半导体工艺与制造篇5 光刻

光刻

光刻的图形包括:硅片上的半导体元器件,隔离槽,接触孔,金属互连线,互连金属层的通孔

光刻的要求:光刻机的分辨率,光刻胶光学敏感性,精确对准等等

光刻胶

光刻胶的评价标准:

1.分辨率(表征精度)

2.对紫外线uv的灵敏度

3.粘滞性

4.粘附力

5.对比度(也称为陡直度,无膨胀)。膨胀一般发生在负胶中

6.流动性

7.沾污

8.稳定性

9.抗蚀性

分辨率resolution

分辨率的定义:将硅片上两个邻近特征图形区分开的能力

分辨率定量表达: R = k λ N A R=k\frac{\lambda}{NA} R=kNAλ

工艺依存系数 k k k,波长 λ \lambda λ(一般为0.6~0.8),镜头口径NA

分辨率的提升手段:

1.改进光源来缩短

2.改良镜头以增大NA。但镜头无法一直增大,否则聚焦深度过小,所以采用浸没式光刻

浸没式光刻特点: λ = 193 n m \lambda=193nm λ=193nm时纯水的折射率 n ≈ 1.44 n\approx 1.44 n≈1.44, θ > 70 度 \theta>70度 θ>70度, N A > 1 NA>1 NA>1

3.改良刻蚀剂并采用其他超分辨技术来增大系数k

对紫外线的灵敏度

改进方法,添加光酸产生剂

粘附力

粘附力的改进方法:在涂胶前对衬底做脱水处理;使用hdms增粘剂;提高坚膜温度;干法刻蚀可以降低对粘附力的要求

光刻机的光源

常用光源 -- 波长 关键尺寸
汞灯 g线 436nm 360nm
-- i线 365nm --
准分子激光 KrF 248nm 130nm
-- ArF 193nm 80nm
-- EUV 13.5nm 7nm

EUV采用全反射系统,反射镜材料包括Mo和Si

掩膜版

掩膜版的定义:光刻复制图形的基准和蓝本

掩膜板的组成:熔融石英的基材,铬Cr的遮蔽层(铬的特点是不透过紫外光)

掩膜板的分类:光学掩膜版mask;投影掩膜版reticle

投影掩膜板的优点:因为板更大,所以制版容易;缺陷也会比例缩小;曝光均匀度高

光刻工艺

光刻工艺的流程:

1.气相成膜

2.涂胶

3.软烘前烘

4.曝光与对准

5.后烘硬烘

6.显影

7.坚膜烘烤

8.检查

光刻工艺的设备往往"内联",也就是设备往往集成

涂胶coating

涂胶的分类:静态涂胶(衬底片,从静止开始);动态图胶先低速旋转(如500RPM)再加速

光刻胶粘度下降或旋转速度增加,可以使膜的厚度变薄

涂胶时旋转加速度越大,胶越均匀

软烘前烘

软烘前烘的现象:蒸发胶中有机溶剂,使晶圆表面胶固化

软烘前烘的作用:增加粘附性;消除光刻胶膜内应力;防止光刻胶沾污设备

软烘时温度过高,易产生肌肤效应

肌肤效应会像荷叶表面一样,使晶圆具有疏水性

曝光与对准

曝光与对准的重要参数:曝光时间、曝光功率

曝光设备分类:

光刻机分类 -- 备注
接触式/接近式光刻机 -- --
投影式光刻机 扫描投影光刻机 扫描的含义:一小道光束一点点画出图形
-- 步进重复投影光刻机stepper 特点是晶圆动,但光不动,比例约为5:1,图案一块块印
-- 步进扫描投影光刻机scanner 特点:晶圆和光都会移动,比例约为4:1

后烘硬烘

后烘硬烘的作用:促进关键光刻胶的化学反应,为显影做准备

显影

显影分类:对正胶用TMAH(四甲基氢氧化铵);对负胶用二甲苯

显影的常见问题:显影不完全,显影不足,过度显影

坚膜烘烤

坚膜烘烤的效果:使胶膜更牢固地粘附在晶圆表面

坚膜的作用:改善胶的抗刻蚀、抗注入能力;改善胶的粘附性;去除胶中针孔,进一步减少驻波效应。

坚膜烘烤的常见问题:烘烤不足,则改善都不奏效;烘烤过度:胶流动,分辨率变差

去胶

去胶也称为灰化,一般用于返工前或者刻蚀与离子注入之后

去胶的方法分类:氧化去胶,干法去胶,湿法去胶

灰化设备的特点:均是独立设备,无法内联

其他光刻技术

电子数直写曝光:常用于制造掩膜版

双重图案工艺:曝光两次,精度两倍。工艺流程一般是光刻-刻蚀-光刻-刻蚀(LELE)

自对准双重成像SADP:多次曝光的一个关键技术,使用了侧壁工艺,适用于一定间距的重复图案(通俗的讲,就是一块墙壁有两个侧壁,所以精度乘以2。墙壁就是两侧壁的间距)

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