光刻技术优质PPT.ppt
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,IC对光刻技术的基本要求,3.1概述,光刻(photolithography)是在光的作用下,使图像从母版向另一种介质转移的过程。
母版就是光刻版,是一种由透光区和不透光区组成的玻璃版。
即将掩模版(光刻版)上的几何图形转移到覆盖在半导体衬底表面的对光辐照敏感薄膜材料(光刻胶)上去的工艺过程。
光刻工艺就是利用光敏的抗蚀涂层发生光化学反应,按照确定的版图图形,结合刻蚀方法在各种薄膜上(如SiO2等绝缘膜和各种金属膜)制备出合乎要求的电路图形,包括形成金属电极和布线、表面钝化以及实现选择性掺杂。
由于集成电路有一定的空间结构,需多次使用光刻,每块集成电路一般要进行67次光刻,所以氧化工艺与光刻工艺的结合构成了整个平面工艺的基础。
光刻是集成电路工艺中的关键性技术。
在硅片表面涂上光刻胶薄层,通过掩模版对光刻胶辐照,使某些区域的光刻胶感光,利用光刻胶感光部分与未感光部分在显影液中的溶解速度相差非常大的特性,经过显影就可以在光刻胶上留下掩模版的图形。
在集成电路制造中,利用这层剩余的光刻胶图形作为保护膜,可以对硅表面选定区域进行刻蚀,或进行离子注入,形成器件和电路结构,或者对未保护区进行掺杂。
随着集成电路的集成度不断提高,器件的特征尺寸不断减小,期望进一步缩小光刻图形的尺寸。
目前已经开始采用线宽为0.2-0.1m的加工技术。
分辨率、焦深、对比度、特征线宽控制、对准和套刻精度、产率以及价格。
光刻系统的主要指标包括:
8,3.1.1分辨率,分辨率是指一个光学系统精确区分目标的能力。
分辨率是决定光刻系统最重要的指标,能分辨的线宽越小,分辨率越高。
其由瑞利衍射定律决定:
k1=0.60.8NA=0.160.8,提高分辨率:
NA,k1,:
曝光光源的波长,NA:
曝光镜头的数值孔径,K1:
比例系数,9,3.1.1分辨率,1、利用光源缩小l,光源,10,3.1.1分辨率,1、使用光源缩小l,11,3.1.1分辨率,2、减小分辨率因子k1,Patterndependentk1canbereducedbyupto40%,12,3.1.1分辨率,2、减小分辨率因子k1,Contrast436,365nm:
=2-3,(Qf/Q02.5)248,193nm:
=5-10(Qf/Q01.3),13,3.1.1分辨率,3、增加NA,浸入式光刻,NA=nsinanH2O=1.44NA1.36,14,3.1.2光刻分辨率,分辨率R=1/2L(mm-1);
直接用线宽L表示存在物理极限,由衍射决定:
L/2,Rmax1/,即每mm中包含的间距与宽度相等的线条数目。
因光的波动性而产生的衍射效应限定了线宽,KrF激光光源,可产生0.25um,常用光源波长436nm,最佳线宽47um,15,物理极限,由量子理论的海森堡不确定关系式也得出其他离子束光刻极限:
Lph;
p=mv;
E=mv2/2,h/=2mELh/22mE粒子质量愈大,L愈小,分辨率愈高动能愈高,L愈小,分辨率愈高。
16,3.1.3焦深,为轴上光线到极限聚焦位置的光程差。
根据瑞利判据:
很小时,,NA,焦深,焦深,17,3.1.3焦深,焦深,焦平面,光刻胶,IC技术中,焦深只有1mm,甚至更小,18,3.1.4对比度,调制传递函数MTF对比度,19,3.1.4对比度,一般要求MTF0.5与尺寸有关,聚光透镜,光圈,投影透镜,镜片光刻胶,20,3.1.4对比度,横坐标:
归一化的空间频率,线条数/mm/截止频率,空间频率1/(2W),W是等宽光栅的线条宽度,2W即Pitch,按照瑞利判据归一化,即01/RNA/0.61(截止频率),21,3.2基本光刻工艺流程,一般的光刻工艺要经历底膜处理、涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜、刻蚀、去胶、检验工序。
