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1、第08章 光刻-lithography,引言,光刻是IC制造业中最为重要的一道工艺，其构想来源于印刷技术中的照相制版技术。硅片制造工艺中，光刻占所有成本的35%。通常可用光刻次数及所需掩模的个数来表示某生产工艺的难易程度，一个典型的硅集成电路工艺包括1520块掩膜版。自1959年IC发明至今的40多年里，IC的集成度不断提高，器件的特征尺寸不断减小，这主要归功于光刻技术的进步。通常人们用特征尺寸来评价一个集成电路生产线的技术水平。所谓特征尺寸（CD：characteristic dimension）是指设计的多晶硅栅长，它标志了器件工艺的总体水平，是设计规则的主要部分。通常我们所说的0.13m
2、，0.09m工艺指的是光刻技术所能达到最小线条的工艺。,引言,光刻的定义：光刻是一种图形复印和化学腐蚀相结合的精密表面加工技术。光刻的目的：光刻的目的就是在二氧化硅或金属薄膜上面刻蚀出与掩膜版完全对应的几何图形，把掩模版上的图形转换成晶圆上的器件结构，从而实现选择性扩散和金属薄膜布线的目的。,对光刻的基本要求：高分辨率 高灵敏度 精密的套刻对准 大尺寸硅片上的加工 低缺陷,引言,高分辨率分辨率是将硅片上两个邻近的特征图形区分开来的能力，即对光刻工艺中可以达到的最小光刻图形尺寸的一种描述，是光刻精度和清晰度的标志之一。随着集成电路的集成度提高，加工的线条越来越细，对分辨率的要求也越来越高。分辨率
3、表示每mm内能够刻蚀出可分辨的最多线条数。R=1/2L（L为线条宽度）,高灵敏度灵敏度是指光刻胶感光的速度。为了提高产量要求曝光时间越短越好，也就要求高灵敏度。精密的套刻对准集成电路制作需要十多次甚至几十次光刻，每次光刻都要相互套准。由于图形的特征尺寸在亚微米数量级上，因此，对套刻要求很高。要求套刻误差在特征尺寸的10左右。,引言,大尺寸硅片的加工为了提高效益和Si片利用率，一般采用大尺寸Si片。但是，随着晶圆尺寸增大，周围环境会引起晶圆片的膨胀和收缩。因此对周围环境的温度控制要求十分严格，否则会影响光刻质量。低缺陷缺陷会使电路失效，因此应该尽量减少缺陷。,8.1 光刻工艺流程,完整的工艺流程
4、涂胶前烘曝光显影坚膜刻蚀去胶,8.1 光刻工艺流程,涂胶目的：在Si片表面形成厚度均匀、附着性强、没有缺陷的光刻胶薄膜。具体工艺为确保光刻胶能和晶圆表面很好粘结，必须进行表面处理，包括三个阶段：微粒清除、脱水烘焙和涂底胶。涂底胶后，涂液相光刻胶。,第一步:微粒清除目的：清除掉晶圆在存储、装载和卸载到片匣过程中吸附到的一些颗粒状污染物。清除方法：高压氮气吹除化学湿法清洗：酸清洗和烘干。旋转刷刷洗高压水流喷洗经过清洁处理后的晶圆表面可能会含有一定的水分（亲水性表面），所以必须脱水烘焙使其达到清洁干燥（憎水性表面），以便增加光刻胶和晶园表面的黏附能力。,8.1 光刻工艺流程,第二步:脱水烘焙目的：干
5、燥晶圆表面，使基底表面由亲水性变为憎水性，增加表面粘附性。脱水烘焙的三个温度范围：150-200，低温蒸发水分；400，中温烘烤；750，高温烘干。,保持憎水性表面通常通过下面两种方法：一是保持室内温度在50以下，并且在晶园完成前一步工艺之后尽可能快的进行涂胶。另一种方法是把晶园存储在用干燥并且干净的氮气净化过的干燥器中。,8.1 光刻工艺流程,第三步：晶片涂底胶目的：增强光刻胶与晶圆之间的附着力。用六甲基乙硅氮烷（HMDS）或三甲基甲硅烷基二乙胺（TMSDEA）进行成膜处理。第四步：正式涂胶（旋转涂胶法）静态涂胶工艺首先把光刻胶通过管道堆积在晶片的中心，堆积量由晶片大小和光刻胶的类型决定，堆
