第九章 基本光刻工藝

第九章基本光刻工藝第1頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗(yàn)－2－第2頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗(yàn)－3－負(fù)光刻膠顯影

當(dāng)負(fù)性光刻膠經(jīng)過(guò)曝光后，它會(huì)發(fā)生聚合，在聚合與未聚合之間有足夠高的分辨率，從而在顯影過(guò)程中聚合的區(qū)域只會(huì)失去很小部分光刻膠，而未聚合的區(qū)域則在顯影過(guò)程中分解，但由于兩個(gè)區(qū)域之間總是存在過(guò)渡區(qū)，過(guò)渡區(qū)是部分聚合的光刻膠，所以，顯影結(jié)束后必須及時(shí)沖洗，使顯影液很快稀釋，保證過(guò)渡區(qū)不被顯影，使顯影后的圖形得以完整。第3頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗(yàn)－4－正光刻膠顯影

對(duì)于正性光刻膠，聚合與未聚合區(qū)域的溶解率約為1:4。這意味著在顯影中總會(huì)從聚合的區(qū)域失去一些光刻膠。使用過(guò)渡的顯影液或顯影時(shí)間過(guò)長(zhǎng)都會(huì)導(dǎo)致光刻膠太薄而不能使用。通常要求不高的正光刻膠顯影使用減－水溶液和非離子溶液，對(duì)制造敏感電路使用疊氮化四甲基銨氫氧化物的溶液。正性光刻膠的顯影工藝比負(fù)性光刻膠更為敏感，影響的因素有：軟烘焙時(shí)間和溫度、曝光度、顯影液濃度、時(shí)間、溫度以及顯影方法。顯影工藝參數(shù)由所有變量的測(cè)試來(lái)決定。圖9.4顯示了一個(gè)特定的工藝參數(shù)對(duì)線寬的影響。第4頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗(yàn)－5－

圖9.4顯影劑溫度和曝光關(guān)系與線寬變化的比較第5頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗(yàn)－6－顯影方式

顯影方式分為：濕法顯影干法（等離子）顯影濕法顯影

沉浸噴射混凝沉浸顯影

最原始的方法。就是將待顯影的晶園放入盛有顯影液的容器中，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間再放入加有化學(xué)沖洗液的池中進(jìn)行沖洗。比較簡(jiǎn)單，但存在的問(wèn)題較多，比如：液體表面張力會(huì)阻止顯影液進(jìn)入微小開(kāi)孔區(qū)；溶解的光刻膠粘在晶園表面影響顯影質(zhì)量；隨著顯影次數(shù)增加顯影液的稀釋和污染；顯影溫度對(duì)顯影率的影響等。噴射顯影

顯影系統(tǒng)如圖9.7所示。由此可見(jiàn)，顯影劑和沖洗液都是在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)完成，每次用的顯影液第6頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗(yàn)－7－

和沖洗液都是新的，所以較沉浸系統(tǒng)清潔，由于采用噴射系統(tǒng)也可大大節(jié)約化學(xué)品的使用。所以此工藝很受歡迎，特別是對(duì)負(fù)性光刻膠工藝。

對(duì)正性光刻膠工藝來(lái)說(shuō)因?yàn)闇囟鹊拿舾行裕?dāng)液體在壓力下從噴嘴噴出后很快冷卻，要保證溫度必須加熱晶園吸盤。從而增加了設(shè)備的復(fù)查性和工藝難度。

