光刻-课件(PPT演示).ppt
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第五章光刻,离子注入回顾,光刻的概念,光刻是处于硅片加工过程中心的工艺技术,光刻成本约占整个硅片加工成本的三分之一;类似于传统照相过程,通过曝光和选择性腐蚀等工序,将掩膜版上设计好的电路图形转移到硅圆片上。
光刻工艺,光刻的本质是把所需图形复制到待刻蚀晶圆片,电路图形首先被制作在被称作光刻掩膜版的石英膜版上,然后将图形精确、重复转印至涂有光刻胶的待腐蚀层上。
利用光刻胶的选择性保护作用,对需腐蚀图形进行选择性化学腐蚀,在表面形成与光刻模板图形相同(或相反)的图形。
光刻工艺的概念,光刻工艺要求,完整光刻工艺包括光刻和刻蚀两部分,但随微细加工工艺进一步细分,刻蚀成了另外一道工序。
集成电路集成度不断提高对光刻技术要求越来越高,主要体现在:
高灵敏度曝光时间:
感光速度,套刻对准精度重复性,高分辨率光刻精度与清晰度,大尺寸硅片热变形,低缺陷率可靠性,光刻三要素,光刻所需要三要素为:
光刻胶、掩膜版和光刻设备,类比:
胶卷、镜头和成像系统,光刻胶又称光致抗蚀剂,由感光树脂(感光剂)、光敏化合物(增感剂)和有机溶剂组成,各部分的作用?
光刻胶技术参数,分辨率:
区别硅片表面相邻图形特征的能力,用关键尺寸(CD)来衡量CD越小,分辨率越高;,对比度:
从曝光区到非曝光区过渡段的陡度,陡度越大对比度越好,分辨率越高;,敏感度:
光刻胶产生结构变化所需一定波长的光具有的最小能量;,抗蚀性与粘附性:
经后续刻蚀、离子注入等工艺冲击的稳定性和图形保持性;,光刻胶感光原理,作用机理:
光刻胶受特定波长光线照射后,自身发生化学反应,导致结构产生变化,进而引起溶解特性的改变。
光刻胶按溶解特性变化可分为正性胶和负性胶。
感光原理:
正性胶曝光前不可溶而曝光后可溶负性胶曝光前可溶而曝光后不可溶,不同光刻胶具有不同分辨率和感光灵敏度等,通常正胶分辨率好于负胶,负胶出现早于正胶。
正性光刻,正性光刻工艺中,复制到硅片表面的图形与掩膜版上的图形一致,曝光后的正性光刻胶区域在显影液中被溶解去除。
负性光刻,负性光刻工艺中,复制到硅片表面的图形与掩膜版上的图形相反,未曝光的负性光刻胶区域在显影液中被溶解去除。
正性胶与负性胶光刻效果对比,掩膜版与光刻胶,转移到光刻胶上的图形应依据光刻胶种类选择合适掩膜版。
光刻基本工艺步骤,1)气相成底膜-硅片清洗,硅片表面质量对提高光刻成品率非常关键,光刻前要进行硅片平整度和洁净度检查、清洗脱水(去除玷污和杂质颗粒等)和表面成膜处理,目的是保证硅片的良好平面度、洁净度、增强硅片与光刻胶之间的粘附性。
硅片表面玷污易造成光刻胶与硅片粘附性差,应尽量缩短前步氧化(或淀积)处理与涂胶间的间隔时间。
气相成底膜-脱水烘焙,硅片容易吸附潮气在表面从而影响光刻胶的粘附性,增强粘附性可通过高温烘焙和添加增粘剂两种方式实现。
脱水烘焙即在硅片成底膜前对其表面进行脱水干燥处理。
典型的脱水烘焙在充满惰性气体的烘箱或热板上进行,脱水烘焙温度一般为200-250,最高不能超过400,热烘后需要进行快速冷却。
目前多采用两种方法相结合实现气相成底膜工艺,清洗后脱水干烘,然后采用六甲基二硅胺烷(HMDS)进行成膜处理。
另一种方法为涂覆增粘剂:
旋转涂布法和蒸汽涂布法。
气相成底膜-增粘处理,2)旋转涂胶,涂胶是将光刻胶溶液均匀涂在硅片表面的过程。
分为滴涂法和自动喷涂法两种。
其中,前者涂布效果好,后者则适用于企业的大规模生产。
旋转涂胶步骤,分滴,铺开,甩胶,溶剂挥发,工艺控制要点,工艺要点:
1、硅片置于真空吸盘;2、每次滴胶约5ml;3、先慢后快实现均匀涂布;4、质量指标:
时间、湿度、速度、厚度均匀性、颗粒和缺陷控制等。
EdgeBackRemoval,3)软烘(前烘),软烘可使光刻胶中溶剂进一步挥发、缓和旋转涂布过程中胶膜内应力、提高光刻胶粘附性和均匀性、优化光刻胶光吸收特性(敏感性)、增强胶膜机械擦除能力等。
软烘可分为热板式(热传导)和烘箱式(热空气对流、空外热辐射)两种,其中热板式最常用,光刻胶被来自热垫板(真空环境)的热能加温,对烘烤温度和时间要进行控制,烘箱法则时间要稍长些。
软烘设备,思考:
温度和时间控制对光刻胶有何影响?