6、积量非常关键，量少了会导致涂胶不均匀，量大了会导致晶园边缘光刻胶的堆积甚至流到背面动态喷洒随着晶园直径越来越大，静态涂胶已不能满足要求，动态喷洒是晶片500rpm的速度低速旋转，其目的是帮助光刻胶最初的扩散，用这种方法可以用较少量的光刻胶而达到更均匀的光刻胶膜。待扩散后旋转器加速完成最终要求薄而均匀的光刻胶膜。,8.1 光刻工艺流程,静态涂胶工艺,动态涂胶工艺,8.1 光刻工艺流程,旋转涂胶的四个步骤分滴：当硅片静止或者旋转的非常慢时，光刻胶被分滴在硅片上。旋转铺开：快速加速硅片使光刻胶伸展到整个硅片表面。旋转甩掉：甩掉多于的光刻胶，在硅片上得到均匀的光刻胶胶膜覆盖层。溶剂挥发：以固定转速继续
7、旋转涂胶的硅片，直到溶剂挥发，光刻胶胶膜几乎干燥。,8.1 光刻工艺流程,特点甩胶之后留在Si片上的不到1%，其余都被甩掉。膜厚与转速的平方根成反比。提升转速越快，均匀性越好。转速提升慢的话，溶剂挥发，胶变得粘稠不好移动。转速越快，均匀性越好。,注意事项Si片越大，转速应该越小。涂胶应该是在超净环境中进行，避免黏附微粒。喷洒的光刻胶中不能含有空气。,8.1 光刻工艺流程,前烘目的在较高温度下进行烘焙，可以使溶剂从光刻胶中挥发出来（前烘前含有10-30%的溶剂，前烘后则降至5%左右）。降低灰尘的沾污。溶剂吸收光，干扰了曝光中聚合物的化学反应。蒸发溶剂增强光刻胶和晶圆的粘附力。减轻高速旋转形成的薄
8、膜应力，从而提高光刻胶的黏附性。,为显影做准备。若光刻胶未经前烘，那么曝光区和非曝光区的光刻胶的溶剂含量都比较高，在显影液中都会溶解。具体工艺真空热平板烘烤。烘烤时间和温度要精确控制。温度在90100，在热板上加热30秒，然后在冷板上降温。,8.1 光刻工艺流程,注意事项不完全的烘焙在曝光过程中造成图像形成不完整和在刻蚀过程中造成多余的光刻胶漂移；过分烘焙会造成光刻胶中的聚合物产生聚合反应，并且不与曝光射线反应，影响曝光。,8.1 光刻工艺流程,曝光目的：对光刻胶进行曝光，使其某些区域被光照，某些区域不被光照，发生不同的化学反应，在其中出现隐形的图形，为显影做准备。对准：将掩膜版与涂了胶的硅片
9、上的正确位置对准。曝光是对准以后，将掩膜版和硅片曝光，把掩膜版图形转移到涂胶的硅片上。,8.1 光刻工艺流程,8.1 光刻工艺流程,8.1 光刻工艺流程,正版：掩膜板的图形是由不透光区域组成的。负版：掩膜板的图形是由透光区域组成的。,8.1 光刻工艺流程,对准和曝光包括两个系统：一个是要把图形在晶圆表面上准确定位的对准系统（不同的对准机类型的对准系统各不相同）；对准机的性能指标包括分辨率：机器产生特定尺寸的能力，分辨率越高，机器的性能越好。套准能力：图形准确定位的能力另一个是曝光系统（包括一个曝光光源和一个将辐射光线导向到晶圆表面上的机械装置）。曝光后烘烤（PEB，Post Exposure
10、Baking，后烘）目的：促进光刻胶的化学反应，提高光刻胶的粘附性并减少驻波。,8.1 光刻工艺流程,显影目的：利用感光与未感光的光刻胶对碱性溶液的不同溶解度，进行掩模图形的转移，让曝光后在光刻胶中形成的潜在图形显现出来，在光刻胶上形成三维图形。在显影过程中，正胶的曝光区，或负胶的非曝光区的光刻胶在显影液中溶解，而相反的区域则不溶解。显影后留下的光刻胶将在后续的刻蚀和离子注入工艺中充当掩膜。,8.1 光刻工艺流程,具体工艺三个基本步骤:显影清洗干燥显影方式分为：湿法显影，干法（等离子）显影湿法显影沉浸显影连续喷雾（continuous spray）显影；旋覆浸没（puddle）显影干法显影,沉
