第八章 光刻與刻蝕工藝.

1、第八章第八章 光刻與刻蝕工藝光刻與刻蝕工藝主主 講：毛講：毛 維維 西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院緒論緒論n光刻：光刻：通過光化學(xué)反應(yīng)，將光刻版（通過光化學(xué)反應(yīng)，將光刻版（mask）上的圖形）上的圖形 轉(zhuǎn)移到光刻膠上。轉(zhuǎn)移到光刻膠上。n刻蝕：刻蝕：通過腐蝕，將光刻膠上圖形完整地轉(zhuǎn)移到通過腐蝕，將光刻膠上圖形完整地轉(zhuǎn)移到Si片上片上n光刻三要素：光刻三要素： 光刻機(jī)光刻機(jī) 光刻版（掩膜版）光刻版（掩膜版） 光刻膠光刻膠nULSI對光刻的要求：對光刻的要求： 高分辨率；高靈敏的光刻膠；高分辨率；高靈敏的光刻膠； 低缺陷；精密的套刻對準(zhǔn)；低缺陷；精密的套刻對準(zhǔn)；緒論緒論光刻膠三

2、維圖案光刻膠三維圖案線寬線寬間隙間隙厚度厚度襯底襯底光光刻膠刻膠緒論緒論集成電路芯片的顯微照片集成電路芯片的顯微照片緒論緒論接觸型光刻機(jī)接觸型光刻機(jī) 步進(jìn)型光刻機(jī)步進(jìn)型光刻機(jī) 緒論緒論n掩膜版與投影掩膜版掩膜版與投影掩膜版 投影掩膜版投影掩膜版（reticle）是一個石英版，它包含）是一個石英版，它包含了要在硅片上重復(fù)生成的圖形。就像投影用的電影了要在硅片上重復(fù)生成的圖形。就像投影用的電影膠片的底片一樣。這種圖形可能僅包含一個管芯，膠片的底片一樣。這種圖形可能僅包含一個管芯，也可能是幾個。也可能是幾個。 光掩膜版光掩膜版（photomask）常被稱為掩膜版）常被稱為掩膜版(mask)，它包含了

3、對于整個硅片來說確定一工藝層所需的完它包含了對于整個硅片來說確定一工藝層所需的完整管芯陣列。整管芯陣列。緒論緒論n掩膜版的質(zhì)量要求：掩膜版的質(zhì)量要求： 若每塊掩膜版上圖形成品率若每塊掩膜版上圖形成品率90，則，則6塊光刻版，其管芯圖形成品率（塊光刻版，其管芯圖形成品率（90）653；10塊光刻版，其管芯圖形成品率（塊光刻版，其管芯圖形成品率（90）1035；15塊光刻版，其管芯圖形成品率（塊光刻版，其管芯圖形成品率（90）1521；最后的管芯成品率當(dāng)然比其圖形成品率還要低。最后的管芯成品率當(dāng)然比其圖形成品率還要低。緒論緒論n特征尺寸（關(guān)鍵尺寸）特征尺寸（關(guān)鍵尺寸）關(guān)鍵尺寸常用做描述器件工藝技術(shù)

4、的節(jié)點(diǎn)或稱為某一代。關(guān)鍵尺寸常用做描述器件工藝技術(shù)的節(jié)點(diǎn)或稱為某一代。0.25m以下工藝技術(shù)的節(jié)點(diǎn)是以下工藝技術(shù)的節(jié)點(diǎn)是0.18m、0.15m、0.1m等。等。n套準(zhǔn)精度套準(zhǔn)精度 光刻要求硅片表面上存在的圖案與掩膜版上的圖形準(zhǔn)確光刻要求硅片表面上存在的圖案與掩膜版上的圖形準(zhǔn)確對準(zhǔn)，一般而言，器件結(jié)構(gòu)允許的套刻誤差為器件特征尺寸對準(zhǔn)，一般而言，器件結(jié)構(gòu)允許的套刻誤差為器件特征尺寸的三分之一左右，當(dāng)圖形形成要多次用到掩膜版時，任何套的三分之一左右，當(dāng)圖形形成要多次用到掩膜版時，任何套準(zhǔn)誤差都會影響硅片表面上不同圖案間總的布局寬容度。而準(zhǔn)誤差都會影響硅片表面上不同圖案間總的布局寬容度。而大的套準(zhǔn)容差

5、會減小電路密度，大的套準(zhǔn)容差會減小電路密度， 即限制了器件的特征尺寸，即限制了器件的特征尺寸，從而降低從而降低 IC 性能。性能。 緒論緒論nClean Room 潔凈等級：塵埃數(shù)潔凈等級：塵埃數(shù)/m3；（塵埃尺寸為；（塵埃尺寸為0.5m） 10萬級：萬級：350萬，單晶制備；萬，單晶制備； 1萬級：萬級：35萬，封裝、測試；萬，封裝、測試； 1000級：級：35000，擴(kuò)散、，擴(kuò)散、CVD； 100級：級：3500，光刻、制版；，光刻、制版；深亞微米器件（塵埃尺寸為深亞微米器件（塵埃尺寸為0.1m） 10級：級：350，光刻、制版；，光刻、制版； 1級：級： 35，光刻、制版；，光刻、制版；

