光刻光刻膠和刻蝕

光刻光刻膠和刻蝕第一頁，共六十頁，2022年，8月28日2.4.1光刻工藝概述第二頁，共六十頁，2022年，8月28日2.4.2光刻膠

凡是在能量束（光束、電子束、離子束等）的照射下，以交聯(lián)反應為主的光刻膠稱為

負性光刻膠，簡稱

負膠。凡是在能量束（光束、電子束、離子束等）的照射下，以降解反應為主的光刻膠稱為

正性光刻膠，簡稱

正膠。1、光刻膠的類型

光刻膠也稱為

光致抗蝕劑（Photoresist，PR）。最常用的有

AZ–1350

系列。正膠的主要優(yōu)點是分辨率高，缺點是靈敏度、耐刻蝕性和附著性等較差。第三頁，共六十頁，2022年，8月28日2、光刻膠的組成成分功能聚合物當被曝光時，聚合物結構由可溶變?yōu)榫酆希ɑ蚍粗┤軇┫♂尭泄鈩┱{節(jié)化學反應添加劑工藝效果（如染色劑等）第四頁，共六十頁，2022年，8月28日（1）靈敏度

單位面積上入射的使光刻膠全部發(fā)生反應的最小光能量或最小電荷量（對電子束膠），稱為光刻膠的靈敏度，記為S

，也就是D100。S

越小，則靈敏度越高。

通常負膠的靈敏度高于正膠。

靈敏度太低會影響生產效率，所以通常希望光刻膠有較高的靈敏度。但靈敏度太高會影響分辨率。3

光刻膠的特性1.00.50D0入射劑量（C/cm2）未反應的歸一化膜厚D100靈敏度曲線第五頁，共六十頁，2022年，8月28日

(2)分辨率

光刻工藝中影響分辨率的因素有：光源、曝光方式

和

光刻膠本身（包括靈敏度、對比度、顆粒的大小、顯影時的溶脹、電子散射等）。通常正膠的分辨率要高于負膠。第六頁，共六十頁，2022年，8月28日(3)對比度

對比度是圖中對數(shù)坐標下對比度曲線的斜率，表示光刻膠區(qū)分掩模上亮區(qū)和暗區(qū)的能力的大小，即對劑量變化的敏感程度。靈敏度曲線越陡，D0與D100的間距就越小，則就越大，這樣有助于得到清晰的圖形輪廓和高的分辨率。一般光刻膠的對比度在

0.9

~

2.0

之間。對于亞微米圖形，要求對比度大于1。

通常正膠的對比度要高于負膠。D0D100

對比度的定義為第七頁，共六十頁，2022年，8月28日正膠和負膠比較光刻膠對比度斜坡膨脹分辨率粘附性第八頁，共六十頁，2022年，8月28日2.4.3涂膠一般采用旋涂法。涂膠的關鍵是控制膠膜的厚度與膜厚的均勻性。膠膜的厚度決定于光刻膠的粘度和旋轉速度。3)甩掉多余的膠4)溶劑揮發(fā)1)滴膠2)加速旋轉第九頁，共六十頁，2022年，8月28日2.4.4對位和曝光光刻曝光刻蝕光源曝光方式

評價光刻工藝可用三項主要的標準：分辨率、對準精度

和生產效率。第十頁，共六十頁，2022年，8月28日1、基本光學問題第十一頁，共六十頁，2022年，8月28日衍射

但是當掩膜版上的特征尺寸接近光源的波長時，就應該把光的傳輸作為電磁波來處理，必須考慮衍射和干涉。由于衍射的作用，掩模版透光區(qū)下方的光強減弱，非透光區(qū)下方的光強增加，從而影響光刻的分辯率。掩膜版是用石英玻璃做成的均勻平坦的薄片，表面上涂一層600800?厚的Cr層，使其表面光潔度更高。稱之為鉻板，Crmask。第十二頁，共六十頁，2022年，8月28日調制傳輸函數(shù)和光學曝光無衍射效應有衍射效應光強第十三頁，共六十頁，2022年，8月28日

定義圖形的

調制傳輸函數(shù)