11、浸显影最原始的方法。就是将待显影的晶圆放入盛有显影液的容器中，经过一定的时间再放入加有化学冲洗液的池中进行冲洗。比较简单，但存在的问题较多：液体表面张力会阻止显影液进入微小开孔区；溶解的光刻胶粘在晶圆表面影响显影质量；随着显影次数增加显影液的稀释和污染；显影温度对显影率的影响等。在大规模生产的今天，此方法不再适用。,8.1 光刻工艺流程,连续喷雾显影自动旋转显影（Auto-rotation Development）显影系统如图所示。显影剂和冲洗液都是在一个系统内完成，每次用的显影液和冲洗液都是新的，所以较沉浸系统清洁。一个或多个喷嘴喷洒显影液在硅片表面，同时硅片低速旋转（100500rpm）。
12、喷嘴喷雾模式和硅片旋转速度是实现硅片间溶解率和均匀性的可重复性的关键调节参数。近年来，喷雾显影已大部分被浸没显影代替，因为后者为上面的因素提供了更大的工艺窗口。,8.1 光刻工艺流程,水坑（旋覆浸没）式显影（Puddle Development）喷覆足够（不能太多，最小化背面湿度）的显影液到硅片表面，并形成水坑形状硅片固定或慢慢旋转。一般采用多次旋覆显影液：第一次涂覆、保持1030秒、去除；第二次涂覆、保持、去除。（多次旋覆浸没补充了显影液的化学药品，更新显影液和光刻胶之间的化学反应）然后甩掉多余的显影液，用去离子水冲洗（去除硅片两面的所有化学品）并旋转甩干。优点：显影液用量少；硅片显影均匀；
13、最小化了温度 梯度。,8.1 光刻工艺流程,8.1 光刻工艺流程,干法显影液体工艺的自动化程度不高，并且化学品的采购、存储、控制和处理费用昂贵，取代液体化学显影的途径是使用等离子体刻蚀工艺，该工艺现已非常成熟。干法光刻显影要求光刻胶化学物的曝光或未曝光的之一易于被氧等离子体去除。,8.1 光刻工艺流程,正胶和负胶的显影正胶（Positive PR）显影显影剂：碱水溶液，氢氧化钠或氢氧化钾；冲洗剂：水具体过程光刻胶（光照）乙烯酮曝光乙烯酮（+水）羧酸水解羧酸（+OH-）盐+H2O显影曝光后的正胶是逐层溶解的，中和反应只在光刻胶表面进行，受显影液影响小。正胶可以得到更高的分辨率。,负胶（Negat
14、ive PR）显影显影剂（developer solution）：二甲苯冲洗化学品（rinse）：n-丁基醋酸盐。快速稀释显影液，冲洗光刻胶具体过程未光照的光刻胶（在显影液中）凝胶体凝胶体被冲洗剂溶解冲掉。未曝光的负胶是整个层都先在显影液中变为凝胶体，然后再分解掉，这样整个负胶层都被浸透，导致曝光区的负胶膨胀变形，使分辨率下降。,8.1 光刻工艺流程,显影后检查显影检验光刻工艺的第一次质检，任何一次工艺过后都要进行检验，经检验合格的晶圆流入下一道工艺。光刻胶的图形是临时性的，合格的硅片将被去除光刻胶返工，刻蚀和注入后的图形是永久的，刻蚀和注入后能返工。,显影检验的内容使用光学显微镜，扫描电子显
15、微镜检查。掩模板是否选用正确光刻胶层的质量是否满足要求，包括光刻胶的污染、空洞或划伤等。图形的质量，如图形尺寸上的偏差。套准精度是否满足。,8.1 光刻工艺流程,显影的三个主要问题显影不完全（Incomplete Development）表面还残留有光刻胶。显影液不足造成；显影不够（Under Development）显影的侧壁不垂直，由显影时间不足造成；过度显影（Over Development）靠近表面的光刻胶被显影液过度溶解，形成台阶。显影时间太长,8.1 光刻工艺流程,8.1 光刻工艺流程,8.1 光刻工艺流程,影响显影效果的主要因素曝光时间前烘的温度和时间光刻胶的厚度显影液的浓度显影