第7頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗(yàn)－2－混凝顯影

雖然噴射顯影有很多有點(diǎn)，但對(duì)正性光刻膠顯影還存在一些問(wèn)題，混凝顯影就是針對(duì)所存在地問(wèn)題而改進(jìn)的一種針對(duì)正性膠的光刻工藝，差別在于顯影化學(xué)品的不同。如圖所示，首先在靜止的晶園表面上覆蓋一層顯影液，停留一段時(shí)間（吸盤加熱過(guò)程），在此過(guò)程中，大部分顯影會(huì)發(fā)生，然后旋轉(zhuǎn)并有更多的顯影液噴到晶園表面并沖洗、干燥。第8頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗(yàn)－9－干法顯影液體工藝的自動(dòng)化程度不高，并且化學(xué)品的采購(gòu)、存儲(chǔ)、控制和處理費(fèi)用昂貴，取代液體化學(xué)顯影的途徑是使用等離子體刻蝕工藝，該工藝現(xiàn)已非常成熟。在此工藝中，離子從等離子體場(chǎng)得到能量，以化學(xué)形式分解暴露的晶園表面層。干法光刻顯影要求光刻膠化學(xué)物的曝光或未曝光的之一易于被氧等離子體去除。具體內(nèi)容在第十章中介紹。9.2硬烘焙

硬烘焙的作用是蒸發(fā)濕法顯影過(guò)程中吸收在光刻膠中溶液，增加光刻膠和晶園表面的粘結(jié)能力，保證下一步的刻蝕工藝得以順利進(jìn)行。第9頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗(yàn)－10－硬烘焙方法在方法和設(shè)備上與前面介紹的軟烘焙相似。烘焙工藝

時(shí)間和溫度仍然是主要的工藝參數(shù)，一般是制造商推薦，工藝工程師精確調(diào)整。對(duì)一般使用的對(duì)流爐，溫度：130～200℃，時(shí)間：30分鐘。對(duì)其他方法溫度和時(shí)間各不相同。熱烘焙增加粘度的機(jī)理是光刻膠的脫水和聚合，從而增加光刻膠的耐蝕性。

烘焙溫度太低，脫水和聚合不徹底，溫度太高光刻膠容易變軟甚至流動(dòng)（如圖9.9所示），所以溫度的控制極為嚴(yán)格。硬烘焙是在顯影后立即進(jìn)行，或者在刻蝕前進(jìn)行，工藝流程如圖9.10

所示。第10頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗(yàn)－11－圖9.9光刻膠在高溫下的流動(dòng)第11頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗(yàn)－12－顯影檢驗(yàn)

任何一次工藝過(guò)后都要進(jìn)行檢驗(yàn)，經(jīng)檢驗(yàn)合格的晶園流入下一道工藝，對(duì)顯影檢驗(yàn)不合格的晶園可以返工重新曝光、顯影。工藝流程如圖所示。顯影檢驗(yàn)的內(nèi)容

圖形尺寸上的偏差，定位不準(zhǔn)的圖形，表面問(wèn)題（光刻膠的污染、空洞或劃第12頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗(yàn)－13－第13頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗(yàn)－14－

傷），以及污點(diǎn)和其他的表面不規(guī)則等。檢驗(yàn)方法

人工檢驗(yàn)自動(dòng)檢驗(yàn)人工檢驗(yàn)

下圖是一個(gè)典型的人工檢驗(yàn)次序和內(nèi)容第14頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗(yàn)－15－自動(dòng)檢驗(yàn)

隨著晶園尺寸增大和元件尺寸的減小，制造工藝變得更加繁多和精細(xì)，人工檢驗(yàn)的效力也到了極限?？商綔y(cè)表面和圖形失真的自動(dòng)檢驗(yàn)系統(tǒng)成了在線和非在線檢驗(yàn)的選擇。詳細(xì)內(nèi)容在第14章中介紹。9.4刻蝕

在完成顯影檢驗(yàn)后，掩膜版的圖形就被固定在光刻膠膜上并準(zhǔn)備刻蝕。經(jīng)過(guò)刻蝕圖形就永久留在晶園的表層?？涛g工藝分為兩大類：濕法和干法刻蝕。