6、8.1 光刻工藝流程光刻工藝流程n主要步驟：主要步驟： 涂膠、前烘、曝光、顯影、涂膠、前烘、曝光、顯影、 堅膜、刻蝕、去膠。堅膜、刻蝕、去膠。n兩種基本工藝類型：兩種基本工藝類型： 負(fù)性光刻和正性光刻。負(fù)性光刻和正性光刻。n-SiSiO2光刻膠光刻膠光照光照掩膜版掩膜版負(fù)性光刻負(fù)性光刻n-SiSiO2光刻膠光刻膠掩膜版掩膜版光照光照不透光不透光n-SiSiO2SiO2腐蝕液腐蝕液光刻膠光刻膠n-Si光刻膠光刻膠n-Si 紫外光紫外光島狀島狀曝光區(qū)域變成交互鏈結(jié)，曝光區(qū)域變成交互鏈結(jié)，可抗顯影液之化學(xué)物質(zhì)?？煽癸@影液之化學(xué)物質(zhì)。光刻膠顯影后的圖案光刻膠顯影后的圖案窗口窗口光阻曝光阻曝光區(qū)域光區(qū)域

7、光光刻膠刻膠上上的的影子影子玻璃掩膜版玻璃掩膜版上的鉻圖案上的鉻圖案硅基板硅基板光光刻膠刻膠氧化層氧化層光光刻膠刻膠氧化層氧化層硅基板硅基板負(fù)性光刻負(fù)性光刻n-SiSiO2光刻膠光刻膠光照光照掩膜版掩膜版正性光刻正性光刻n-SiSiO2光刻膠光刻膠掩膜版掩膜版光照光照不透光不透光n-SiSiO2SiO2腐蝕液腐蝕液光刻膠光刻膠n-Si光刻膠光刻膠n-Si正性正性光刻光刻photoresistsilicon substrateoxideoxidesilicon substratephotoresist 紫外光紫外光島狀島狀曝光的區(qū)域曝光的區(qū)域溶解去除溶解去除光刻顯影后呈現(xiàn)的圖案光刻顯影后呈現(xiàn)的圖

8、案光光刻膠刻膠上陰影上陰影光光刻膠刻膠曝曝光區(qū)域光區(qū)域光刻掩膜光刻掩膜版之鉻島版之鉻島窗口窗口硅基板硅基板光光刻膠刻膠氧化物氧化物光阻光阻氧化物氧化物硅基板硅基板印制在晶圓上所需求印制在晶圓上所需求的光刻膠結(jié)構(gòu)圖案的光刻膠結(jié)構(gòu)圖案窗口窗口基板基板光光刻膠島刻膠島石英石英鉻鉻島島負(fù)光刻膠用所需的光刻圖負(fù)光刻膠用所需的光刻圖案案 (與所要的圖案相反與所要的圖案相反)正光刻膠用所需的光刻圖正光刻膠用所需的光刻圖案案 (與所要的圖案相同與所要的圖案相同)8.1 光刻工藝流程光刻工藝流程PMOSFETNMOSFETCMOS反相器之橫截面反相器之橫截面CMOS反相器之上視圖反相器之上視圖光刻層決定后續(xù)制程

9、的光刻層決定后續(xù)制程的精確性。精確性。光刻圖案使各層有適當(dāng)光刻圖案使各層有適當(dāng)?shù)奈恢?、方向及結(jié)構(gòu)大的位置、方向及結(jié)構(gòu)大小，以利于蝕刻及離子小，以利于蝕刻及離子植入。植入。8.1 光刻工藝流程光刻工藝流程8.1.1 涂膠涂膠1.涂膠前的涂膠前的Si片處理片處理(以在以在SiO2表面光刻為例表面光刻為例)nSiO2:親水性；光刻膠：疏水性；親水性；光刻膠：疏水性；脫水烘焙脫水烘焙:去除水分去除水分HMDS：增強(qiáng)附著力：增強(qiáng)附著力nHMDS：六甲基乙硅氮烷：六甲基乙硅氮烷(CH3)6Si2NHn作用：去掉作用：去掉SiO2表面的表面的-OHHMDS熱板脫水烘焙和氣相成底膜熱板脫水烘焙和氣相成底膜8.