16、液的温度显影液的搅拌情况,8.1 光刻工艺流程,坚膜目的：高温去掉光刻胶中剩余的溶剂，以免污染后续的离子注入环境（例如DNQ酚醛树脂光刻胶中的氮会引起光刻胶局部爆裂），增强光刻胶对Si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，进一步减少驻波效应（Standing Wave Effect）。,8.1 光刻工艺流程,具体工艺热板，温度在120到140，烘烤12分钟。在方法和设备上与前面介绍的软烘焙相似。比前烘温度高，但是不能超过170-180，否则光刻胶就会流动从而破坏图形，而且光刻胶内部拉伸应力的增加会使光刻胶的附着性下降。,坚膜后对胶进行光学稳定用紫外光（UV）辐
17、照并加热。目的是使光刻胶在干法刻蚀过程中的抗蚀性得到增强，而且还可以减少在注入过程中从光刻胶中逸出的气体，防止在光刻胶中形成气泡。,8.1 光刻工艺流程,常见问题烘焙工艺中时间和温度仍然是主要的工艺参数，一般是制造商推荐，工艺工程师精确调整。烘烤不足（Underbake）。减弱光刻胶的强度（抗刻蚀能力和离子注入中的阻挡能力）；降低针孔填充能力（Gapfill Capability for the needle hole）；降低与基底的黏附能力。烘烤过度（Overbake）。引起光刻胶的流动，使图形精度降低，分辨率变差。,光刻胶在高温下的流动,8.1 光刻工艺流程,刻蚀在8.11和8.12中讲述
18、去胶经过刻蚀或离子注入后，不再需要光刻胶做保护层，因此可以去除。,具体工艺湿法去胶有机溶液去胶，使用丙酮和芳香族有机溶剂。无机溶液去胶，使用H2SO4或H2O2将胶中的C氧化为CO2，若胶下为Al，则不能用无机溶液。干法去胶用等离子体剥除光刻胶，但会有反应残留物，故经常干法、湿法搭配使用。,8.2 分辨率,定义分辨率R指线条和间隔清晰可辨时每mm中的线对数。描述在分辨率的描述中常用线宽和线条间距相等的情况标志水平，R定义为R=1/2L（/mm）当要加工的线条超过分辨率时，实际得到的线条和间隔分辨不清，即相邻的两个线条是模糊的。,8.2 分辨率,影响分辨率的因素受到光刻系统、光刻胶、工艺等各种因
19、素的影响。所使用的曝光光源为光、电子、离子、x射线等粒子束，限制分辨率的根本原因是衍射。可以推导出用粒子束曝光，可得到的最细线条。粒子束能量E一定的话，离子质量mLR，但有一定的限制，因为离子本身的线度一般大于1，所以用其加工的尺寸不可能小于他本身的尺度。m一定，ELR。下面各节介绍的内容，都是讨论其是如何影响分辨率的。,8.3 光刻胶的基本属性,光刻胶又称光致抗蚀剂(Photo-Resist)，是光刻工艺的核心，光刻过程中的所有操作都会根据特定的光刻胶性质和想达到的预期结果而进行微调。光刻胶的选择和光刻工艺的研发是一个非常漫长的过程。,光刻胶的分类根据光刻胶在曝光前后溶解特性的变化，分为正光
20、刻胶(Positive optical resist)感光区域在显影时可以溶解，而未感光区域在显影时不溶解，因此，所形成的光刻胶图形是掩模板图形的正映像。负光刻胶(Negative optical resist)同正胶相反。,8.3 光刻胶的基本属性,正胶分辨率高 小于1微米抗干法刻蚀能力强较好的热稳定性小的聚合物尺寸，有高的分辨大应用于IC fabs,负胶对某些衬底表面粘附性好曝光时间短，产量高工艺宽容度较高（显影液稀释度、温度等）价格较低（约正胶的三分之一）分辨率较低含二甲苯，对环境、身体有害,8.3 光刻胶的基本属性,光刻胶使用的目的将掩膜版的图形转移到Si片表面的SiO2层中。在后续工
