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光刻工艺介绍.docx
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光刻工艺介绍
一、定义与简介
光刻是所有四个基本工艺中最关键的,也就是被称为大家熟知的photo,lithography,photomasking,masking,或microlithography。
在晶圆的制造过程中,晶体三极管、二极管、电容、电阻和金属层的各种物理部件在晶圆表面或表层内构成,这些部件是预先做在一块或者数块光罩上,并且结合生成薄膜,通过光刻工艺过程,去除特定部分,最终在晶圆上保留特征图形的部分。
光刻其实就是高科技版本的照相术,只不过是在难以置信的微小尺寸下完成,现在先进的硅12英寸生产线已经做到22nm,我们这条线的目标6英寸砷化镓片上做到0.11um。
光刻生产的目标是根据电路设计的要求,生成尺寸精确的特征图形,并且在晶圆表面的位置正确且与其它部件的关联正确。
二、光刻工艺流程介绍
光刻与照相类似,其工艺流程也类似:
实际上,普通光刻工艺流程包括下面的流程:
1)SubstratePretreatment即预处理,目的是改变晶圆表面的性质,使其能和光刻胶(PR)粘连牢固。
主要方法就是涂HMDS,在密闭腔体内晶圆下面加热到120℃,上面用喷入氮气加压的雾状HMDS,使得HMDS和晶圆表面的-OH健发生反应已除去水汽和亲水健结构,反应充分后在23℃冷板上降温。
该方法效果远比传统的热板加热除湿好。
2)Spincoat即旋转涂光刻胶,用旋转涂布法能提高光刻胶薄膜的均匀性与稳定性。
光刻胶中主要物质有树脂、溶剂、感光剂和其它添加剂,感光剂在光照下会迅速反应。
一般设备的稳定工作最高转速不超过4000rpm,而最好的工作转速在2000~3000rpm。
3)SoftBake(Pre-bake)即软烘,目的是除去光刻胶中溶剂。
一般是在90℃的热板中完成。
4)Exposure即曝光,这也是光刻工艺中最为重要的一步,就是用紫外线把光罩上的图形成像到晶圆表面,从而把光罩上面的图形转移到晶圆表面上的光刻胶中。
这一步曝光的能量(Dose)和成像焦点偏移(Focusoffset)尤为重要.
5)PostExposureBake(PEB)即后烘,这是非常重要的一步。
在I-line光刻机中,这一步的目的是消除光阻层侧壁的驻波效应,使侧壁平整竖直;而在DUV光刻机中这一步的目的则是起化学放大反应,DUV设备曝光时,光刻胶不会完全反应,只是产生部分反应生成少量H+离子,而在这一步烘烤中H+离子起到类似催化剂的作用,使感光区光刻胶完全反应。
这一步主要控制的也是温度与时间,而对于温度的均匀性要求也非常高,通常DUV的光阻要求热板内温度偏差小于0.3℃。
6)Develop即显影,就是把光刻胶光照后的可溶部分除去,留下想要的图形。
光刻胶有正胶和负胶两种,正胶就是光照部分可溶于显影液,而负胶就是未光照部分可溶。
一般来说正胶可以得到更高的分辨率,而负胶则更耐腐蚀。
显影和清洗都在显影槽中完成,每一步的转速和时间都至为重要,对最后图形的均匀性和质量影响很大。
有的光刻工艺在显影完成后还有一步hardbake即硬烘来除去光刻胶在显影槽中清洗而残留的水分。
而有的工艺流程中,在光刻下一工序前会有一道坚膜来除去水分,hardbake就可以不要了。
7)显影完成后光刻工艺应该算基本完成,不过在将产品送到下一工序前我们还是需要验证确认光刻工艺质量,不合格的产品可以除去光刻胶来返工。
显影后检查首先就是ADI(AferDevelopInspection),也就是在显微镜下检查晶圆表面有无异常。
光刻中常见的问题有失焦(defocus),图形倒塌(peeling),异常颗粒(particle),刮伤等等。
8)CDmeasurement即线宽测量,目的是检查光刻得到的线宽是不是符合设计的要求,同时要检查整片晶圆上线宽的均匀性。
9)Overlay即套刻精度测量,现在IC部件都是很多层光罩套刻累加形成的,不同层之间需要对准,而Overlay就是专门测量不同层之间对准精度的。
三、光刻设备介绍
在以上的工序中ADI,CD和OVL都有专门的量测设备,Exposure是在光刻机中完成,而Pretreatment,Spincoater,Softbake,PEB和Develop都是在track设备中完成的,为了提高效率,track和光刻机通常是集成在一起的。
在我们采购的ASML光刻机和TELtrack都是自动化相当高的设备,手动条件下也只需要放上要做的产品片盒后选好程序就行,而自动条件下只要放上片盒,自动化系统会自行选择要用的程序。
一般情况下ASML光刻机的产能可以做到每小时60~90片。
就Track而言,目前高端市场占有率最高的是TEL,其次就是DNS,在产能和稳定性方面,TEL占有较大优势。
不管是DNS还是TEL,其设备都是把spincoat,Develop,热板,冷板以及洗边的模块堆叠起来,通过中间的机械手来传送晶圆。
就Scanner而言,目前在高端市场上,ASML在分辨率,稳定性和产能方面都占有绝对优势,将其竞争者(Nikon,Canon)远远甩在后面。
ASML光刻机是一个非常负责的系统,一般来说包括以下几个子系统:
1)晶圆处理系统(waferhandling),就是晶圆传送和预对准系统,通过CCD侦测晶圆边缘的预对准精度能达到40微米以下。
2)光罩处理系统((reticlehandling),就是光罩传送和预对准系统。
3)对准系统(Alignment),就是做晶圆和载片台(waferstage)间对准,载片台和光罩之间对准,载片台和光罩载物台间对准。
ASML设备有不同的对准光源,主要是He-Ne激光和曝光用紫外线。
单就设备能力而言,光刻后图形的对准精度一般可以做到特征线宽的1/10左右,例如I-linestepper100B的特征线宽可以做到0.5um,设备对准精度就可以做到0.05um。
4)成像系统(Imaging),光刻机成像系统包括光源,光罩,投影镜头组。
由于现在工艺的发展,线宽越来越小,即便是紫外线在通过光罩时,也会发生衍射,而投影镜就是收集衍射后的光线并用凹凸镜成像。
一般stepper(步进式光刻机)成像都是光罩的1/5,而scanner则是1/4.