4)对准和曝光,光刻设备主要包括紫外光源、光学系统、投影掩膜版、对准系统等。
4)对准和曝光重要性,集成电路制作过程中,需要通过连续淀积和形成材料层图形等实现电路的制备,通常需靠多次掩膜版转移才能得到最终结构。
随着集成电路规模不断扩大,接触孔、金属线宽和线间距等尺寸不断缩小,对准精度不高易于造成光刻区域模糊或交叠,导致产品性能和可靠性降低。
4)对准和曝光设备,4)对准和曝光,掩膜版透明和非透明区域组成了待转移图形,曝光是将掩膜版上的图形精确复制成光刻胶上的最终图像,曝光过程中,从光源发出的光通过对准的掩膜版将能量传递给光刻胶,并使光刻胶结构发生改变(感光)实现曝光。
4)对准和曝光-曝光分类,曝光按光源不同可分为光学曝光、X射线曝光、电子束曝光等;按掩膜版位置不同可分为接触式曝光、接近式曝光和投影式曝光。
5)曝光后烘焙,曝光后烘焙可促进关键部位光刻胶化学反应特性:
紫外光曝光过程中,在光刻胶曝光区产生一种酸,有利于催化光刻胶溶于显影液,烘焙可以使光生酸扩散至曝光-未曝光界面,改善图形显影效果。
6)显影,显影是指将已曝光晶圆片采用适当溶剂(显影液)浸渍或喷淋,使光刻胶上的不需要区域溶解掉获得所需图案的过程冲洗照片。
控制关键尺寸是显影过程重点,与曝光质量、所用显影液种类、显影方式和显影时间等有关系。
6)显影质量,显影过程中,感光和未感光光刻胶在显影液中均不同程度的被溶解,只是溶解速率差别不同,溶解速率差别越大越好:
必须曝光适当并选择合适显影液;为避免光刻胶长时间存放发生其他副反应,曝光后应尽快进行显影。
6)显影,6)显影方法,最早的显影方式是将一盒硅片浸没于显影液中缺点?
目前常用显影方法主要有两种:
连续喷雾式和旋覆浸没式显影,热量问题,硅片边缘溶蚀,设备复杂,6)显影方法-旋覆浸没式,7)坚膜,显影后的热烘焙称为坚膜,由于显影液对光刻胶膜的影响,胶膜在显影后易软化、膨胀,导致粘附力下降,坚膜过程可以改善胶膜粘附力、去除剩余溶剂和水,保证胶膜达到一定硬度等。
8)显影检查,显影后进行检查用来检测光刻工艺好坏,目的是查找光刻胶成形图形缺陷,为随后刻蚀或离子注入做准备,并及时去除有缺陷的硅圆片,显影检查通常采用自动检测设备进行。
8)显影检查-后处理,光刻质量分析,溶胶(脱胶):
显影或刻蚀时,硅片表面胶膜大面积起皱甚至脱落现象;1、操作环境湿度大烘焙不足,未合理使用增粘剂;2、硅片表面玷污存在杂质或颗粒,清洗不够;3、前烘不足或过度胶膜内残留溶剂、抗蚀力下降;4、曝光或显影不合适曝光不足,曝光与显影间隔太短(敏感性、胶膜质量)或显影时间过长;,光刻质量分析,小岛:
残留在光刻窗口上局部细小的二氧化硅层,会导致后续扩散或离子注入导致PN结不平坦,影响器件性能。
1、掩膜版质量不好,光刻掩膜版上存在坏点(小孔或透光点)导致残留的突起物;2、光刻胶中存在颗粒状杂质局部二氧化硅腐蚀不完全被残留;3、曝光过度显影不完全,底部有胶膜残留;,针孔:
胶膜不完整,在光刻窗口以外的二氧化硅层上产生细小孔洞,造成不应掺杂的区域也有杂质扩散进去。
1、掩膜版有黑斑或阻挡光线的物质胶膜曝光特性受影响:
分正负胶;2、操作过程玷污涂胶过程有尘埃存在于胶膜中;3、感光剂不纯或局部分布不均曝光不均;4、硅片质量不好有颗粒状凹坑:
曝光不充分等;5、曝光不当曝光时间过长,胶膜起皱导致掩蔽失效;,光刻质量分析,
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