光刻培訓(xùn)課件

光刻工藝技術(shù)培訓(xùn)

微結(jié)構(gòu)國家實驗室微加工中心二〇一二年三月光刻培訓(xùn)流程

理論培訓(xùn)上機(jī)培訓(xùn)上機(jī)實習(xí)光刻基本知識基本工藝流程及常見問題目錄光學(xué)基礎(chǔ)：1.光的反射：光射到任何表面時都會發(fā)生反射。在曝光時，入射光可能會在襯底表面發(fā)生反射，使不希望襯曝光的光刻膠被曝光，從而造成圖形復(fù)制的偏差。如反射過強(qiáng)，需要用抗反射涂層來改善。2.光的折射：光通過一種透明介質(zhì)進(jìn)入到另入到另一種透明介質(zhì)的時候，發(fā)生方向的改變。3.光的衍射：光在傳播過程中遇到障礙物（小孔或者輪廓分明的邊緣）時，會發(fā)生光傳播路線的改變。曝光的時候，掩膜板上有尺寸很小的圖形而且間距很窄。衍射會使光部分發(fā)散，導(dǎo)致光刻膠上不需要曝光的區(qū)域被曝光。衍射現(xiàn)象會造成分辨率的下降。光刻基本知識4.光的干涉：波的本質(zhì)是正弦曲線，任何形式的正弦波只要具有相同的頻率就能相互干涉，即相長相消：相位相同，彼此相長；相位不同，彼此相消。在曝光的過程中，反射光與折射光往往會發(fā)生干涉，從而降低了圖形特征復(fù)制的分辨率。5.調(diào)制傳輸函數(shù)（MTF,ModulationTransferFunction）。用于定義明暗對比度的參數(shù)。即分辨掩膜板上明暗圖形的能力，與光線的衍射效應(yīng)密切相關(guān)。MTF=(Imax-Imin)/(Imax+Imin)，好的調(diào)制傳輸函數(shù)，就會得到更加陡直的光刻膠顯影圖形，即有高的分辨率。臨界調(diào)制傳輸函數(shù)（CMTF,CriticalModulationTransferFunction）。主要表征光刻膠本身曝光對比度的參數(shù)。即光刻膠分辨透射光線明暗的能力。一般來說光路系統(tǒng)的調(diào)制傳輸函數(shù)必須大于光刻膠的臨界調(diào)制傳輸函數(shù)，即MTF>CMTF。光刻基本知識光刻基本知識6.數(shù)值孔徑（NA,NumericalAperture）。透鏡收集衍射光（聚光）的能力。一般來說NA大小為0.5－0.85。提高數(shù)值孔徑的方法：提高介質(zhì)折射率n，采用水代替空氣；增大透鏡的半徑；7.分辨率（Resolution）。區(qū)分臨近最小尺寸圖形的能力。提高分辨率的方法：減小光源的波長、采用高分辨率的光刻膠、增大透鏡半徑、采用高折射率的介質(zhì)，即采用浸入式光刻技術(shù)、優(yōu)化光學(xué)棱鏡系統(tǒng)以提高k（0.4-0.7）值（k是標(biāo)志工藝水平的參數(shù)）；8.焦深（DOF，DepthofFocus）。表示焦點周圍的范圍，在該范圍內(nèi)圖像連續(xù)地保持清晰。焦深是焦點上面和下面的范圍，焦深應(yīng)該穿越整個光刻膠層的上下表面，這樣才能夠保證光刻膠完全曝光。增大焦深的方法：增大光源的波長、采用小的數(shù)值孔徑、利用CMP進(jìn)行表面平坦化。由于前兩種方法會降低分辨率，而分辨率是芯片制造所努力提升的重要參數(shù)，因此我們需要在看上去相互矛盾的兩個方面做出某種平衡。一般在保證基本的焦深要求下不降低分辨率，即以分辨率為主。所以，現(xiàn)在一般采用CMP平坦化技術(shù)保證足夠的焦深。掩膜板/光罩1、掩膜板的分類：(1)光掩膜板（PhotoMask）包含了整個襯底片的芯片圖形特征，進(jìn)行1：1圖形復(fù)制。該掩膜板用于接近式光刻和掃描對準(zhǔn)投影機(jī)中;(2)投影掩膜板（Reticle）。只包含襯底片上的一部分圖形（例如四個芯片），一般為縮小比例（一般為4：1）。需要步進(jìn)重復(fù)來完成整個硅片的圖形復(fù)制。投影掩膜板的優(yōu)點：投影掩膜板的特征尺寸較大（4×），掩膜板制造更加容易；掩膜板上的缺陷會縮小轉(zhuǎn)移到硅片上，對圖形復(fù)制的危害減小；使曝光的均勻度提高。LED光刻版光刻膠光刻膠是一種有機(jī)化合物，受紫外曝光后，在顯影溶液中的溶解度會發(fā)生變化。晶片制造中所用的光刻膠通常以液態(tài)涂在硅片表面，而后被干燥成膠膜。光刻基本知識5.粘附性（Adherence）：表征光刻膠粘著于襯底的強(qiáng)度。光刻膠的粘附性不足會導(dǎo)致硅片表面的圖形變形。光刻膠的粘附性必須經(jīng)受住后續(xù)工藝（刻蝕、離子注入等）。6.抗蝕性（Anti-etching）。光刻膠必須保持它的粘附性，在后續(xù)的刻蝕工序中保護(hù)襯底表面。耐熱穩(wěn)定性、抗刻蝕能力和抗離子轟擊能力。7.表面張力（SurfaceTension）。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性和覆蓋。8.存儲和傳送（StorageandTransmission）。能量（光和熱）可以激活光刻膠。應(yīng)該存儲在密閉、低溫、不透光的盒中。同時必須規(guī)定光刻膠的閑置期限和存貯溫度環(huán)境。一旦超過存儲時間或較高的溫度范圍，負(fù)膠會發(fā)生交聯(lián)，正膠會發(fā)生感光延遲。光刻機(jī)的光源：