10、1 光刻工藝流程光刻工藝流程8.1.1 涂膠涂膠2.涂膠涂膠對涂膠的要求：粘附良好，均勻，薄厚適當(dāng)對涂膠的要求：粘附良好，均勻，薄厚適當(dāng)n膠膜太薄針孔多，抗蝕性差；膠膜太薄針孔多，抗蝕性差；n膠膜太厚分辨率低（分辨率是膜厚的膠膜太厚分辨率低（分辨率是膜厚的58倍）倍）涂膠方法：浸涂，噴涂，旋涂涂膠方法：浸涂，噴涂，旋涂8.1 光刻工藝流程光刻工藝流程8.1.2 前烘前烘作用：促進(jìn)膠膜內(nèi)溶劑充分揮發(fā)，使膠膜干燥；作用：促進(jìn)膠膜內(nèi)溶劑充分揮發(fā)，使膠膜干燥； 增加膠膜與增加膠膜與SiO2 （Al膜等）的粘附性及耐磨性。膜等）的粘附性及耐磨性。影響因素：溫度，時間。影響因素：溫度，時間。n烘焙不足（溫

11、度太低或時間太短）烘焙不足（溫度太低或時間太短）顯影時易浮膠，顯影時易浮膠， 圖形易變形。圖形易變形。n烘焙時間過長烘焙時間過長增感劑揮發(fā)，導(dǎo)致曝光時間增長，增感劑揮發(fā)，導(dǎo)致曝光時間增長， 甚至顯不出圖形。甚至顯不出圖形。n烘焙溫度過高烘焙溫度過高光刻膠黏附性降低，光刻膠中的感光光刻膠黏附性降低，光刻膠中的感光 劑發(fā)生反應(yīng)（膠膜硬化），不易溶于劑發(fā)生反應(yīng)（膠膜硬化），不易溶于 顯影液，導(dǎo)致顯影不干凈。顯影液，導(dǎo)致顯影不干凈。 在真空熱板上軟烘在真空熱板上軟烘8.1 光刻工藝流程光刻工藝流程8.1.3 曝光：曝光： 光學(xué)曝光、光學(xué)曝光、X射線曝光、電子束曝光射線曝光、電子束曝光光學(xué)曝光紫外，深紫

12、外光學(xué)曝光紫外，深紫外）光源：）光源：n高壓汞燈：產(chǎn)生紫外高壓汞燈：產(chǎn)生紫外(UV）光，）光， 光譜范圍為光譜范圍為350 450nm。n準(zhǔn)分子激光器：產(chǎn)生深紫外準(zhǔn)分子激光器：產(chǎn)生深紫外(DUV）光，）光， 光譜范圍為光譜范圍為180nm330nm。 KrF：= 248nm； ArF：= 193nm； F2：= 157nm。8.1 光刻工藝流程光刻工藝流程）曝光方式）曝光方式 a.接觸式：硅片與光刻版緊密接觸。接觸式：硅片與光刻版緊密接觸。 b.接近式：硅片與光刻版保持接近式：硅片與光刻版保持5-50m間距。間距。 c.投影式：利用光學(xué)系統(tǒng)，將光刻版的圖形投影在硅片上投影式：利用光學(xué)系統(tǒng)，將光

13、刻版的圖形投影在硅片上 8.1 光刻工藝流程光刻工藝流程電子束曝光：電子束曝光： 幾十幾十100；n優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 分辨率高；分辨率高； 不需光刻版（直寫式）；不需光刻版（直寫式）；n缺點(diǎn)：產(chǎn)量低；缺點(diǎn)：產(chǎn)量低；X射線曝光射線曝光 2 40 ，軟，軟X射線；射線；nX射線曝光的特點(diǎn)：分辨率高，產(chǎn)量大。射線曝光的特點(diǎn)：分辨率高，產(chǎn)量大。8.1 光刻工藝流程光刻工藝流程8.1.4 顯影顯影作用：作用：將未感光的負(fù)膠或感光的正膠溶解去除，顯現(xiàn)將未感光的負(fù)膠或感光的正膠溶解去除，顯現(xiàn) 出所需的圖形。出所需的圖形。 顯影液：顯影液：專用專用n正膠顯影液：含水的堿性顯影液，如正膠顯影液：含水的堿性顯影液，如

14、KOH、 TMAH (四甲基氫氧化胺水溶液四甲基氫氧化胺水溶液)，等。，等。n負(fù)膠顯影液：有機(jī)溶劑，如丙酮、甲苯等。負(fù)膠顯影液：有機(jī)溶劑，如丙酮、甲苯等。 例，例，KPR（負(fù)膠）的顯影液：（負(fù)膠）的顯影液： 丁酮最理想；丁酮最理想； 甲苯圖形清晰度稍差；甲苯圖形清晰度稍差； 三氯乙烯毒性大。三氯乙烯毒性大。8.1 光刻工藝流程光刻工藝流程影響顯影效果的主要因素：影響顯影效果的主要因素： ）曝光時間；）曝光時間； ）前烘的溫度與時間；）前烘的溫度與時間； ）膠膜的厚度；）膠膜的厚度； ）顯影液的濃度；）顯影液的濃度； ）顯影液的溫度；）顯影液的溫度； 顯影時間適當(dāng)顯影時間適當(dāng)nt太短：可能留下光

