1、12内容提要内容提要8.1 概述概述8.2 光刻胶及其特性光刻胶及其特性8.3 曝光技术曝光技术8.4 掩模版的制造掩模版的制造8.5 ULSI对图形转移的要求对图形转移的要求8.6 腐蚀方法腐蚀方法8.7 等离子体腐蚀等离子体腐蚀8.8 反应离子刻蚀与离子溅射刻蚀反应离子刻蚀与离子溅射刻蚀38.1 概述概述一、光刻技术的特点一、光刻技术的特点 1、光刻是一种表面加工技术；、光刻是一种表面加工技术；2、光刻是复印图像和化学腐蚀相结合的综合性技术；、光刻是复印图像和化学腐蚀相结合的综合性技术；3、器件的尺寸越小，集成电路的集成度越高，对光刻精、器件的尺寸越小，集成电路的集成度越高，对光刻精度的要
2、求就越高，难度就越大。度的要求就越高，难度就越大。二、光刻的目的二、光刻的目的 在二氧化硅或金属薄膜上面刻蚀出与掩模版完全对应的几在二氧化硅或金属薄膜上面刻蚀出与掩模版完全对应的几何图形，从而达到选择性扩散和金属薄膜布线的目的。何图形，从而达到选择性扩散和金属薄膜布线的目的。4三、三、ULSI对光刻的基本要求对光刻的基本要求 高的图形分辨率；高的图形分辨率；高灵敏度的光刻胶；高灵敏度的光刻胶；低缺陷；低缺陷；精密的套刻对准；精密的套刻对准；可对大尺寸硅片进行加工。可对大尺寸硅片进行加工。四、光刻工艺流程四、光刻工艺流程 涂胶涂胶前烘前烘曝光曝光显影显影坚膜坚膜刻蚀刻蚀去胶去胶12345676
3、1、衬底准备：清洁表面，使之与光刻胶粘附良好；、衬底准备：清洁表面，使之与光刻胶粘附良好；2、涂胶：在待光刻的硅片表面均匀地涂上一层光刻胶，要、涂胶：在待光刻的硅片表面均匀地涂上一层光刻胶，要求粘附良好，均匀；求粘附良好，均匀；3、前烘：使光刻胶干燥，以增强胶膜与硅片表面的粘附性、前烘：使光刻胶干燥，以增强胶膜与硅片表面的粘附性和胶膜耐磨性，同时使曝光时能进行充分的光化学反应；和胶膜耐磨性，同时使曝光时能进行充分的光化学反应；4、曝光及显影：在曝过光的硅片表面的胶膜上显影出与掩、曝光及显影：在曝过光的硅片表面的胶膜上显影出与掩模版相同（模版相同（正性光刻胶正性光刻胶）或相反（）或相反（负性光刻
4、胶负性光刻胶）的图形，显影）的图形，显影后的硅片必须严格检查，以保证光刻的质量；后的硅片必须严格检查，以保证光刻的质量；5、坚膜：使胶膜与硅片之间紧密粘附，防止胶层脱落，同、坚膜：使胶膜与硅片之间紧密粘附，防止胶层脱落，同时增强胶膜本身的抗蚀能力；时增强胶膜本身的抗蚀能力；6、刻蚀：以坚膜后的光刻胶作为掩蔽层，对衬底进行干法或、刻蚀：以坚膜后的光刻胶作为掩蔽层，对衬底进行干法或湿法刻蚀，使之得到与光刻胶膜图形相应的图形；湿法刻蚀，使之得到与光刻胶膜图形相应的图形；7、去胶：以干法或湿法去除光刻胶膜。、去胶：以干法或湿法去除光刻胶膜。1、涂胶、涂胶 在待光刻的硅片表面形成厚度均匀（几百在待光刻的
5、硅片表面形成厚度均匀（几百 nm 到到 2 m 之之间）间）、附着性强、无针孔缺陷的光刻胶膜。、附着性强、无针孔缺陷的光刻胶膜。胶膜太薄，针孔较多，则抗蚀性能差；胶膜太厚，则分胶膜太薄，针孔较多，则抗蚀性能差；胶膜太厚，则分辨率低。辨率低。光刻胶膜厚的均匀性影响分辨率的均匀性，导致图形失光刻胶膜厚的均匀性影响分辨率的均匀性，导致图形失真，要求真，要求在在10 nm 之间，主要取决于涂胶方法及设备。涂之间，主要取决于涂胶方法及设备。涂胶法一般为胶法一般为旋转法旋转法。8 步骤：步骤：1）脱水烘焙：）脱水烘焙：SiO2亲水，光刻胶疏水。具有疏水性的衬底亲水，光刻胶疏水。具有疏水性的衬底表面（干燥基
6、片）与光刻胶粘附性强。表面（干燥基片）与光刻胶粘附性强。2）打底膜：）打底膜：增强光刻胶与硅片之间的附着力。常用化合物增强光刻胶与硅片之间的附着力。常用化合物有有 六甲基乙硅氮烷六甲基乙硅氮烷(hexa-methyl-disilazane,HMDS);三甲基甲硅烷基二乙胺三甲基甲硅烷基二乙胺(tri-methyl-silyl-diethyl-amine,TMSDEA)。3）涂胶：）涂胶：将硅片吸附在托盘上，滴胶，旋转托盘，保持一定的旋转将硅片吸附在托盘上，滴胶，旋转托盘，保持一定的旋转时间。甩胶后光刻胶的膜厚约与旋转速度的平方根成反比。时间。甩胶后光刻胶的膜厚约与旋转速度的平方根成反比。9涂胶