光刻是光源發(fā)出的光通過掩膜板和透鏡系統(tǒng)照射到光刻膠的特定部分并使之曝光，以實現(xiàn)圖形的復(fù)制和轉(zhuǎn)移。波長越小、得到的圖形分辨率越高。曝光光源的另外一個重要參數(shù)就是光的強(qiáng)度。光強(qiáng)定義為單位面積上的功率（mW/cm2），該光強(qiáng)應(yīng)在光刻膠表面測量。光強(qiáng)也可以被定義為能量：單位面積上的光亮或亮度。曝光能量（劑量）＝曝光強(qiáng)度×曝光時間，單位：毫焦每平方厘米（mJ/cm2）。常見光源有：汞燈和準(zhǔn)分子激光。另外，在先進(jìn)或某些特殊場合也會用到其他曝光手段，如X射線、電子束和粒子束等。汞燈（MercuryLamp）：波長處于240nm～500nm之間的紫外輻射光譜，在使用汞燈作光源時，需要利用一套濾波器去除不需要的波長和紅外波長。主要波長為：I線（365nm）、H線（405nm）和G線（436nm），關(guān)鍵尺寸在0.35μm及其以上。準(zhǔn)分子激光（ExcimerLaser）：常見的準(zhǔn)分子激光光源為248nm的KrF（用于關(guān)鍵尺寸大于0.13μm的圖形）和193nm的ArF（用于關(guān)鍵尺寸大于0.08μm的圖形）。光刻基本工藝流程旋轉(zhuǎn)涂膠對準(zhǔn)和曝光顯影清洗襯底清洗烘干（CleaningandPre-Baking）