5)找平系统(Leveling),光刻机成像系统包括光源,光罩,投影镜头组,载片台和晶圆,其中任何一个有微小偏差,都会导致成像面和晶圆不在一个平面上。
leveling系统就是在曝光前测量晶圆表面与成像面是否平行,从而在曝光时可以调整载片台的表面,使晶圆表面与成像面平行,得到最佳的光刻图形。
Leveling系统的侦测与调整都是在ppm或um的数量级内进行的。
6)照明系统(Illumination),就是把光源发出的光传送到光罩表面的系统,在传送的过程中要滤波长与要求不符和的(I-line波长365nm,DUVKrF是248nm,而ArF则是193nm),并且要使光束达到均匀一致,光束的大小也要符合曝光区域的要求。
通常ASML光束不均匀性可以做到1.5%以下,而曝光范围精度可以控制在100um以下。
7)环境控制系统(C&T),主要分成温度控制和洁净度两部分。
温度控制主要通过循环冷却水和热交换机来实现,而洁净度由downflow鼓入干净空气和向外的强排风来实现。
光刻机内部可以达到class1的环境。
四、光刻参数介绍
光刻工艺中重要的参数很多,例如数值孔径(NA),空间相干系数(Sigma),能量(dose),焦点偏移(Focusoffset),对准偏差补值(OVLoffset),曝光平面旋转等等,其中最为重要的就是NA。
下面是光刻工艺中最为重要的两个公式:
λ是指曝光所用光源的波长
Resolution就是分辨率,也就是我们表征光刻机能力最重要的一个参数,分辨率越小表明设备能做到的线宽越小,设备越先进;DOF即景深,是有效成像对应的Focus范围,也是表征设备性能的重要参数,DOF越大表明设备工艺容忍度越高,设备越先进。
而K1、K2是两个与系统相关的系数,由这两个公式我们可以看到λ与resolution成正比,由此光刻机曝光光源由紫外线像深紫外线发展,目前最先进的是ArF激光产生的193nm光源。
而NA则是与分辨率成反比,从下面stepper和scanner的NA发展中就可发现。
但是我们在要求分辨率越来越小的同时也希望尽量增加DOF,这要求减小NA增加λ。
所以NA的变化不能太大,好在随着光刻胶与光罩技术的发展,对DOF的要求越来越小,I-line光刻机要求的DOF一般在0.6um以上,而ArF光刻机在0.2um就可以了。
NA,Sigma这些参数极为重要,在产品工艺建立初期,我们就需要通过模拟软件算出最佳设定,并通过实验来验证,在以后的工艺维护中不会轻易更改。
而验证这些设定方法就是看不同设定下工艺窗口的大小,表征工艺窗口的两个主要指标就是DOF和EL(有效能量范围),工艺窗口越大表明工艺越稳定。
后期工艺维护中就在在DOF与EL的范围内来调整focusoffset和dose。
OVL补值是和不同层之间对准相关的设定,由于工艺和光罩,晶圆的偏差,我们不一定要求光刻机在对得最好的位置曝光,而是在一定偏移下曝光才能得到对得最好的图形。
OVL补值关系到当层和前层工艺、设备、光刻胶等等条件,比较难控制,一般在OVL要求很高的工艺中,把相关因素都编在一个自动补值的软件中,让软件来自动计算补值才相对准确。
如果OVL要求不是特别高,我们在做好不同设备间OVL一致性检查和补值后,通过抽检产品来监控有无异常即可。
五、光刻在GaAs中的应用
光刻工艺在GaAs中的应用会有所不同,一方面有普通意义上的光刻,对光刻胶形成的图形侧壁要求85〫以上。
光刻在GaAs工艺中另外一个应用就是lift-off,光刻胶要做成倒梯形,在垂直方向长金属后,可以用去胶溶液将光刻胶除去,留下想要图形。
这与用光刻胶直接留下想要的图形的传统意义光刻是很不一样的。
Lift-off光刻工艺中的重点就是结合光刻胶的特性,设置合适的focusoffset。
总之光刻是IC电子元器件形成的重要工序,光刻工艺的发展才使得线宽越来越小,集成度越来越高,我们所用的电子产品才能越来越小巧精致。
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