基本光刻工藝流程

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簡單的描述，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準(zhǔn)。如果每一次的定位不準(zhǔn)，將會導(dǎo)致整個(gè)電路失效。除了對特征圖形尺寸和圖形對準(zhǔn)的控制，在工藝過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，所以光刻工藝是一個(gè)主要的缺陷來源。8.2光刻蝕工藝概況

光刻蝕是一種多步驟的圖形轉(zhuǎn)移過程，首先是在掩膜版上形成所需要的圖形，之后通過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)移通過兩步完成。首先，圖形被轉(zhuǎn)移到光刻膠層。光刻膠經(jīng)過曝光后自身性質(zhì)和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化（由原來的可溶性物質(zhì)變?yōu)榉强扇苄晕镔|(zhì)，或者相反）。再通過化學(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。這一步是通過不同的刻蝕方法把晶園上沒有被光刻膠保護(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)域決定的，稱其為亮場掩膜版；而在一個(gè)暗場掩膜版中，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，就會在晶園表面留下凸起的圖形。暗場掩膜版主要用來制作反刻金屬互聯(lián)線。

剛才介紹了對光有負(fù)效應(yīng)的光刻膠，稱為負(fù)性膠。同樣還有對光有正效應(yīng)的光刻膠，稱為正膠。用正性膠和亮場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（見圖8.9），特征圖形尺寸、對準(zhǔn)精度、晶園表面情況和光刻層數(shù)都會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，光刻過程中的所有操作都會根據(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)非常漫長的過程。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。對負(fù)性膠，聚合物曝光后會由非聚合狀態(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－甲醛樹脂。如圖所示。在光刻膠中聚合物是相對不可溶的，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)光限制在某一波長的光。添加劑

光刻膠中的添加劑主要在光刻膠薄膜中用來吸收和控制光線，可以阻止光刻膠沒有被曝光的部分在顯影過程中被溶解。8.5光刻膠的表現(xiàn)要素

對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)度是和光源特定的波長有關(guān)系。不同光源（射線）對應(yīng)的波長如下圖所示。波長越短的光源（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)，使通過能夠使基本的反應(yīng)開始所需要的能量總和來衡量的，它的單位是mJ/平方厘米負(fù)性膠通常的曝光時(shí)間是5～15秒，而正性膠則需要用上3～4倍的時(shí)間。工藝寬容度

整個(gè)光刻過程步驟之多，而且每一步驟都會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小的空穴?？梢允峭磕z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VLSIIC和2～5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（見下圖）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。用正膠和暗場掩膜版組合會使光刻膠層上的圖形尺寸變大。（a）亮場掩膜版和負(fù)膠組合

圖形尺寸變小（b）暗場掩膜版和正膠組合

圖形尺寸變大

用正膠和暗場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影響光刻質(zhì)量，若是暗場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，顯影過程中圖形尺寸相對穩(wěn)定。對于要求高的制作工藝選擇正膠，而對于那些圖形尺寸大于2微米的工藝還是選擇負(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。微粒清除方法見下圖。脫水烘焙

經(jīng)過清潔處理后的晶園表面可能會含有一定的水分（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通過下面兩種方法：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在用干燥并且干凈的氮?dú)鈨艋^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：150～200℃（低溫），此時(shí)晶園表面會被蒸發(fā)到了400℃（中溫）時(shí)，與晶園表面結(jié)合較松的水分子會離開。當(dāng)超過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：0.5～1.5μm，均勻性：±0.01μm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，量少了會導(dǎo)致涂膠不均勻，量大了會導(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、表面張力和國光刻膠的干燥性來決定的。

光刻膠覆蓋動(dòng)態(tài)噴灑