23,底膜处理,底膜处理是光刻工艺的第一步,其主要目的是对硅衬底表面进行处理,以增强衬底与光刻胶之间的黏附性。
底膜处理包括以下过程:
1、清洗;
2、烘干;
3、增粘处理。
涂胶,在集成电路工艺中,光刻胶层的作用是在刻蚀(腐蚀)或离子注入过程中,保护被光刻胶覆盖的材料。
因此,光刻胶层与硅片表面之间需要牢固地黏附。
涂胶的目的是在硅片表面形成厚度均匀、附着性强、并且没有缺陷的光刻胶薄膜。
在涂胶之前,硅片一般需要经过脱水烘焙并且涂上用来增加光刻胶与硅片表面附着能力的化合物。
以光刻胶在SiO2表面的附着情况为例,由于SiO2的表面是亲水性的,而光刻胶是疏水性的,SiO2表面可以从空气中吸附水分子,含水的SiO2会使光刻胶的附着能力降低。
因此在涂胶之前需要预先对硅片进行脱水处理,称为脱水烘焙。
在150-200释放硅片表面吸附的水分子;
在400左右使硅片上含水化合物脱水;
进行750以上的脱水。
脱水烘焙,在涂胶之前,还应在Si片表面上涂上一层化合物,其目的也是为了增强光刻胶与硅片之间的附着力。
目前应用比较多的是六甲基乙硅氮烷(简称HMDS)。
在实际应用中,HMDS的涂布都是以气相的方式进行的,HMDS以气态的形式输入到放有硅片的容器中,然后在硅片的表面完成涂布。
还可以将脱水烘焙与HMDS的气相涂布结合起来进行。
硅片首先在容器里经过100-200的脱水烘焙,然后直接进行气相涂布。
由于避免了与大气的接触,硅片吸附水分子的机会将会降低,涂布HMDS的效果将会更加理想。
涂布HMDS,涂胶工艺一般包括三个步骤:
将光刻胶溶液喷洒到硅片表面上;
加速旋转托盘(硅片),直至达到需要的旋转速度;
达到所需的旋转速度后,保持一定时间的旋转。
涂胶,把硅片放在一个平整的金属托盘上,有小孔与真空管相连,硅片就被吸在托盘上,硅片与托盘一起旋转。
02000r/min,30007000r/min,40s1min,光刻胶的膜厚与光刻胶本身的黏性有关对于同样的光刻胶,光刻胶的膜厚由旋转速度决定,转动速度越快,光刻胶层的厚度越薄,光刻胶的均匀性也越好。
涂胶的过程应始终在超净环境中进行。
同时喷洒的光刻胶溶液中不能含有空气,因为气泡的作用与微粒相似,都会在光刻工艺中引起缺陷。
光刻胶的膜厚,涂胶:
采用旋转涂胶工艺,前烘,在液态的光刻胶中,溶剂的成份占65-85,经过甩胶之后,虽然液态的光刻胶已经成为固态的薄膜,但仍含有10-30的溶剂,涂胶以后的硅片,需要在一定的温度下进行烘烤,使溶剂从光刻胶内挥发出来,这一步骤称为前烘。
(前烘后光刻胶中溶剂含量降至到5左右)在前烘过程中,由于溶剂的挥发,光刻胶的厚度也会减薄,一般减小的幅度为10-20左右。
降低灰尘的玷污;
减轻因高速旋转形成的薄膜应力,从而提高光刻胶的附着性。
光刻胶的显影速度受光刻胶中溶剂含量的影响。
如果光刻胶没有经过前烘处理,对于正胶来说,非曝光区的光刻胶由于溶剂的含量比较高,在显影液中也会溶解变簿,从而使光刻胶的保护能力下降。
前烘的作用,前烘的温度和时间需要严格地控制。
前烘的温度太低或时间太短光刻胶层与硅片表面的黏附性变差;
由于光刻胶中溶剂的含量过高,曝光的精确度也会变差;
太高的溶剂浓度使显影液对曝光区和非曝光区光刻胶的选择性下降,导致图形转移效果不好。
前烘温度太高光刻胶层的黏附性也会因为光刻胶变脆而降低;
过高的烘焙温度会使光刻胶中的感光剂发生反应,使光刻胶在曝光时的敏感度变差。
前烘的温度和时间,1030min,90100C,前烘通常采用干燥循环热风、红外线辐射以及热平板传导等热处理方式。
在ULSI工艺中,常用的前烘方法是真空热平板烘烤。