21、艺（刻蚀、离子注入）中保护下面的材料。光刻胶的成分聚合物材料（也称树脂）在光的辐照下不发生 化学反应，其主要作用是保证光刻胶薄膜的附着性和抗蚀性，同时也决定了光刻胶薄膜的膜厚、弹性和热稳定性等性质。感光材料（感光剂、PAC）一般为复合物，在受光照后会发生化学反应。在g线和i线光刻中使用的正胶是重氮醌感光剂和酚醛树脂构成的。溶剂溶解树脂和感光剂。使光刻胶在涂到Si片表面之前保持为液态。,8.3 光刻胶的基本属性,树脂是一种惰性的聚合物，包括碳、氢、氧的有机高分子。用于把光刻胶中的不同材料聚在一起的粘合剂。胶膜的主体，UV曝光后发生光化学反应，溶解性质发生改变。正胶从不可溶到可溶，负胶从可溶到不可
22、溶。对负性胶，聚合物曝光后会由非聚合状态变为聚合状态。在大多数负性胶里面，聚合物是聚异戊二烯类型。是一种相互粘结的物质抗刻蚀的物质，如图所示。,8.3 光刻胶的基本属性,正性胶的基本聚合物是苯酚甲醛聚合物，也称为苯酚甲醛树脂。如图所示。在光刻胶中聚合物是相对不可溶的，用适当能量的光照后变成可溶状态。这种反应称为光溶解反应,8.3 光刻胶的基本属性,光刻胶中的感光剂是光刻胶材料中的光敏成分。在紫外区，会发生反应。即对光能发生化学反应。如果聚合物中不添加感光剂，那么它对光的敏感性差，而且光谱范围较宽，添加特定的感光剂后，可以增加感光灵敏度，而且限制反应光的光谱范围，或者把反应光限制在某一波长的光。
23、控制和或改变光化学反应决定曝光时间和强度,8.3 光刻胶的基本属性,8.3 光刻胶的基本属性,光刻胶中容量最大的成分是溶剂。添加溶剂的目的是光刻胶处于液态，以便使光刻胶能够通过旋转的方法涂在晶园表面。绝大多数的溶剂在曝光前挥发，对于光刻胶的光化学性质几乎没有影响。作用是，溶解聚合物，经过旋转涂布可得到薄光刻胶膜,8.3 光刻胶的基本属性,光刻胶中的添加剂通常是专有化学品，成份由制造商开发，但是由于竞争原因不对外公布。主要在光刻胶薄膜中用来改变光刻胶的特定化学性质或光响应特性。如添加染色剂以减少反射。,8.3 光刻胶的基本属性,光刻胶的性质对比度定义：光刻胶从曝光区到非曝光区过渡的陡峭程度。对比
24、度越好，形成的图形的侧壁越陡峭，分辨率越好。对比度高的光刻胶造成更好的分辨率。测量方法：对一定厚度的光刻胶，改变曝光剂量，在固定时间内显影，看显影后留下的光刻胶厚度。,8.3 光刻胶的基本属性,理想情况实际情况,Df:完全溶解光刻胶所需的曝光剂量D0:溶解光刻胶所需的阈值曝光剂量这是因为，在实际的曝光过程中，由于衍射和散射的影响，光刻胶所受到的辐照有一定的分布。,8.3 光刻胶的基本属性,光刻胶的膨胀主要发生在负胶中。在显影过程中，若显影液渗透到光刻胶中，光刻胶的体积会膨胀，导致图形尺寸发生变化。正胶不发生膨胀，故分辨率高于负胶。在相同分辨率的情况下，正胶可以涂地厚一些，从而得到更好的平台覆盖
25、，并能降低缺陷的产生。,8.3 光刻胶的基本属性,光敏度光刻胶的光敏度是指完成所需图形曝光的最小曝光剂量。对于光化学反应，光敏度是由曝光效率决定的。曝光效率可以定义为参与光刻胶曝光的光子能量与进入光刻胶中的光子能量的比值。正胶比负胶的光敏度好，因为前者有更高的曝光效率，曝光效果好。提高光敏度可以缩短曝光时间。但是光敏度也不能太高，否则室温下就可能发生热反应，使光刻胶的储存时间减少。,8.3 光刻胶的基本属性,抗刻蚀能力指在图形转移过程中，光刻胶抵抗刻蚀（腐蚀）的能力。通常光刻胶对湿法腐蚀有比较好的抗腐蚀能力，对大部分的干法刻蚀，光刻胶的抗刻蚀能力较差。,8.3 光刻胶的基本属性,黏着力光刻胶通