15、刻膠薄層太短：可能留下光刻膠薄層阻擋腐蝕阻擋腐蝕SiO2(金屬）金屬） 氧化層氧化層“小島小島”。nt太長：光刻膠軟化、膨脹、鉆溶、浮膠太長：光刻膠軟化、膨脹、鉆溶、浮膠 圖形邊緣破壞。圖形邊緣破壞。8.1 光刻工藝流程光刻工藝流程8.1.5 堅膜堅膜作用：作用：使軟化、膨脹的膠膜與硅片粘附更牢；使軟化、膨脹的膠膜與硅片粘附更牢； 增加膠膜的抗蝕能力。增加膠膜的抗蝕能力。方法方法）恒溫烘箱：）恒溫烘箱：180200，30min；）紅外燈：照射）紅外燈：照射10min，距離，距離6cm。溫度與時間溫度與時間）堅膜不足：腐蝕時易浮膠，易側(cè)蝕；）堅膜不足：腐蝕時易浮膠，易側(cè)蝕；）堅膜過度：膠膜熱膨脹

16、）堅膜過度：膠膜熱膨脹翹曲、剝落翹曲、剝落 腐蝕時易浮膠或鉆蝕。腐蝕時易浮膠或鉆蝕。 若若T300：光刻膠分解，失去抗蝕能力。：光刻膠分解，失去抗蝕能力。8.1 光刻工藝流程光刻工藝流程8.1.6 腐蝕（刻蝕）腐蝕（刻蝕）對腐蝕液（氣體）的要求：對腐蝕液（氣體）的要求： 既能腐蝕掉裸露的既能腐蝕掉裸露的SiO2（金屬），又不損傷光刻膠。（金屬），又不損傷光刻膠。腐蝕的方法腐蝕的方法)濕法腐蝕：腐蝕劑是化學(xué)溶液。濕法腐蝕：腐蝕劑是化學(xué)溶液。 特點(diǎn)：各向同性腐蝕。特點(diǎn)：各向同性腐蝕。)干法腐蝕：腐蝕劑是活性氣體，如等離子體。干法腐蝕：腐蝕劑是活性氣體，如等離子體。 特點(diǎn)：分辨率高；各向異性強(qiáng)。特點(diǎn)

17、：分辨率高；各向異性強(qiáng)。8.1.7 去膠去膠濕法去膠濕法去膠n無機(jī)溶液去膠：無機(jī)溶液去膠：H2SO4（負(fù)膠）；（負(fù)膠）；n有機(jī)溶液去膠：丙酮（正膠）；有機(jī)溶液去膠：丙酮（正膠）；干法去膠：干法去膠：O2等離子體；等離子體；8.2 分辨率分辨率n分辨率分辨率R表征光刻精度表征光刻精度 光刻時所能得到的光刻圖形的最小尺寸。光刻時所能得到的光刻圖形的最小尺寸。 n表示方法：表示方法：每每mm最多可容納的線條數(shù)。最多可容納的線條數(shù)。 若可分辨的最小線寬為若可分辨的最小線寬為L（線條間隔也（線條間隔也L），）， 則則 R1/(2L) (mm-1)1.影響影響R的主要因素：的主要因素：曝光系統(tǒng)（光刻機(jī)）：

18、曝光系統(tǒng)（光刻機(jī)）： X射線（電子束）的射線（電子束）的R高于紫外光。高于紫外光。光刻膠：正膠的光刻膠：正膠的R高于負(fù)膠；高于負(fù)膠；其他：掩模版、襯底、顯影、工藝、操作者等。其他：掩模版、襯底、顯影、工藝、操作者等。8.2 分辨率分辨率2.衍射對衍射對R的限制的限制n 設(shè)一任意粒子（光子、電子），根據(jù)不確定關(guān)系，有設(shè)一任意粒子（光子、電子），根據(jù)不確定關(guān)系，有 Lphn粒子束動量的最大變化為粒子束動量的最大變化為p=2p，相應(yīng)地，相應(yīng)地n若若L為線寬，即為最細(xì)線寬，則為線寬，即為最細(xì)線寬，則n最高分辨率最高分辨率phL2hpLR21max )(11maxmmR2L 對光子：對光子：p=h/，故

19、，故 。n上式物理含義：光的衍射限制了線寬上式物理含義：光的衍射限制了線寬 /2。n最高分辨率：最高分辨率： 對電子、離子：具有波粒二象性（德布羅意波），則對電子、離子：具有波粒二象性（德布羅意波），則 ， n最細(xì)線寬：最細(xì)線寬： 結(jié)論：結(jié)論： a. E給定：給定：mLR，即，即R離子離子 R電子電子 b. m給定：給定：ELR221mVE mVp mEh2mEh2mEhL22hpLR21max8.3 光刻膠的基本屬性光刻膠的基本屬性1.類型：正膠和負(fù)膠類型：正膠和負(fù)膠正膠：顯影時，感光部分正膠：顯影時，感光部分 溶解，未感光部分溶解，未感光部分 不溶解；不溶解；負(fù)膠：顯影時，感光部分負(fù)膠：顯