真空热平板烘烤可以方便地控制温度,同时还可以保证均匀加热。
在热平板烘烤中,热量由硅片的背面传入,因此光刻胶内部的溶剂将向表面移动而离开光刻胶。
如果处于光刻胶表面的溶剂的挥发速度比光刻胶内部溶剂的挥发速度快,当表面的光刻胶已经固化时,再继续进行烘焙,光刻胶表面将会变得粗糙,使用平板烘烤就可以解决这个问题。
前烘的加热方式,34,曝光,曝光是使光刻掩模版与涂上光刻胶的衬底对准,用光源经过光刻掩模版照射衬底,使接受到光照的光刻胶的光学特性发生变化。
曝光中要特别注意曝光光源的选择和对准。
35,简单的光学系统曝光图,显影,显影后所留下的光刻胶图形将在后续的刻蚀和离子注入工艺中做为掩膜,因此显影也是一步重要工艺。
严格地说,在显影时曝光区与非曝光区的光刻胶都有不同程度的溶解。
曝光区与非曝光区的光刻胶的溶解速度反差越大,显影后得到的图形对比度越高。
影响显影效果的主要因素包括:
曝光时间;
前烘的温度和时间;
光刻胶的膜厚;
显影液的浓度;
显影液的温度;
显影液的搅动情况等。
以正胶为例,在显影过程中,曝光区的光刻胶在显影液中溶解,非曝光区的光刻胶则不会溶解。
曝光后在光刻胶层中形成的潜在图形,显影后便显现出来,这一步骤称为显影。
显影的方式有许多种,目前广泛使用的是喷洒方法。
可分为三个阶段:
硅片被置于旋转台上,并且在硅片表面上喷洒显影液;
然后硅片将在静止的状态下进行显影;
显影完成之后,需要经过漂洗,之后再烘干。
喷洒方法的优点在于它可以满足工艺流水线的要求。
显影之后,一般要通过光学显微镜、扫描电镜(SEM)或者激光系统来检查图形的尺寸是否满足要求。
如果不能满足要求,可以返工。
因为经过显影之后只是在光刻胶上形成了图形,只需去掉光刻胶就可以重新进行上述各步工艺。
显影方式与检测,38,坚膜,坚膜也叫后烘,主要作用是除去光刻胶中剩余的溶剂,增强光刻胶对硅片表面的附着力,同时提高光刻胶在刻蚀和离子注入过程中的抗蚀性和保护能力。
坚膜温度要高于前烘和曝光后烘烤温度,较高的坚膜温度可使坚膜后光刻胶中的溶剂含量更少,但增加了去胶时的困难。
且光刻胶内部拉伸应力的增加会使光刻胶的附着性下降,因此必须适当的控制坚膜温度。
1030min,100140C,坚膜的温度和时间要合适。
若温度太低,时间过短,抗蚀剂胶膜没有烘透,胶膜就不坚固,腐蚀时易脱胶;
若温度过高,时间过长,则抗蚀剂胶膜因热膨胀而翘曲和剥落,腐蚀时也容易产生钻蚀或脱胶,还可能引起聚合物分解,产生低分子化合物,影响粘附性能,削弱抗蚀能力。
此外,坚膜时最好采用缓慢升温和自然冷却降温的方式,以及从背面烘烤的办法。
腐蚀,腐蚀就是用适当的腐蚀剂,对未被胶膜覆盖的二氧化硅或其他性质的薄膜进行腐蚀,按照光刻胶膜上已经显示出来的图形,进行完整、清晰、准确的腐蚀,达到选择性扩散或金属布线的目的。
它是影响光刻精度的重要环节。
对腐蚀剂的要求有:
(1)只对需要腐蚀的物质进行腐蚀。
(2)对抗蚀剂胶膜不腐蚀或腐蚀很小。
(3)腐蚀因子要大于一定的数值。
腐蚀因子定义为:
当腐蚀线条时,腐蚀的深度与一边的横向增加量的比值。
它的值大则表明横向腐蚀速度小,腐蚀效果好,常用来衡量腐蚀的质量。
(4)腐蚀液毒性小,使用方便,腐蚀图形边缘整齐、清晰。
去胶,去胶是常规光刻工艺的最后一道工序,简单地讲,是使用特定的方法将经过腐蚀之后还留在表面的胶膜去除掉。
在集成电路工艺中,去胶的方法包括湿法去胶和干法去胶,在湿法去胶中又分为有机溶液去胶和无机溶液去胶。
有机溶液去胶主要是使光刻胶溶于有机溶液中(丙酮和芳香族的有机溶剂),从而达到去胶的目的。
无机溶液去胶的原理是使用一些无机溶液(如H2SO4和H2O2等),将光刻胶中的碳元
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