26、常是涂在金属层、SiO2、PSG、Si3N4和Si衬底上，在光刻和腐蚀（刻蚀）的过程中，光刻胶要牢固的附着在这些物质表面。否则在刻蚀过程中会发生钻蚀和浮胶。增强黏附性的方法有在涂胶之前Si片进行脱水处理使用HDMS、TMSDEA增粘剂提高坚膜的循环温度使用干法刻蚀，可以降低对黏着力的要求。,8.3 光刻胶的基本属性,溶解度和黏滞度光刻胶由溶剂溶解了固态物质（如树脂）所形成的液体，其中溶解的固态物质所占的比重称为溶解度。黏滞度由溶解度控制。二者都和环境温度有关系。严格控制涂胶和甩胶时的溶解度以及工作温度，才可能得到可重复的胶膜厚度。,微粒数量和金属含量为了控制微粒数量，光刻胶在生产过程中要经过严
27、格的过滤和包装。在使用前仍要进行过滤。金属含量主要指Na和K的含量。储存寿命光刻胶的成分会随着时间和温度而发生变化。通常负胶比正胶的寿命短。,8.4 提高光刻分辨率的方法,采用多层光刻胶工艺减小光刻胶层的厚度可以提高分辨率，但又需要有足够的厚度保护下面的图形，同时还需要克服由于各处光刻胶厚度不均匀所引起的线宽差异。为了得到既薄又致密的光刻胶层，在成像工艺中采用了多层光刻胶（MLR）技术。采用性质不同的多层光刻胶，分别利用其抗蚀性，平面平坦化等方面的不同特性完成图形的转移。MLR工艺在增加工艺复杂性的同时，提高了分辨率和聚焦深度。,8.4 提高光刻分辨率的方法,采用抗反射图层工艺（ARC）在光刻
28、胶层的顶部或底部使用抗反射涂层，以改善驻波效应，光刻胶中光强的周期性变化引起光刻胶层中光能吸收的不均匀，最终导致线宽发生变化，降低分辨率的不利影响。驻波效应(standing wave):曝光光波在进入到光刻胶层之后，若没有完全吸收，就会有一部分光波穿过光刻胶层到达衬底表面，这一部分光波在衬底表面被反射之后，又回到光刻胶中，反射光波和入射光波发生干涉，形成驻波。表现为以/2n（为曝光波长，n为光刻胶的折射率）为间隔，在光刻胶中形成强弱相间的曝光区域。周期性的过曝光和曝光足，影响光刻胶的分辨。,8.4 提高光刻分辨率的方法,移相掩膜技术在光掩模版的某些透明图形上增加或减少一个透明的介质层，使光在
29、通过这个介质层厚产生180度的相位差，与邻近区域的光波产生干涉效应，从而抵消图形边缘的光衍射效应，提高曝光的分辨率。移相层材料有机膜，即光刻胶、PMMA胶无机膜，SiO2,8.4 提高光刻分辨率的方法,8.4 提高光刻分辨率的方法,减少驻波效应的2个途径抗反射层曝光后烘烤,8.5 曝光技术简介,紫外光曝光紫外（UV）光源和深紫外（DUV）光源是目前工业上普遍采用的曝光光源。以前常采用高压汞灯产生UV、DUV光线，现在多采用KrF准分子激光器产生DUV光线。,8.5 曝光技术简介,接近式曝光掩膜版与Si片之间有一小的间隙，通常约5m。衍射比较严重，只能用于3m以上的工艺。最小线宽:Wm=(d)1
30、/2，d:间隔；：光源波长。分辨率取决于间隙的大小，一般分辨率较差，为2-4m，d=10um,I-line(365nm)W 2um优点：接近式曝光是以牺牲分辨率来延长了掩膜版的寿命，掩膜寿命长（可提高10 倍以上），图形缺陷少。缺点：分辨率低，图形模糊，操作比较复杂,8.5 曝光技术简介,接触式曝光与接近式相似，只是掩膜版与Si片时紧密接触的。由于光刻胶顶层平面不平，所以该曝光方式中间隔并不严格为0。由于掩膜版与硅片相接触磨损，使得掩膜版的寿命降低。Mask Image:Resist Image=1:1,设备简单，分辨率高，可达到0.5 m。主要用于SSI和MSI电路中必须加压力，会使胶膜剥离