20、影時，感光部分 不溶解，不感光部不溶解，不感光部 分溶解。分溶解。8.3 光刻膠的基本屬性光刻膠的基本屬性2. 組份：組份：基體（樹脂）材料、感光材料、溶劑；基體（樹脂）材料、感光材料、溶劑；例如：聚乙烯醇肉桂酸脂系（負(fù)膠）例如：聚乙烯醇肉桂酸脂系（負(fù)膠）基體、感光劑聚乙烯醇肉桂酸脂基體、感光劑聚乙烯醇肉桂酸脂n濃度：濃度：5-10%溶劑環(huán)己酮溶劑環(huán)己酮n濃度：濃度：9095增感劑增感劑5-硝基苊硝基苊n濃度：濃度：0.5-1%聚乙烯醇肉桂酸脂（聚乙烯醇肉桂酸脂（KPR）的光聚合反應(yīng)）的光聚合反應(yīng)8.3 光刻膠的基本屬性光刻膠的基本屬性8.3.1 對比度對比度n表征曝光量與光刻膠留膜率的關(guān)系；

21、表征曝光量與光刻膠留膜率的關(guān)系； 以正膠為例以正膠為例n臨界曝光量臨界曝光量D0：使膠膜開始溶解所需最小曝光量；：使膠膜開始溶解所需最小曝光量；n閾值曝光量閾值曝光量D100：使膠膜完全溶解所需最小曝光量；：使膠膜完全溶解所需最小曝光量；8.3.1 對比度對比度n直線斜率（對比度）：直線斜率（對比度）： 對正膠對正膠 對負(fù)膠對負(fù)膠 n越大，光刻膠線條邊緣越陡。越大，光刻膠線條邊緣越陡。)/(log1)/(log1010010010DDDDCp)/(log1)/(log1010100010iggnDDDD8.3 光刻膠的基本屬性光刻膠的基本屬性8.3.3 光敏度光敏度S 完成所需圖形的最小曝光量

22、；完成所需圖形的最小曝光量；n表征：表征： S=n/E， E-曝光量（曝光量（lxs，勒克斯，勒克斯秒）；秒）；n-比例系數(shù)；比例系數(shù)；n光敏度光敏度S是光刻膠對光的敏感程度的表征；是光刻膠對光的敏感程度的表征；n正膠的正膠的S大于負(fù)膠大于負(fù)膠8.3.4 抗蝕能力抗蝕能力n表征光刻膠耐酸堿（或等離子體）腐蝕的程度。表征光刻膠耐酸堿（或等離子體）腐蝕的程度。n對濕法腐蝕：抗蝕能力較強(qiáng)；對濕法腐蝕：抗蝕能力較強(qiáng)； 干法腐蝕：抗蝕能力較差。干法腐蝕：抗蝕能力較差。n正膠抗蝕能力大于負(fù)膠；正膠抗蝕能力大于負(fù)膠；n抗蝕性與分辨率的矛盾：分辨率越高，抗蝕性越差；抗蝕性與分辨率的矛盾：分辨率越高，抗蝕性越差

23、；8.3 光刻膠的基本屬性光刻膠的基本屬性8.3.5 黏著力黏著力n表征光刻膠與襯底間粘附的牢固程度。表征光刻膠與襯底間粘附的牢固程度。n評價方法：光刻后的鉆蝕程度，即鉆蝕量越小，粘附性評價方法：光刻后的鉆蝕程度，即鉆蝕量越小，粘附性越好。越好。 n增強(qiáng)黏著力的方法：增強(qiáng)黏著力的方法：涂膠前的脫水；涂膠前的脫水； HMDS； 提高堅膜的溫度。提高堅膜的溫度。8.3.6 溶解度和黏滯度溶解度和黏滯度8.3.7 微粒數(shù)量和金屬含量微粒數(shù)量和金屬含量8.3.8 存儲壽命存儲壽命8.5 抗反射涂層工藝抗反射涂層工藝8.5.1 駐波效應(yīng)駐波效應(yīng) 穿過光刻膠膜到達(dá)襯底表面，并在襯底表面被反射穿過光刻膠膜到

24、達(dá)襯底表面，并在襯底表面被反射 又回到光刻膠中反射光波與光刻膠中的入射光波發(fā)生又回到光刻膠中反射光波與光刻膠中的入射光波發(fā)生 干涉，形成駐波。干涉，形成駐波。n影響：影響：導(dǎo)致曝光的線寬發(fā)生變化導(dǎo)致曝光的線寬發(fā)生變化。8.5.2 底層底層抗反射涂層抗反射涂層 (BARC) n作用：利用作用：利用 反射光波的干涉，反射光波的干涉，減弱駐波效。減弱駐波效。n制作：制作：PVD法、法、CVD法。法。8.6 紫外光曝光紫外光曝光n光源：光源：紫外（紫外（UV）、深紫外（）、深紫外（DUV）；）；n方法：方法：接觸式、接近式、投影式。接觸式、接近式、投影式。n光譜能量光譜能量紫外（紫外（UV）光一直是形