方法：濕法清洗＋去離子水沖洗＋脫水烘焙（熱板150-250℃,1-2分鐘，必要時氮氣保護(hù)）目的：a、除去表面的污染物（顆粒、有機(jī)物、工藝殘余、可動離子）；b、除去水蒸氣，使基底表面由親水性變?yōu)槭杷浴１砻嫣幚砭A容易吸附潮氣到它的表面。光刻膠黏附要求要嚴(yán)格的干燥表面，所以在涂膠之前要進(jìn)行脫水烘焙和黏附劑的涂覆。脫水烘焙的溫度通常在140度到200度之間。有時還要用到黏附劑，黏附劑通常使用HMDS（六甲基二硅胺脘）。表面處理的主要作用是提高光刻膠與襯底之間的粘附力，使之在顯影過程中光刻膠不會被液態(tài)顯影液滲透。是否要使用黏附劑要根據(jù)圖形大小、襯底及光刻膠的種類來決定，HMDS可以用浸泡、噴霧和氣相方法來涂覆。滴膠——加速旋轉(zhuǎn)——甩膠——溶劑揮發(fā)旋轉(zhuǎn)涂膠（Spin-onPRCoating）膠膜常見問題1表面出現(xiàn)氣泡滴膠時滴管中有氣泡放射狀條紋涂膠前靜止時間過長勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速或加速度過高基片或膠中有顆粒中心漩渦圖案旋涂時間過長中心圓暈托盤不合適膠液未涂滿襯底滴膠量不足勻膠加速度不合適針孔光刻膠里有小顆?；驓馀莼嫌行☆w粒膠膜常見問題2如襯底圖形臺面過高，要考慮到在臺面上的光刻膠要薄與實際希望的勻膠厚度（這會影響到后步工藝）勻膠后在襯底邊緣處會形成較厚的邊（這會影響到光刻的圖形精度）。可在涂膠過程中加入去邊及背噴工藝光表面反射對圖形的影響(反射切口效應(yīng))前烘（軟烘）目的是蒸發(fā)掉膠中的有機(jī)溶劑成分，使晶圓表面的膠固化（除去溶劑4-7%，膠厚大約減少25%）；增強(qiáng)黏附性；釋放光刻膠膜內(nèi)的應(yīng)力；防止光刻膠玷污設(shè)備；。AZ1500—100C，50s烘烤過度:減小光刻膠中感光成分的活性前烘不足：光刻膠中的溶劑不能完全被蒸發(fā)掉，這將阻礙光對膠的作用并且影響到其在顯影液中的溶解度（如下圖）肌膚效應(yīng)：烘烤溫度過高，膠表面形成一層“皮膚”，內(nèi)部的溶劑不易揮發(fā)前烘（軟烘）注意事項對準(zhǔn)方法：a、預(yù)對準(zhǔn)，通過硅片上的notch或者flat進(jìn)行激光自動對準(zhǔn)；b、通過對準(zhǔn)標(biāo)志（AlignMark），位于切割槽（ScribeLine）上。另外層間對準(zhǔn)，即套刻精度（Overlay），保證圖形與硅片上已經(jīng)存在的圖形之間的對準(zhǔn)。曝光中最重要的兩個參數(shù)是：曝光能量（Energy）和焦距（Focus）。如果能量和焦距調(diào)整不好，就不能得到要求的分辨率和大小的圖形。表現(xiàn)為圖形的關(guān)鍵尺寸超出要求的范圍。接觸式曝光和接近式曝光接觸式：掩模板和覆蓋光刻膠的襯底緊密接觸分辨率取決于掩模板的尺寸和掩模板邊緣的衍射從理論上說可以制造極細(xì)小的尺寸。分辨率≥0.5μm。缺點：光刻膠污染掩膜板；掩膜板的磨損，壽命低（掩模板與襯底接觸，對掩模板損傷大）。接近式：接觸式光刻的修正，掩膜板與光刻膠層的略微分開，大約為3-50μm?？梢员苊馀c光刻膠直接接觸而引起的掩膜板損傷。但是同時引入了衍射效應(yīng)，降低了分辨率，最大分辨率僅為2-4μm.投影式曝光：在掩膜板與光刻膠之間使用透鏡聚集光實現(xiàn)曝光。一般掩膜板的尺寸會以需要轉(zhuǎn)移圖形的4倍制作。優(yōu)點是提高了分辨率；掩膜板的制作更加容易；掩膜板上的缺陷影響減小?？煞譃?.掃描投影曝光（ScanningProjectPrinting）。70年代末-80年代初，＞1μm工藝；掩膜板1：1，全尺寸；2.步進(jìn)重復(fù)投影曝光（Stepping-repeatingProjectPrinting或稱作Stepper）。80年代末至90年代，0.35μm（Iline）-0.25μm（DUV）。掩膜板縮小比例（4：1），曝光區(qū)域（ExposureField）22×22mm（一次曝光所能覆蓋的區(qū)域）。增加了設(shè)備棱鏡系統(tǒng)的制作難度。套刻和對準(zhǔn)后烘光線照射到光刻膠與晶圓的界面上會產(chǎn)生部分反射。反射光與入射光會疊加形成駐波，后烘會部分消除這種效應(yīng)。AZ1500標(biāo)準(zhǔn)后烘條件：115℃，50s顯影用化學(xué)顯影液將曝光造成的光刻膠的可溶解區(qū)域溶解就是光刻膠的顯影，其主要目的就是把掩膜版的圖形準(zhǔn)確復(fù)制到光刻膠中。自動顯影—4英寸襯底手動顯影AZ1500標(biāo)準(zhǔn)顯影時間：8s