31、；易沾污，掩膜版易损坏，成品率下降。目前在生产中很少使用。,8.5 曝光技术简介,投影式曝光已成为3m以下光刻的主要手段。利用透镜或反射镜将掩膜版上的图形投影到衬底上的曝光方法避免了掩膜版与硅片表面的摩擦，延长了掩膜版的寿命。掩膜版的尺寸可以比实际尺寸大得多，克服了小图形制版的困难。消除了由于掩膜版图形线宽过小而产生的光衍射效应，以及掩膜版与硅片表面接触不平整而产生的光散射现象。为了提高分辨率，减少图形畸变，一次曝光的象场较小，采用扫描式曝光。投影式曝光虽有很多优点，但由于光刻设备中许多镜头需要特制，设备复杂。,8.5 曝光技术简介,8.5 曝光技术简介,8.5 曝光技术简介,8.5 曝光技术
32、简介,x射线曝光目前光学光刻技术已达到0.13m，这已经接近光学光刻技术的极限，替代光学光刻技术的主要有x射线光刻和电子束光刻。曝光光源：X射线，这是一种用于深亚微米（可达0.1微米）工艺的光刻技术掩膜版：黄金或其他能挡住X射线的材料。一种1：1的接近式光刻方法X 射线光源有二种X 射线点光源 用电子束轰击靶发射的X光同步辐射光源电子在磁场沿曲线轨道运动发出电磁辐射,机械装置对准，用X射线光源使含有对X线透明和不透明区的掩膜图形成像到涂有对X射线敏感的光刻胶的硅片表面，最终形成器件制作所需的图形。优点波长应用范围0.52nm，分辨率高焦深大，工艺宽容度大有机尘粒缺陷不敏感,8.5 曝光技术简介
33、,8.5 曝光技术简介,电子束直写曝光利用具有一定能量的电子与光刻胶碰撞作用，发生化学反应完成曝光。电子束曝光的精度较高。电子束的斑点可以聚焦的很小，可用计算机控制，精度远比肉眼观察要高。电子束曝光改变光刻图形十分简便。各次曝光图形用计算机来完成。扫描电子束曝光不要掩膜版。电子束曝光设备复杂，成本较高。真空中进行，清洁度高。缺点是产量小，会产生邻近效应。,8.5 曝光技术简介,邻近效应电子在光刻胶中会发生散射，而且电子一旦到达衬底与光刻胶层的界面处，还会发生背散射。将散射分为前向散射和背散射，前向散射的散射方向与电子束入射方向的夹角很小，知道值曝光图像的轻微展宽。背散射将使大面积的光刻胶层发生
34、程度不同的曝光，最终使大面积的图形模糊，因此造成电子束曝光形成的图形出现畸变，这种效应称为邻近效应。,邻近效应导致两种情况因增强曝光引起图形的凸起。因减弱曝光引起图形的缺损。为了减弱电子散射引起的图像畸变，在电子束曝光中，通过选择电子束能量、光刻胶膜厚和曝光剂量，可以在一定程度上克服电子散射引起的图形畸变问题。,8.6 ULSI对图形转移的要求,光刻工艺结束之后，为了获得器件的结构，必须把光刻胶层上的图形转移到胶层下方的材料中去。这就需要对其进行腐（刻）蚀，目前常用的有液态的湿法腐蚀和气态干法腐蚀。先介绍介个概念图形转移的保真度各向异性腐蚀：方向不同，腐蚀特性不同。各向同性腐蚀：方向不同，腐蚀
35、特性相同。,选择比两种不同材料在腐蚀的过程中被腐蚀的速率比。均匀性希望Si片表面各处能够被均匀腐蚀。刻蚀的清洁防止在腐蚀的过程中引入玷污。,8.7 湿法腐蚀,定义：使用特定的溶液与需要被腐蚀的薄膜材料进行化学反应，进而除去没有被光刻胶覆盖区域的薄膜。优点是工艺简单，缺点是各向同性腐蚀。通常伴有放热放气，若不及时散热会影响腐蚀效果。散热不及时，升温和加速反应会恶性循环，导致无法控制；散气不及时，气泡会隔绝腐蚀液和衬底使局部反应停止。所以，湿法腐蚀需要搅拌。,8.7 湿法腐蚀,Si的湿法腐蚀使用酸溶液使用碱溶液用KOH+IPA（异丙醇）在（100）面的窗口上腐蚀时，若时间短或窗口大，会腐蚀成“U”