無(wú)論那一種方法，其目的都是將光刻掩膜版上的圖形精確地轉(zhuǎn)移到晶園表面。同時(shí)要求一致性、邊緣輪廓控制、選擇性、潔凈度都符合要求。第15頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗(yàn)－16－光刻膠被刻蝕材料(a)有光刻膠圖形的襯底(b)刻蝕后的襯底光刻膠被保護(hù)層第16頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗(yàn)－17－濕法各向同性化學(xué)腐蝕層（各向同性刻蝕是在各個(gè)方向上以同樣的速度進(jìn)行刻蝕）襯底膜膠第17頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗(yàn)－18－具有垂直刻蝕剖面的各向異性刻蝕（各向異性刻蝕是僅在一個(gè)方向刻蝕）ResistSubstrateFilm第18頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗(yàn)－19－濕法刻蝕

最原始的刻蝕工藝，就是將晶園沉浸于裝有刻蝕液的槽中經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間，再傳送到?jīng)_洗設(shè)備中除去殘余的酸（刻蝕液）在進(jìn)行最終的沖洗和甩干。此工藝只能用于特征尺寸大于3μm的產(chǎn)品，小于3μm的產(chǎn)品由于控制和精度的需要一般使用干法刻蝕了。

刻蝕的一致性和工藝控制由附加的加熱和攪動(dòng)設(shè)備來(lái)提高，常用的是帶有超聲波的刻蝕槽。刻蝕液的選擇要求具有良好的選擇性，即在刻蝕時(shí)要有均勻去掉晶園表層而又不傷及下一層的材料。

刻蝕時(shí)間是一個(gè)重要的工藝參數(shù)，最短時(shí)間是保證徹底、干凈的均勻刻蝕；而最長(zhǎng)時(shí)間受限于光刻膠在晶園表面的粘結(jié)時(shí)間。第19頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗(yàn)－20－刻蝕工藝中容易出現(xiàn)的問(wèn)題：過(guò)刻蝕、內(nèi)切、選擇性和側(cè)邊的各向異性/各向同性刻蝕。不完全刻蝕

是指表面層刻蝕不徹底，如圖所示。

產(chǎn)生的原因：太短的刻蝕時(shí)間；薄厚不均勻的待刻蝕層；過(guò)低的刻蝕溫度。過(guò)刻蝕和底切

與不完全刻蝕相反，不過(guò)通常是有意識(shí)的過(guò)刻蝕，因?yàn)榍〉胶锰幨呛茈y做到的。理想的刻蝕應(yīng)該是形成垂直的側(cè)邊（如圖所示），產(chǎn)生這種理想結(jié)果的刻蝕技術(shù)叫做各向異性刻蝕。然而，刻蝕總是在各個(gè)方向同時(shí)進(jìn)行的，這樣就避免不第20頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗(yàn)－21－

了在側(cè)面形成一個(gè)斜面，這種現(xiàn)象稱為底切（如圖所示）?？涛g的目標(biāo)是把這種底切控制在一個(gè)可以接受的范圍內(nèi)。由于這種底切的存在，在電路設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮（即各器件之間留有余量以防止電路短路）。徹底解決底切的方法是采用等離子體刻蝕。第21頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗(yàn)－22－產(chǎn)生底切的原因

除了各向同性刻蝕以外，產(chǎn)生底切的原因有：時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、溫度過(guò)高、刻蝕液濃度太高、光刻膠和晶園表面的粘結(jié)力較弱、開(kāi)孔邊緣粘結(jié)力失效等。選擇性

理想的刻蝕特性是：既要把該刻蝕的徹底、干凈地刻蝕掉，又要把不該刻蝕的原樣保留。這就是刻蝕的選擇性。盡管不能完全做到，但在刻蝕液的選擇上盡量保證。同一種刻蝕液對(duì)不同的材料刻蝕速度是不同的，通常用刻蝕速率來(lái)描寫。比如：SiO2/Si的選擇性從20～40。高選擇性意味著下表層很少或沒(méi)有被刻蝕。第22頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗(yàn)－23－不同材料的刻蝕其工藝略有不同，不同材料的不同刻蝕工藝見(jiàn)9.54～9.510節(jié)。9.6干法刻蝕

