯影液將溶解掉未曝光區(qū)的膠膜；對(duì)正膠，顯影液將溶解曝光區(qū)影液將溶解掉未曝光區(qū)的膠膜；對(duì)正膠，顯影液將溶解曝光區(qū)的膠膜。的膠膜。幾乎所有的正膠都使用堿性顯影液，幾乎所有的正膠都使用堿性顯影液，如如 KOH 水溶液。水溶液。 顯影過程中光刻膠膜會(huì)發(fā)生膨脹。正膠的膨脹可以忽略，顯影過程中光刻

19、膠膜會(huì)發(fā)生膨脹。正膠的膨脹可以忽略，而負(fù)膠的膨脹則可能使圖形尺寸發(fā)生變化。而負(fù)膠的膨脹則可能使圖形尺寸發(fā)生變化。 顯影過程對(duì)溫度非常敏感。顯影過程有可能影響光刻膠的顯影過程對(duì)溫度非常敏感。顯影過程有可能影響光刻膠的對(duì)比度，從而影響光刻膠的剖面形狀。對(duì)比度，從而影響光刻膠的剖面形狀。顯影后必須進(jìn)行嚴(yán)格的檢查，如有缺陷則必須返工。顯影后必須進(jìn)行嚴(yán)格的檢查，如有缺陷則必須返工。自動(dòng)顯影檢查設(shè)備自動(dòng)顯影檢查設(shè)備2.5 2.5 刻蝕刻蝕(Eching)(Eching) 定義定義: :由預(yù)先由預(yù)先定義定義好的好的圖圖形把不要的形把不要的區(qū)區(qū)域去除，保留要留下的域去除，保留要留下的區(qū)區(qū)域，域，將圖將圖形形轉(zhuǎn)

20、移轉(zhuǎn)移到所到所選選定的定的舉出舉出上其上其過程稱過程稱之之為刻蝕為刻蝕?？涛g的作用刻蝕的作用制作不同的器件結(jié)構(gòu)，如線條、接觸孔、柵等。制作不同的器件結(jié)構(gòu)，如線條、接觸孔、柵等。被刻蝕的材料被刻蝕的材料半導(dǎo)體，絕緣體，金屬等。半導(dǎo)體，絕緣體，金屬等?？涛g刻蝕方法方法可以是物理性可以是物理性( (離子碰撞離子碰撞) )，也可以是化，也可以是化學(xué)學(xué)性性( (與與薄膜薄膜發(fā)生化學(xué)反應(yīng)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)) )，也可，也可以是以是兩者兩者的混合方式。的混合方式。1 1、認(rèn)識(shí)刻蝕、認(rèn)識(shí)刻蝕2、刻蝕失敗的例子、刻蝕失敗的例子a. a. 濕法刻蝕濕法刻蝕：采用采用液態(tài)化學(xué)試劑液態(tài)化學(xué)試劑進(jìn)行薄膜刻蝕進(jìn)行薄膜刻蝕b. b. 干法刻蝕干法刻蝕：采用采用氣態(tài)的化學(xué)氣體氣態(tài)的化學(xué)氣體進(jìn)行薄膜刻蝕進(jìn)行薄膜刻蝕濕刻的工藝過程（例）transparent glassCr patterned filmMaskSi photoresistSiO2 filmAl filmSi UV exposureSi Develop solutionSi Pattern transferto photoresistSi Etching of Al filmIsotropic etching undercutFilm et