36、形槽，若时间长则为“V”形槽。在（110）面的窗口闪腐蚀则会形成基本直璧的沟槽。,8.7 湿法腐蚀,SiO2的湿法腐蚀因为HF会逐渐减少，为防止腐蚀速率下降，要加入NH4F，可以维持HF浓度。在各种SiO2中，热氧化生成的SiO2最慢。Si3N4的湿法腐蚀用热（130-150）的磷酸腐蚀。,8.8 干法刻蚀,湿法腐蚀的优点是可以控制腐蚀液的化学成分，使得腐蚀液对特定薄膜材料的腐蚀速率远远大于对其他材料的腐蚀速率，从而提高腐蚀的选择性。湿法腐蚀的缺点是化学反应是各向同性的，因而位于光刻胶边缘下面的薄膜材料就不可避免的遭到腐蚀，这就使得湿法腐蚀无法满足ULSI工艺对加工精细线条的要求。干法刻蚀的优
37、点是各向异性的，为当前IC技术中刻蚀工艺的主流。,8.8 干法刻蚀,干法刻蚀的原理定义：利用等离子体激活的化学反应或者是利用高能离子束轰击完成去除物质的方法。因为在刻蚀中并不使用溶液，所以称为干法刻蚀。特点：纵向上的刻蚀速率大于横向的刻蚀速率。位于光刻胶边缘下面的材料就不会被腐蚀。但是离子对Si片上的光刻胶和无保护的薄膜会同时进行轰击刻蚀，其刻蚀的选择性就比湿法腐蚀差。,8.8 干法刻蚀,种类等离子体刻蚀定义：利用辉光放电产生的活性粒子与需要刻蚀的材料发生化学反应，形成挥发性产物完成刻蚀。特点：等离子体刻蚀主要通过化学反应完成，具有比较好的选择性，但是各向异性较差。,溅射刻蚀定义：通过高能离子
38、轰击需要刻蚀的材料表面，使材料表面产生损伤，并去除损伤的物理过程，这种刻蚀通过溅射过程实现。特点：各向异性效果较好，但是刻蚀的选择性相对较差。使用惰性气体产生等离子体。,8.8 干法刻蚀,反应离子刻蚀（RIE）定义：等离子体刻蚀和溅射刻蚀两种方法的结合就产生了反应离子刻蚀。反应离子刻蚀与溅射刻蚀的主要区别是，反应离子刻蚀使用的不是惰性气体，而是与等离子体刻蚀所使用的气体相同。特点：刻蚀的选择性较好，但缺点是刻蚀终点难以检测。,8.8 干法刻蚀,SiO2和Si的干法刻蚀早期使用CF4，现在使用较多的是CHF3、C2F6、SF6、C3F8。反应机理CF4与高能量（10eV）电子碰撞F游离基与SiO
39、2和Si反应，生成挥发性的SiF4,8.8 干法刻蚀,Si3N4的干法刻蚀在ULSI工艺中，Si3N4的用途主要有两种在SiO2层上通过LPCVD淀积Si3N4薄膜，然后经过光刻和干法刻蚀形成图形，作为接下来氧化或扩散的掩蔽层，但是并不成为器件的组成部分。另一种是通过PECVD淀积Si3N4作为器件的保护层。这层Si3N4薄膜经过光刻和干法刻蚀后，Si3N4下面的金属化层露了出来，就形成了器件的压焊点，然后就可以测试和封装了。这两种薄膜都可以用CF4+O2等离子体，或其他含有F原子的气体等离子体进行刻蚀。,8.8 干法刻蚀,多晶Si与金属Si化物的干法刻蚀刻蚀WSi2、TiSi2可以使用F原子或Cl原子，形成挥发性化合物。刻蚀多晶Si用F原子为各向同性，使用Cl原子为各向异性，且对多晶Si/SiO2由很好的选择性。故刻蚀多晶Si用Cl化物的等离子体。,Al与Al合金的干法刻蚀Al-Si、Al-Cu可以含Cl气体（CCl4、BCl3、SiCl4）或者在含有Cl气体的混合气体中进行刻蚀。在最佳条件下，刻蚀剖面可以使垂直的。Al可以自发的与Cl或Cl2反应生成准挥发性的AlCl3。,