MTF

為

無衍射效應時，MTF=1；有衍射效應時，MTF<1。光柵的周期（或圖形的尺寸）越小，則

MTF

越?。还獾牟ㄩL越短，則

MTF

越大。第十四頁，共六十頁，2022年，8月28日

圖形的分辯率還要受光刻膠對光強的響應特性的影響。

理想光刻膠：光強不到臨界光強

Dcr時不發(fā)生反應，光強超過

Dcr時完全反應，衍射只造成線寬和間距的少量變化。DcrD100D0

實際光刻膠：光強不到

D0

時不發(fā)生反應，光強介于

D0

和D100

之間時發(fā)生部分反應，光強超過

D100

時完全反應，使線條邊緣出現(xiàn)模糊區(qū)。在通常的光刻膠中，當

MTF

<

0.5

時，圖形不再能被復制。第十五頁，共六十頁，2022年，8月28日2、光源

對光源系統(tǒng)的要求

1、有適當?shù)牟ㄩL。波長越短，可曝光的特征尺寸就越??；

2、有足夠的能量。能量越大，曝光時間就越短；

3、曝光能量必須均勻地分布在曝光區(qū)。

常用的

紫外光

光源是高壓弧光燈（高壓汞燈），高壓汞燈有許多尖銳的光譜線，經過濾光后使用其中的

g線（436

nm）或

i線（365

nm）。第十六頁，共六十頁，2022年，8月28日高壓汞燈的光譜線120100806040200200 300 400 500 600RelativeIntensity(%)h-line405nmg-line436nmi-line365nmDUV248nmEmissionspectrumofhigh-intensitymercurylamp第十七頁，共六十頁，2022年，8月28日

由于衍射效應是光學曝光技術中限制分辨率的主要因素，所以要提高分辨率就應使用波長更短的光源如

深紫外光。實際使用的深紫外光源有

KrF

準分子激光（248

nm）、ArF

準分子激光（193

nm）和

F2

準分子激光（157

nm）等。第十八頁，共六十頁，2022年，8月28日光源紫外光（UV）深紫外光（DUV）g線：436

nmi線：365

nmKrF

準分子激光：248

nmArF

準分子激光：193

nm極紫外光（EUV），10~15

nmX

射線，0.2~4

nm

電子束離子束第十九頁，共六十頁，2022年，8月28日有掩模方式無掩模方式（聚焦掃描方式）接觸式非接觸式接近式投影式反射折射全場投影步進投影掃描步進投影矢量掃描光柵掃描混合掃描3、曝光方式掩模板制造第二十頁，共六十頁，2022年，8月28日（1）接觸式光刻機SiU.V.MaskP.R.SiO2

優(yōu)點：設備簡單；理論上

MTF

可達到

1，因此分辨率比較高，約

0.5

m。

缺點：掩模版壽命短（10~20

次），硅片上圖形缺陷多，光刻成品率低。第二十一頁，共六十頁，2022年，8月28日

（2）接近式光刻機g=

10

~

50

m

優(yōu)點：掩模壽命長（可提高

10

倍以上），圖形缺陷少。

缺點：衍射效應嚴重，使分辨率下降。第二十二頁，共六十頁，2022年，8月28日

最小可分辨的線寬為式中，k

是與光刻膠處理工藝有關的常數(shù)，通常接近于1

。第二十三頁，共六十頁，2022年，8月28日接觸/接近式曝光的光學系統(tǒng)第二十四頁，共六十頁，2022年，8月28日

投影式光刻機式中，k1是與光刻膠的光強響應特性有關的常數(shù)，約為

0.75。NA

為鏡頭的

數(shù)值孔徑，

投影式光刻機的分辨率由

瑞利第一公式

給出，即分辨率與焦深n為折射率，為半接收角。NA

的典型值是

0.16

到

0.8。

增大

NA

可以提高分辨率，但卻受到

焦深

的限制。第二十五頁，共六十頁，2022年，8月28日

分辨率與焦深對波長和數(shù)值孔徑有相互矛盾的要求，需要折中考慮。增加

NA

線性地提高分辨率，平方關系地減小焦深，所以一般選取較小的

NA。為了提高分辨率，可以縮短波長。

焦深

代表當基片沿光路方向移動時能保持良好聚焦的移動距離。投影式光刻機的焦深由

瑞利第二公式

給出，即第二十六頁，共六十頁，2022年，8月28日（3）1:1掃描反射投影光刻機第二十七頁，共六十頁，2022年，8月28日掩模硅片反射凹鏡反射凸鏡光源優(yōu)點

1、掩模壽命長，圖形缺陷少。

2、無色散，可以使用連續(xù)波長光源，無駐波效應。無折射系統(tǒng)中的象差、彌散等的影響。

3、曝光效率較高。缺點數(shù)值孔徑

NA

太小，是限制分辨率的主要因素。第二十八頁，共六十頁，2022年，8月28日（4）分步重復縮小投影光刻機

隨著線寬的不斷減小和基板直徑的增大，分辨率與焦深的矛盾、線寬與視場的矛盾

越來越嚴重。為解決這些問題，開發(fā)出了分步重復縮小投影曝光機（DirectStep

on

the

Wafer，簡稱DSW，Stepper）。常用的是5:1

或4:1。第二十九頁，共六十頁，2022年，8月28日光源聚光透鏡投影器掩?；谌?，共六十頁，2022年，8月28日UVlightReticlefieldsize20mm×15mm,4dieperfield5:1reductionlens基片曲折的步進圖形第三十一頁，共六十頁，2022年，8月28日第三十二頁，共六十頁，2022年，8月28日