標(biāo)準(zhǔn)顯影溶液：ZX-238

注意：完全垂直的光刻膠側(cè)壁非常難制作。正膠通常會有一些輕微的正向傾斜，大約85°-89°，復(fù)交有相似的倒的外形輪廓。這是光強(qiáng)通過掩模板后產(chǎn)生的結(jié)果。顯影液：1.正性光刻膠的顯影液：正膠的顯影液位堿性水溶液。最普通的正膠顯影液是四甲基氫氧化銨（TMAH）（標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量濃度為0.26，溫度15～250C）。在I線光刻膠曝光中會生成羧酸，TMAH顯影液中的堿與酸中和使曝光的光刻膠溶解于顯影液而未曝光的光刻膠沒有影響；2.負(fù)性光刻膠的顯影液：二甲苯。顯影中的常見問題：1.顯影不完全（IncompleteDevelopment）：表面還殘留有光刻膠，可能是顯影液不足造成；2.顯影不夠（UnderDevelopment）：顯影的側(cè)壁不垂直，由顯影時間不足造成；3.過度顯影（OverDevelopment）?？拷砻娴墓饪棠z被顯影液過度溶解，形成臺階。顯影時間太長。堅膜堅膜就是通過加溫烘烤使膠膜更牢固地黏附在晶圓表面，并可以增加膠層的抗刻蝕能力。

?能夠改善光刻膠的抗刻蝕、注入能力。?改善光刻膠與晶圓表面的黏附性，有利于后續(xù)濕法腐蝕工藝。?改善光刻膠中存在的針孔。進(jìn)一步減少駐波效應(yīng)。堅膜常見問題：1.烘烤不足（Underbake）：減弱光刻膠的強(qiáng)度（抗刻蝕能力和離子注入中的阻擋能力）；2.降低針孔填充能力（GapfillCapabilityfortheneedlehole）：降低與基底的黏附能力。3.烘烤過度（Overbake）：引起光刻膠的流動，使圖形精度降低，分辨率變差。4.通常會增加將來去膠的難度。去膠圖形轉(zhuǎn)移加工后，光刻膠已完成它的使命，需要清除掉。去膠有濕法與干法兩種。濕法：是用各種酸堿類溶液或有機(jī)溶劑將膠層去除掉，最普通的去膠液是丙酮，它可以溶解絕大多數(shù)光刻膠。干法：用氧氣等離子體刻蝕去膠（強(qiáng)氧化去膠）注意：不能用于帶有Ag、Cu、ZrO、parylene和聚酰亞胺的基片。AZ1500前烘100C，50s曝光6s后烘115℃，50s顯影8s注意事項（1）百級超凈—提前開啟FFU系統(tǒng)（2）洗衣間內(nèi)備有乙醇，用過勻膠機(jī)、熱板后要清潔，自覺帶走垃圾和廢液（3）穿連體無塵服—保證環(huán)境潔凈，帶活性炭口罩—做好個人防護(hù)500rpm1000rpm/s6s3000rpm1000rp