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秘密

发布时间:2014-01-08 09:02:50  

集成电路工艺之光刻

光刻
?1、基本描述和过程 ?2、光刻胶 ?3、光刻机 ?4、光刻工艺 ?5、新技术简介

光刻基本介绍
? 在硅片表面匀胶,然后将掩模版上的图形转移光刻 胶上的过程 ? 将器件或电路结构临时“复制”到硅片上的过程。 ? 光刻在整个硅片加工成本中几乎占三分之一。 ? 光刻占40%到50%的流片时间。 ? 决定最小特征尺寸。 IC制程中最重要的模块,是集成电路中关键的工艺技术最 早的构想来源于印刷技术中的照相制版。光刻技术最早于 1958年开始应用,并实现了平面晶体管的制作。

光刻的一般要求
?图形的分辨率高 ?光刻胶敏感度高 ?层间对准精密高 ?缺陷密度低

光刻胶
?开始于印刷电路 ?1950年起应用于半导体工业 ?是图形工艺的关键 ?有正胶和负胶两种 ?光敏材料 ?均匀涂布在硅片表面 ?用曝光的方法转移设计图形到光刻胶上 ?类似于光敏材料涂布在照相用的底片上

光刻胶的成分
?聚合物 ?溶剂 ?感光剂 ?添加剂

聚合物
?固体有机材料(胶膜的主体) ?转移图形到硅片上 ?UV曝光后发生光化学反应,溶解性质发 生改变.

溶剂
?溶解聚合物 ?经过旋转涂布可得到薄光刻胶膜.

感光剂
?控制和或改变光化学反应 ?决定曝光时间和强度

添加剂
?为达到不同的工艺结果而添加多种不同的化 学物质,如添加染色剂以减少反射。

光刻胶的要求
?高分辨率 –光刻胶越薄,分辨率越高 –光刻胶越薄,抗刻蚀和离子注入能力越低 ?高抗刻蚀性(要求厚膜) ?好的黏附性 ?注入屏蔽能力强和针孔少(要求厚膜) ?宽工艺窗口 –能适应工艺的变更

光刻胶的种类

光刻机
?IC制造中最关键的步骤 ?IC 晶圆中最昂贵的设备 ?最有挑战性的技术 ?决定最小特征尺寸 接触式光刻机 接近式光刻机 投影式光刻机 步进式光刻机

接触式光刻机
? 设备简单 ? 70年代中期前使 用 ? 分辨率:有微米 级的能力 ? 掩膜版和硅片直 接接触,掩膜版 寿命短

接触式光刻机

接近式光刻机
?距硅片表面 10微米 ?无直接接触 ?更长的掩膜 寿命 ?分辨率:>3μm

接近式光刻机

投影光刻机(扫描型)

步进光刻机
?先进的IC 中最流行的光刻设备 ?高分辨率 ?0.25微米或以下 ?非常昂贵 ?掩膜图形尺寸5X:10X能够得到更好的分 辨率,但是,它的曝光时间是5X的四倍。 曝光时间和分辨率折中的结果。

光刻的基本步骤

硅片清洗
?去除沾污 ?去除微粒 ?减少针孔和其他缺陷 ?提高光刻胶黏附性

硅片清洗工艺

光刻工艺-前烘
?去水烘干 ?去除硅片表面的水份 ?提高光刻胶与表面的黏附性 ?通常在100°C ?与前

处理同时进行

光刻工艺-前处理
?防止显影时光刻胶脱离硅片表面 ?通常和前烘一起进行 ?匀胶前硅片要冷却

硅片冷却
?匀胶前硅片需冷却 ?硅片在冷却平板上冷却 ?温度会影响光刻胶的黏度 –影响光刻胶的厚度

匀胶
?硅片吸附在真空卡盘上 ?液态的光刻胶滴在硅片的中心 ?卡盘旋转,离心力的作用下光刻胶扩散开 ?高速旋转,光刻胶均匀地覆盖硅片表面 ?先低速旋转~500 rpm ?再上升到~3000-7000 rpm

? 硅片自动输送轨道系统;真空卡盘吸住硅片;胶 盘 ? 排气系统;可控旋转马达;给胶管和给胶泵 ? 边缘清洗(去边)

去边(EBR)
?光刻胶扩散到硅片的边缘和背面 ?在机械搬送过程中光刻胶可能回剥落成为 微粒 ?正面和背面去边EBR ?正面光学去边EBR

匀胶后烘
?使光刻胶中的大部分溶剂蒸发。 ?溶剂帮助得到薄的光刻胶膜但是吸收光且 影响黏附性 ?曝光后烘时间和温度取决于工艺条件 ?过烘:聚合,光敏性降低 ?后烘不足:影响黏附性和曝光