25、成光刻圖形常用的能量源，并）光一直是形成光刻圖形常用的能量源，并會在接下來的一段時間內(nèi)繼續(xù)沿用（包括會在接下來的一段時間內(nèi)繼續(xù)沿用（包括 0.1m 或者更小或者更小的工藝節(jié)點(diǎn)的器件制造中）。的工藝節(jié)點(diǎn)的器件制造中）。n大體上說，深紫外光大體上說，深紫外光 (DUV) 指的是波長在指的是波長在 300nm 以下的以下的光。光。 8.6.1 水銀弧光燈（高壓汞燈）光源水銀弧光燈（高壓汞燈）光源n波長：波長：UV，350450nm， used for 0.5，0.35m； g線：線：=436nm， h線：線：=405nm， i線：線：=365nm。對于光刻曝光的重要對于光刻曝光的重要 UV 波長波長

26、 UV 波長波長 (nm)波長名波長名UV 發(fā)射源發(fā)射源436G線線汞燈汞燈405H線線汞燈汞燈365I線線汞燈汞燈248深紫外深紫外 (DUV) 汞燈或氟化氪汞燈或氟化氪 (krF) 準(zhǔn)分子激光準(zhǔn)分子激光193深紫外深紫外 (DUV)氟化氬氟化氬 (ArF) 準(zhǔn)分子激光準(zhǔn)分子激光157真空紫外真空紫外 (VUV)氟氟 (F2) 準(zhǔn)分子激光準(zhǔn)分子激光 部分電磁頻譜部分電磁頻譜可見光射頻波微波紅外光射線UVX射線f (Hz)1010101010101010101046810121416221820 (m)420-2-4-6-8-14-10-1210101010101010101010365436

27、405248193157ghiDUVDUVVUV (nm)在光學(xué)曝光中常用的UV波長8.6 紫外光曝光紫外光曝光8.6.3 準(zhǔn)分子激光準(zhǔn)分子激光DUV光源光源n準(zhǔn)分子：只在激發(fā)態(tài)下存在，基態(tài)下分離成原子。準(zhǔn)分子：只在激發(fā)態(tài)下存在，基態(tài)下分離成原子。n波長：波長：DUV，180nm 330nm。 KrF-= 248nm， for 0.25，0.18m，0.13m； ArF-= 193nm， for 3m）。）。8.6.5 接觸式曝光接觸式曝光n硅片與光刻版緊密接觸。硅片與光刻版緊密接觸。n優(yōu)點(diǎn)：光衍射效應(yīng)小，分辨率高。優(yōu)點(diǎn)：光衍射效應(yīng)小，分辨率高。n缺點(diǎn)：對準(zhǔn)困難，掩膜圖形易損傷，成品率低。缺點(diǎn)

28、：對準(zhǔn)困難，掩膜圖形易損傷，成品率低。8.6.6 投影式曝光投影式曝光n利用光學(xué)系統(tǒng)，將光刻版的圖形投影在硅片上。利用光學(xué)系統(tǒng)，將光刻版的圖形投影在硅片上。n優(yōu)點(diǎn)：光刻版不受損傷，對準(zhǔn)精度高。優(yōu)點(diǎn)：光刻版不受損傷，對準(zhǔn)精度高。n缺點(diǎn)：光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜，對物鏡成像要求高。缺點(diǎn)：光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜，對物鏡成像要求高。n用于用于3m以下光刻。以下光刻。投影式曝光原理：投影式曝光原理：n兩像點(diǎn)能夠被分辨的最小間隔：兩像點(diǎn)能夠被分辨的最小間隔： y=1.22f/Dn引入數(shù)值孔徑引入數(shù)值孔徑NA描述透鏡性能：描述透鏡性能： NA=nsin=D/2f n透鏡到硅片間的介質(zhì)折射率；透鏡到硅片間的介質(zhì)折射率； 像點(diǎn)張角像

29、點(diǎn)張角n故故 y=0.61/NA 若若NA=0.4, =400nm, y=0.61m.n若若n增大，增大，NA增大，則增大，則y減小，即減小，即分辨率提高。分辨率提高。n傳統(tǒng)式：傳統(tǒng)式：n=1(空氣），空氣），NA(最大）最大）=0.93， 最小分辨率最小分辨率-52nm.n浸入式：浸入式：n1(水），水），=193nm， NA(最大）最大）=1.2， 最小分辨率最小分辨率-40nm.分步重復(fù)投影光刻機(jī)分步重復(fù)投影光刻機(jī)-Stepper采用折射式光學(xué)系統(tǒng)和采用折射式光學(xué)系統(tǒng)和4X5X的縮小透鏡。的縮小透鏡。n光刻版：光刻版： 4X5X；n曝光場：一次曝光只有硅片的一部分；曝光場：一次曝光只有硅