對(duì)于小尺寸濕法刻蝕的局限性前面已經(jīng)提到，主要包括：局限于3μm以上的圖形尺寸；各向同性刻蝕導(dǎo)致邊側(cè)形成斜坡；要求沖洗和干燥步驟；潛在地污染；光刻膠粘結(jié)力失效導(dǎo)致底切。

基于這些原因，干法刻蝕主要用于先進(jìn)電路的小尺寸精細(xì)刻蝕中。干法刻蝕是指以氣體為主要媒體的刻蝕技術(shù)，晶園不需要液體化學(xué)品或沖洗，刻蝕過(guò)程在干燥的狀態(tài)進(jìn)出系統(tǒng)。刻蝕方法見(jiàn)下圖。第23頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗(yàn)－24－干法刻蝕與濕法刻蝕相比的優(yōu)點(diǎn)：刻蝕剖面是各向異性，具有非常好的惻壁剖面控制；好的CD控制；最小的光刻膠脫落或黏附問(wèn)題；好的片內(nèi)、片間、批次間的刻蝕均勻性；較低的化學(xué)制品使用和處理費(fèi)用。第24頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗(yàn)－25－等離子體

等離子體是一種中性、高能量、離子化的氣體，包括中性原子或分子、帶電離子和自由電子。當(dāng)從中性原子中去除一個(gè)價(jià)電子時(shí)，形成正離子和自由電子。例如，當(dāng)原子結(jié)構(gòu)內(nèi)的原子和電子數(shù)目相等時(shí)氟是中性的，當(dāng)一個(gè)電子從它的核內(nèi)分離出去后氟就離子化了（見(jiàn)下圖）。在一個(gè)有限的工藝腔內(nèi)，利用強(qiáng)直流或交流磁場(chǎng)或用某些電子源轟擊氣體原子都會(huì)導(dǎo)致氣體原子的離子化。

第25頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗(yàn)－26－等離子體刻蝕離子的形成

F+9離子是質(zhì)子（＋）與電子（－）數(shù)不等地原子電子從主原子中分離出來(lái).少一個(gè)電子的氟原子到原子失去一個(gè)電子時(shí)產(chǎn)生一個(gè)正離子

F+9具有質(zhì)子（＋9）和電子（－9）數(shù)目相等地中性粒子是原子氟原子總共有7個(gè)價(jià)電子價(jià)層環(huán)最多能有8個(gè)電子價(jià)層電子（－）內(nèi)層電子（－）在原子核中的質(zhì)子（未顯示電子）第26頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗(yàn)－27－硅片的等離子體刻蝕過(guò)程

8) 副產(chǎn)物去除

1) 刻蝕氣體進(jìn)入反應(yīng)室襯底刻蝕反應(yīng)室

2)

電場(chǎng)使反應(yīng)物分解

5) 反應(yīng)離子吸附在表面

4) 反應(yīng)正離子轟擊表面

6) 原子團(tuán)和表面膜的表面反應(yīng)排氣氣體傳送RF發(fā)生器副產(chǎn)物

3) 電子和原子結(jié)合產(chǎn)生等離子體

7) 副產(chǎn)物解吸附陰極陽(yáng)極電場(chǎng)ll各向異性刻蝕各向同性刻蝕第27頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗(yàn)－28－等離子體刻蝕反應(yīng)器園桶式等離子體刻蝕機(jī)

早期的離子體系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成圓柱形的（如圖），在0.1～1托的壓力下具有幾乎完全的化學(xué)各向同性刻蝕，硅片垂直、小間距地裝在一個(gè)石英舟上。射頻功率加在圓柱兩邊的電極上。第28頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗(yàn)－29－平板（平面）等離子體刻蝕機(jī)