硅片冷却
?需要冷却到环境温度 ?硅片在冷却板上冷却 ?硅的热膨胀率:2.5×10-6/°C ?对于8英寸硅片,改变1°C引起0.5微米的直 径差

对准和曝光
?接触式曝光:分辨率较高,但是容易造成掩膜版和光刻 胶膜的损伤。 ?接近式曝光:在硅片和掩膜版之间有一个很小的间隙 (10~25?m),可以大大减小掩膜版的损伤,分辨率较低 ?投影式曝光:利用透镜或反射镜将掩膜版上的图形投影 到衬底上,优点:掩模版与晶片不接触,掩模不受损伤; 对准是观察掩模平面上的反射图像,不存在景深问题;掩 模版上的图形是通过光学技影的方法缩小,并聚焦于感光 胶膜上,掩模版上可以有比实际尺寸大得多的图像(通常 掩模图形的尺寸是实际尺寸的1~10倍),提高了对准精度, 避免了微细图形制作的困难,也减弱了灰尘微粒的影响。 ?缺点:投影系统光路复杂,对物镜成像能力要求高。

曝光后烘
?玻璃转化温度Tg ?烘烤温度大于Tg ?光刻胶分子热迁移 ?过曝光和曝光不足的光刻胶分子重排 ?平衡驻波效应, ?平滑光刻胶侧壁提高分辨率

硅片冷却
?PEB后,显影前,硅片放置在冷却板上冷 却至环境温度 ?高温会加速化学反应引起过显影 ?光刻胶CD变小

显影
? ? ? ? ? 显影液溶解部分光刻胶 正胶显影液通常使用弱碱性的溶剂 最常用的是四甲基氢铵 将掩膜上的图形转移到光刻胶上 三个基本步骤:显影-清洗-干燥

显影后烘
?使光刻胶中的溶剂蒸发 ?提高抗刻蚀和抗离子注入性 ?提高光刻胶和硅片表面的黏附性 ?聚合化并稳定光刻胶 ?光刻胶流动填平针孔

图形检查
?不

合格的硅片将被去除光刻胶返工 –光刻胶的图形是临时性的 –刻蚀和注入后的图形是永久的. ?光刻是可以返工的 ?刻蚀和注入后不能返工 ?光学显微镜 ?扫描电子显微镜(SEM)

检查
?对准精度 –放大,缩小,掩膜旋转,硅片旋转, X方向漂移,Y方向漂移 ?关键尺寸(CD) ?表面缺陷如,刮痕,针孔,污点,污染物 等

检查
?如果硅片检查合格,将会流出光刻模块, 进入下一道工艺 ?刻蚀或离子注入

目前新技术
?相移掩膜 ?浸没式光刻

浸没式光刻
?是目前领域最有趣的问题 ?非常有前景 ?193 nm浸没式光刻技术已在2006年投入使 用 ?利用水提高分辨率

浸没式实现方法
?喷淋vs浸泡 ?主要的光刻机生产商的主要研发方向都是 喷淋系统 ?在透镜和硅片之间有水 ?大约1 mm的间距 ?大约100 mm的直径

?此外,目前正在研究的还有X-ray光刻、电 子束光刻(EBL)、离子束(IBL)光刻。

安全
化学制品安全 ? 湿法清洗 –硫酸(H2SO4):强腐蚀性 –双氧水(H2O2):强氧化剂 ? 二甲苯(负胶溶剂和显影液):易 燃易爆 ? HMDS(前处理):易燃易爆 ? TMAH(正胶显影溶剂):有毒, 有腐蚀性 ? 汞(Hg,UV lamp)蒸气 –高毒性; ? 氯(Cl2,受激准分子激光器) –有毒,有腐蚀性 ? 氟(F2,受激准分子激光器) –有毒,有腐蚀性
机械安全 ? 活动部件 ? 热表面 ? 高压灯 电安全 ? 高压供电源 ? 掉电 ? 地面静电荷 ? 标注清晰和锁紧 放射性安全 ? UV光可破坏化学键 ? 有机分子有长化学键结构 ? 更易因UV引起损伤 ? UV光通常用于消毒杀菌 ? 如果直视UV光源会伤害眼睛 ? 有时需要戴防UV护目镜

小结
? 光刻:形成暂时性图形的模块 ? IC制程中最重要的模块 ? 要求:高分辨率,低缺陷密度 ? 光刻胶:正胶和负胶 ? 步骤:前烘和前处理,匀胶,匀胶后烘,曝光,曝光后烘, 显影,显影后烘,检查 ? 用于65,45,and 32 nm的浸没式光刻,可达到22 nm ? NGL:离子束光刻和电子束光刻.


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