缺點

1、曝光效率低；

2、設備復雜、昂貴。

優(yōu)點

1、掩模版壽命長，圖形缺陷少；

2、可以使用高數(shù)值孔徑的透鏡來提高分辨率，通過分步聚焦來解決焦深問題，可以在大基片上獲得高分辨率的圖形；

3、由于掩模尺寸遠大于芯片尺寸，使掩模制造簡單，可減少掩模上的缺陷對芯片成品率的影響。第三十三頁，共六十頁，2022年，8月28日小結

限制光學曝光方式的分辨率的主要因素是衍射效應。最早使用的接觸式光刻機，分辨率可到

1

m以下，但容易損傷掩模和硅片。解決的辦法是使用接近式光刻機，但要影響分辨率。介紹了具有亞微米分辨率的投影曝光系統(tǒng)。為了解決分辨率和焦深之間的矛盾，可以采用分步重復的方式。第三十四頁，共六十頁，2022年，8月28日光學曝光的各種曝光方式及其利弊小結接觸式非接觸式優(yōu)點：設備簡單，分辨率較高缺點：掩模版與晶片易損傷，成品率低接近式優(yōu)點：掩模版壽命長，成本低缺點：衍射效應嚴重，影響分辨率投影式全反射折射優(yōu)點：無像差，無駐波效應影響缺點：數(shù)值孔徑小，分辨率低優(yōu)點：數(shù)值孔徑大，分辨率高，對硅片平整度要求低，掩模制造方便缺點：曝光效率低，設備昂貴第三十五頁，共六十頁，2022年，8月28日第三十六頁，共六十頁，2022年，8月28日將曝光后的基片用顯影液浸泡或噴霧處理。對負膠，顯影液將溶解掉未曝光區(qū)的膠膜；對正膠，顯影液將溶解曝光區(qū)的膠膜。幾乎所有的正膠都使用堿性顯影液，如

KOH

水溶液。

顯影過程中光刻膠膜會發(fā)生膨脹。正膠的膨脹可以忽略，而負膠的膨脹則可能使圖形尺寸發(fā)生變化。

顯影過程對溫度非常敏感。顯影過程有可能影響光刻膠的對比度，從而影響光刻膠的剖面形狀。顯影后必須進行嚴格的檢查，如有缺陷則必須返工。2.4.5光刻膠的顯影第三十七頁，共六十頁，2022年，8月28日自動顯影檢查設備第三十八頁，共六十頁，2022年，8月28日2.5刻蝕(Eching)

定義:由預先定義好的圖形把不要的區(qū)域去除，保留要留下的區(qū)域，將圖形轉移到所選定的舉出上其過程稱之為刻蝕。刻蝕的作用制作不同的器件結構，如線條、接觸孔、柵等。被刻蝕的材料半導體，絕緣體，金屬等。刻蝕方法可以是物理性(離子碰撞)，也可以是化學性(與薄膜發(fā)生化學反應)，也可以是兩者的混合方式。1、認識刻蝕第三十九頁，共六十頁，2022年，8月28日2、刻蝕失敗的例子第四十頁，共六十頁，2022年，8月28日(1)獲得滿意的剖面（傾斜或垂直）(2)鉆刻最小(3)選擇比大(4)刻蝕均勻性好，重復性高(5)對表面和電路的損傷最小(6)清潔、經濟、安全。3、對圖形轉移的要求第四十一頁，共六十頁，2022年，8月28日4、刻蝕工藝的分類(1)

濕法刻蝕與干法刻蝕(2)