30、片的一部分；n采用了分步對準(zhǔn)聚焦技術(shù)。采用了分步對準(zhǔn)聚焦技術(shù)。8.7 掩模版（光刻版）的制造掩模版（光刻版）的制造8.7.1 基版材料：基版材料：玻璃、石英。玻璃、石英。 要求：透光度高，熱膨脹系數(shù)與掩膜材料匹配。要求：透光度高，熱膨脹系數(shù)與掩膜材料匹配。8.7.2 掩膜材料：掩膜材料： 金屬版（金屬版（Cr版）：版）：Cr2O3抗反射層抗反射層/金屬金屬Cr / Cr2O3基層基層 特點(diǎn)：針孔少，強(qiáng)度高，分辨率高。特點(diǎn)：針孔少，強(qiáng)度高，分辨率高。乳膠版鹵化銀乳膠乳膠版鹵化銀乳膠 特點(diǎn)：分辨率低（特點(diǎn)：分辨率低（2-3 m），易劃傷。），易劃傷。8.7.4 移相掩模（移相掩模（PSM）nPSM

31、：Phase-Shift Maskn作用：消除干涉，提高分辨率；作用：消除干涉，提高分辨率；n原理：利用移相產(chǎn)生干涉，原理：利用移相產(chǎn)生干涉，抵消圖形邊緣的光衍射效應(yīng)。抵消圖形邊緣的光衍射效應(yīng)。8.8 X射線曝光射線曝光n曝光方法：曝光方法：接近式曝光。接近式曝光。nX射線光源：通過高能電子束轟擊一個金屬靶產(chǎn)生。射線光源：通過高能電子束轟擊一個金屬靶產(chǎn)生。 （波長為（波長為240埃）埃）n優(yōu)點(diǎn)：小尺寸曝光。優(yōu)點(diǎn)：小尺寸曝光。n缺點(diǎn)：存在圖形的畸變?nèi)秉c(diǎn)：存在圖形的畸變(半影畸變半影畸變和幾何畸變和幾何畸變)。半影畸變半影畸變幾何畸變幾何畸變X射線曝光射線曝光8.9 電子束直寫式曝光電子束直寫式曝

32、光n曝光原理：曝光原理：電子與光刻膠碰撞作用，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。電子與光刻膠碰撞作用，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。n適用最小尺寸：適用最小尺寸：0.10.25mn電子束曝光的分辨率主要取決于電子散射的作用范圍。電子束曝光的分辨率主要取決于電子散射的作用范圍。n(缺點(diǎn)缺點(diǎn))鄰近效應(yīng)鄰近效應(yīng)由于背散射使大面積的光刻膠層發(fā)生程度不由于背散射使大面積的光刻膠層發(fā)生程度不 同的曝光，導(dǎo)致大面積的圖形模糊，造成曝同的曝光，導(dǎo)致大面積的圖形模糊，造成曝 光圖形出現(xiàn)畸變。光圖形出現(xiàn)畸變。n減小鄰近效應(yīng)的方法：減小鄰近效應(yīng)的方法：減小入射電子束的能量，或采用低原子序減小入射電子束的能量，或采用低原子序 數(shù)的襯底與光刻膠。數(shù)的襯底

33、與光刻膠。nSCALPEL技術(shù)：技術(shù)： 采用原子序數(shù)低的采用原子序數(shù)低的SiNX薄膜和原子序數(shù)高的薄膜和原子序數(shù)高的Cr/W制作的掩模版，產(chǎn)生散射式掩膜技術(shù)。制作的掩模版，產(chǎn)生散射式掩膜技術(shù)。 特點(diǎn)特點(diǎn):結(jié)合了電子束曝光的高分結(jié)合了電子束曝光的高分 辨率和光學(xué)分步重復(fù)投影辨率和光學(xué)分步重復(fù)投影 曝光的高效率；曝光的高效率； 掩模版制備更加簡單。掩模版制備更加簡單。8.10 ULSI對圖形轉(zhuǎn)移的要求對圖形轉(zhuǎn)移的要求8.10.1 圖形轉(zhuǎn)移的保真度圖形轉(zhuǎn)移的保真度 (腐蝕的各向異性的程度：腐蝕的各向異性的程度：) 式中：式中：V1測向腐蝕速率；測向腐蝕速率； VV縱向腐蝕速率；縱向腐蝕速率； h腐蝕

34、層的厚度；腐蝕層的厚度； 圖形測向展寬量。圖形測向展寬量。n若若 A=1，表示圖形轉(zhuǎn)移過程產(chǎn)無失真；，表示圖形轉(zhuǎn)移過程產(chǎn)無失真；n若若 A=0，表示圖形失真嚴(yán)重，表示圖形失真嚴(yán)重(各向同性腐蝕各向同性腐蝕)8.10.2 選擇比選擇比 兩種不同材料在腐蝕的過程中被腐蝕的速率比。兩種不同材料在腐蝕的過程中被腐蝕的速率比。作用：作用：描述圖形轉(zhuǎn)移中各層材料的相互影響描述圖形轉(zhuǎn)移中各層材料的相互影響hdmdfVVAV21110dmdfhdmdf20dmdf8.11 濕法刻蝕濕法刻蝕n特點(diǎn)：各相同性腐蝕。特點(diǎn)：各相同性腐蝕。n優(yōu)點(diǎn)：工藝簡單，腐蝕選擇性好。優(yōu)點(diǎn)：工藝簡單，腐蝕選擇性好。n缺點(diǎn)：鉆蝕嚴(yán)重（