平板（平面）等離子體刻蝕機(jī)有兩個(gè)大小和位置對(duì)稱的平行金屬板，一個(gè)硅片背面朝下放置于接地的陰極上面，RF信號(hào)加在反應(yīng)器的上電極。由于等離子體電勢(shì)總是高于地電勢(shì)，因而是一種帶能離子進(jìn)行轟擊的等離子體刻蝕模式。相對(duì)于桶形刻蝕系統(tǒng)，具有各向異性刻蝕的特點(diǎn)，從而可得幾乎垂直的側(cè)邊。另外，旋轉(zhuǎn)晶園盤可增加刻蝕的均勻性。該系統(tǒng)可設(shè)計(jì)成批量和單個(gè)晶園反應(yīng)室設(shè)置。單個(gè)晶園系統(tǒng)因其可對(duì)刻蝕參數(shù)精密控制，以得到均勻刻蝕而受到歡迎。

第29頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗(yàn)－30－平板等離子體刻蝕第30頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月粒子束刻蝕

粒子束刻蝕也是干法刻蝕的一種，與化學(xué)等離子體刻蝕不同的是粒子束刻蝕是一個(gè)物理工藝。如圖所示，晶園在真空反應(yīng)室內(nèi)被置于固定器上，并且向反應(yīng)室導(dǎo)入氬氣流。氬氣進(jìn)入反應(yīng)室便受到從一對(duì)陰陽(yáng)極來(lái)的高能電子束流的影響。電子將氬原子離子化成帶正電荷的高能狀態(tài)。由于晶園位于接負(fù)極的固定器上，從而氬離子便被吸向固定器。在移動(dòng)的同時(shí)被加速以提高能量。在晶園表面上它們轟擊進(jìn)入暴露的晶園層并從晶園表面炸掉一小部分從而達(dá)到刻蝕的目的。

第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗(yàn)－31－第31頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗(yàn)－32－優(yōu)點(diǎn)：刻蝕的方向性非常好（屬于各向異性），非常適合高精度的小開(kāi)口區(qū)域刻蝕缺點(diǎn)：選擇性差，存在離子化形成的輻射損害。粒子束轟擊示意圖第32頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗(yàn)－33－干法刻蝕中光刻膠的影響

對(duì)于濕法和干法刻蝕兩種工藝，圖形保護(hù)層是光刻膠層。在濕法刻蝕中對(duì)光刻膠層幾乎沒(méi)有來(lái)自刻蝕劑的刻蝕。然而在干法刻蝕中，殘余的氧氣會(huì)刻蝕光刻膠層。因此光刻膠層必須保證足夠的厚度以應(yīng)付刻蝕劑的刻蝕而不至于變薄出現(xiàn)空洞。另一個(gè)與光刻膠相關(guān)的干法刻蝕問(wèn)題是光刻膠烘焙。在干法刻蝕反應(yīng)室內(nèi)，溫度可升到200℃，這樣的溫度可把光刻膠烘焙到一個(gè)難于從晶園表面去除的狀態(tài)，還有就是高溫下光刻膠的流動(dòng)傾向會(huì)使圖形變差。第33頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗(yàn)－34－9.7光刻膠的去除

刻蝕工藝完成后，作為刻蝕阻擋層的光刻膠已經(jīng)完成任務(wù)，必須從表面去掉。傳統(tǒng)的方法是用濕法化學(xué)工藝去除，盡管有一些問(wèn)題，濕法去除在前線工藝還是經(jīng)常采用的一種方法（特別是硅片表面和MOS柵極暴露并易于受到等離子體中氧氣離子的損傷）。另一種是干法的等離子體去除，在后線工藝中經(jīng)常采用（此時(shí)硅片和MOS柵極已經(jīng)被絕緣和金屬層覆蓋）。

濕法去除有許多不同的化學(xué)品被由于去除工藝，其選擇依據(jù)是晶園表層、產(chǎn)品考慮、光刻膠極性和光刻膠的狀態(tài)（見(jiàn)下圖）。第34頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗(yàn)－35－濕法光刻膠去除表優(yōu)點(diǎn)：成本有效性好；可有效去除金屬離子；低溫工藝并且不會(huì)將晶園暴露于可能的損傷性輻射。第35頁(yè)，課件共39頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第九章基本光刻工藝----