各向同性刻蝕與各向異性刻蝕a.濕法刻蝕：采用液態(tài)化學試劑進行薄膜刻蝕b.干法刻蝕：采用氣態(tài)的化學氣體進行薄膜刻蝕a.各向同性刻蝕：薄膜在各個方向上都受到同樣的刻蝕b.各向異性刻蝕：薄膜在各個方向上所受刻蝕不等第四十二頁，共六十頁，2022年，8月28日a.橫向刻蝕速度RLb.縱向刻蝕速度RV(2)選擇比：不同材料的刻蝕速率比.(3)鉆刻：掩膜材料下的側向刻蝕。各向異性度：A=0,各向同性刻蝕A=1,理想的各向異性刻蝕1>A>0，實際的各向異性刻蝕5、刻蝕工藝的品質因數(shù)(1)刻蝕速率：單位時間刻蝕的厚度。——決定了刻蝕工藝的產率——決定了刻蝕后剖面形貌和“鉆蝕”程度第四十三頁，共六十頁，2022年，8月28日膜層厚度的不均勻+刻蝕速率的不均勻→圖形轉移尺寸的不均勻（4）均勻性：第四十四頁，共六十頁，2022年，8月28日二、濕法刻蝕1）反應物擴散到被刻蝕的材料表面；2）反應物與被刻蝕薄膜反應；3）反應后的產物從刻蝕表面擴散到溶液中，并隨溶液被排出。1、濕法刻蝕:利用溶液與預刻蝕材料之間的化學反應來去除未被掩蔽膜材料掩蔽的部分而達到刻蝕目的。2、三個步驟：a.

刻蝕溶液的種類b.

溶液的濃度c.

反應溫度d.

攪拌速率控制方法：第四十五頁，共六十頁，2022年，8月28日各相同性的，鉆蝕嚴重，對圖形的控制性較差。安全性、潔凈性差。I.刻蝕液的選用：選擇比大。II.掩蔽膜的選用：粘附性；穩(wěn)定性；抗蝕性好；III.主要優(yōu)點：設備簡單，成本底，產量高，并且具有很好的刻蝕選擇比，重復性好。IV.主要缺點第四十六頁，共六十頁，2022年，8月28日濕刻的工藝過程（例）transparentglassCrpatternedfilmMaskSiphotoresistSiO2filmAlfilmSiUVexposureSiDevelopsolutionSiPatterntransfertophotoresistSiEtchingofAlfilm第四十七頁，共六十頁，2022年，8月28日IsotropicetchingundercutFilmetchingundercutLayer2Layer1濕法刻蝕中的側向腐蝕SiO2腐蝕斷面第四十八頁，共六十頁，2022年，8月28日三、干法刻蝕c.分類：1、特點:利用氣體在外加的交流電場中所形成的等離子與選定材料在真空室內發(fā)生反應的機制，將未受保護區(qū)域的材料從表面上移除的過程。a.優(yōu)點:各向異性好，選擇比高，可控性、靈活性、重復性好，細線條操作安全，易實現(xiàn)自動化，無化學廢液，處理過程未引入污染，潔凈度高。b.缺點：成本高，設備復雜。物理性、化學性、物理化學性刻蝕。第四十九頁，共六十頁，2022年，8月28日2、物理性刻蝕(2)設備：a.

純粹的機械過程，對所有材料都可實現(xiàn)強的各向異性刻蝕。b.選擇比差；c.刻出物易再淀積；d.易對下面結構造成損傷；e.

單片刻蝕。(1)機理：利用輝光放電將惰性氣體解離成帶正電的離子，再利用偏壓將離子加速，轟擊被刻蝕物的表面，并將被刻蝕物材料的原子擊出。離子銑（真空度10-3～10-5Torr）(3)特點：第五十頁，共六十頁，2022年，8月28日離子束刻蝕Neutralizedionbeam:goodforconductor&insulator第五十一頁，共六十頁，2022年，8月28日3、化學性刻蝕(1)機理：第五十二頁，共六十頁，2022年，8月28日a.

主要依靠化學反應進行刻蝕，選擇性好；b.

離子的能量很小，各向異性差；c.

對基底的損傷??；d.

刻蝕速度低。(2)設備：高壓等離子體刻蝕機（真空度102～10-1Torr）(3)特點：第五十三頁，共六十頁，2022年，8月28日4、物理化學性刻蝕a.

選擇比較高；b.

各向異性較好，c.

刻蝕速度較快(1)機理：物理性的離子轟擊和化學反應相結合實現(xiàn)的刻蝕。(2)設備：反應離子刻蝕機（RIE)（真空度10-1～10-2Torr）傳統(tǒng)的RIE設備結構簡單、價格較低廉。通過適當選擇反應氣體、氣壓、流量和射頻功率，可以得到較快的刻蝕速率和良好的各向異性。(3)特點：第五十四頁，共六十頁，2022年，8月28日a.

將被刻蝕材料表面的原子鍵破壞；b.

將再淀積于被刻蝕表面的產物或聚合物打掉,使被刻蝕表面能再與刻蝕氣體接觸；(4)離子轟擊的作用：第五十五頁，共六十頁，2022年，8月28日(5)反應離子刻蝕機RIE可達100～1000ev比