35、各向異性差），難于獲得精細(xì)圖形。缺點(diǎn)：鉆蝕嚴(yán)重（各向異性差），難于獲得精細(xì)圖形。 （刻蝕（刻蝕3m以上線條）以上線條）n刻蝕的材料：刻蝕的材料：Si、SiO2、Si3N4；8.11.1 Si的濕法刻蝕的濕法刻蝕n常用腐蝕劑常用腐蝕劑HNO3-HF-H2O(HAC)混合液：混合液： HNO3：強(qiáng)氧化劑；：強(qiáng)氧化劑； HF：腐蝕：腐蝕SiO2； HAC：抑制：抑制HNO3的分解；的分解； Si+HNO3+HFH2SiF6+HNO2+H2O+H2KOH-異丙醇異丙醇襯底膜膠8.11.2 SiO2的濕法腐蝕的濕法腐蝕n常用配方常用配方(KPR膠）：膠）：HF: NH4F: H2O=3ml:6g:10m

36、l (HF溶液濃度為溶液濃度為48) HF ：腐蝕劑，：腐蝕劑， SiO2+HFH2SiF6+H2O NH4F ：緩沖劑，：緩沖劑， NH4FNH3+HF 8.11.3 Si3N4的濕法腐蝕的濕法腐蝕n腐蝕液：熱腐蝕液：熱H3PO4(130150)。 8.12 干法腐蝕干法腐蝕n優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 各向異性腐蝕強(qiáng)；各向異性腐蝕強(qiáng)； 分辨率高；分辨率高； 刻蝕刻蝕3m以下線條。以下線條。n類型：類型：等離子體刻蝕：化學(xué)性刻蝕；等離子體刻蝕：化學(xué)性刻蝕；濺射刻蝕：純物理刻蝕；濺射刻蝕：純物理刻蝕；反應(yīng)離子刻蝕（反應(yīng)離子刻蝕（RIE）：結(jié)合）：結(jié)合 、；ICP-98C型高密度等離子體刻蝕機(jī)型高密度等離子體

37、刻蝕機(jī)SLR 730 負(fù)荷鎖定負(fù)荷鎖定RIE反應(yīng)離子刻蝕系統(tǒng)反應(yīng)離子刻蝕系統(tǒng)8.12.1 干法刻蝕的原理干法刻蝕的原理n等離子體刻蝕原理等離子體刻蝕原理 a.產(chǎn)生等離子體產(chǎn)生等離子體:刻蝕氣體經(jīng)輝光放電后，成為具有很刻蝕氣體經(jīng)輝光放電后，成為具有很強(qiáng)化學(xué)活性的離子及游離基強(qiáng)化學(xué)活性的離子及游離基-等離子體。等離子體。 CF4 RF CF3*、CF2* 、CF* 、F* BCl3 RF BCl3* 、BCl2* 、Cl* b.等離子體活性基團(tuán)與被刻蝕材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。等離子體活性基團(tuán)與被刻蝕材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。n特點(diǎn)：選擇性好；特點(diǎn)：選擇性好； 各向異性差。各向異性差。n刻蝕氣體：刻蝕氣體： CF

38、4 、BCl3、CCl4、CHCl3、SF6等。等。8.12.1 干法刻蝕的原理干法刻蝕的原理濺射刻蝕原理濺射刻蝕原理a.形成能量很高的等離子體；形成能量很高的等離子體；b.等離子體轟擊被刻蝕的材料，等離子體轟擊被刻蝕的材料， 使其被撞原子飛濺出來，形成刻蝕。使其被撞原子飛濺出來，形成刻蝕。n特點(diǎn)：各向異性好；選擇性差。特點(diǎn)：各向異性好；選擇性差。n刻蝕氣體：惰性氣體；刻蝕氣體：惰性氣體；反應(yīng)離子刻蝕原理反應(yīng)離子刻蝕原理 同時利用了濺射刻蝕和等離子刻蝕機(jī)制；同時利用了濺射刻蝕和等離子刻蝕機(jī)制；n特點(diǎn)：各向異性和選擇性兼顧。特點(diǎn)：各向異性和選擇性兼顧。n刻蝕氣體：與等離子體刻蝕相同?？涛g氣體：與等離子體刻蝕相同。8.12.2 SiO2和和Si的干法刻蝕的干法刻蝕n刻蝕劑：刻蝕劑：CF4、CHF3、C2F6、SF6、C3F8 ； n等離子體：等離子體： CF4 CF3*、CF2* 、CF* 、F*n化學(xué)反應(yīng)刻蝕：化學(xué)反應(yīng)刻蝕： F*+SiSiF4 F*+SiO2 SiF4+O2 CF3*+SiO2 SiF4+CO+CO2 刻蝕總結(jié)：刻蝕總結(jié)：濕法刻蝕（刻蝕濕法刻蝕（刻蝕3m以上線條）以上線條）n優(yōu)點(diǎn)：工藝簡單，選擇性好。優(yōu)點(diǎn)：工藝簡單，選擇性好。n缺點(diǎn)：各向異性差，難于獲