7、铺展旋转真空高转速涂胶工艺示意图涂胶工艺示意图102、前烘、前烘 前烘是将涂好胶层的硅片通过烘烤，使胶膜干燥的工艺。前烘是将涂好胶层的硅片通过烘烤，使胶膜干燥的工艺。负胶须在氮气中进行烘焙，而正胶可以在空气中烘焙。负胶须在氮气中进行烘焙，而正胶可以在空气中烘焙。目的：使胶层中的溶剂挥发，降低灰尘的玷污；增加光目的：使胶层中的溶剂挥发，降低灰尘的玷污；增加光刻胶与硅片刻胶与硅片粘附能力粘附能力；减轻因高速旋转形成的薄膜应力；在接；减轻因高速旋转形成的薄膜应力；在接触式曝光中提高胶膜与掩模版接触时的触式曝光中提高胶膜与掩模版接触时的耐磨性能耐磨性能；提高和稳定；提高和稳定胶膜的感光灵敏度。胶膜的感
8、光灵敏度。1）前烘的方法）前烘的方法 干燥循环热风、红外烘烤法、热平板传导烘烤。干燥循环热风、红外烘烤法、热平板传导烘烤。11 2）显影速度与光刻胶溶剂含量的关系）显影速度与光刻胶溶剂含量的关系 溶剂含量高，则显影时光刻胶的溶解速度就比较快。溶剂含量高，则显影时光刻胶的溶解速度就比较快。3）前烘温度与时间的选择）前烘温度与时间的选择 根据光刻胶的性质及光刻过程确定。前烘的温度一般低根据光刻胶的性质及光刻过程确定。前烘的温度一般低于于100，时间，时间 1530 min，时间过长则会影响产量。，时间过长则会影响产量。前烘温度过低，黏附性差、溶剂含量过高、曝光精确度前烘温度过低，黏附性差、溶剂含量
9、过高、曝光精确度差、显影液对曝光区与非曝光区的选择性下降，图形转移效差、显影液对曝光区与非曝光区的选择性下降，图形转移效果不好；果不好；前烘温度过高，黏附性因光刻胶变脆而降低、使光刻胶前烘温度过高，黏附性因光刻胶变脆而降低、使光刻胶中的感光剂发生反应，降低胶膜在曝光时的灵敏度。中的感光剂发生反应，降低胶膜在曝光时的灵敏度。12 大规模集成电路制造对光刻对准的规定是，对准误差应该大规模集成电路制造对光刻对准的规定是，对准误差应该不大于特征尺寸的不大于特征尺寸的 1/4 到到 1/3。为了便于对准，在掩模上必须设置专门的对准标记。通过为了便于对准，在掩模上必须设置专门的对准标记。通过比较硅片表面的
10、反射光和透过掩模返回的光来实现对准。比较硅片表面的反射光和透过掩模返回的光来实现对准。在步进光刻机上通常有自动对准系统。为了提高对准效率，在步进光刻机上通常有自动对准系统。为了提高对准效率，可以先作一次人工对准。可以先作一次人工对准。掩模的热膨胀也会产生对准误差。为避免掩模的热膨胀也会产生对准误差。为避免 8 英寸掩模产生英寸掩模产生0.1 m 的膨胀，掩模的温度变化必须控制在的膨胀，掩模的温度变化必须控制在 0.75 C 左右。左右。3、对准与曝光、对准与曝光13 曝光曝光是通过曝光灯或其他辐射源将图形转移到光刻胶是通过曝光灯或其他辐射源将图形转移到光刻胶涂层上。涂层上。对于正胶在未曝光之时
11、，感光剂不溶于显影液，同时对于正胶在未曝光之时，感光剂不溶于显影液，同时抑制酚醛树脂在显影液中的溶解；在曝光过程中，感光剂抑制酚醛树脂在显影液中的溶解；在曝光过程中，感光剂发生光化学反应，成为乙烯酮，并水解为羧酸。羧酸在碱发生光化学反应，成为乙烯酮，并水解为羧酸。羧酸在碱性溶剂中的溶解度比未感光的感光剂高出许多，同时还会性溶剂中的溶解度比未感光的感光剂高出许多，同时还会促进酚醛树脂的溶解。促进酚醛树脂的溶解。利用利用感光与未感光的光刻胶对碱性溶液的不同溶解度感光与未感光的光刻胶对碱性溶液的不同溶解度，就可以进行掩模图形的转移。就可以进行掩模图形的转移。曝光后需要进行曝光后需要进行曝光后烘焙曝光
12、后烘焙，使非曝光区的感光剂向，使非曝光区的感光剂向曝光区扩散，在边界形成平均的曝光效果，降低驻波效应。曝光区扩散，在边界形成平均的曝光效果，降低驻波效应。144、显影、显影 显影是将未感光的显影是将未感光的负胶负胶或已经感光的或已经感光的正胶正胶溶解的工艺。溶解的工艺。影响显影效果的主要因素；影响显影效果的主要因素；显影方法分为显影方法分为浸泡法和喷洒法浸泡法和喷洒法两种，后者的分辨率和重两种，后者的分辨率和重复性好，广泛采用。复性好，广泛采用。喷洒法喷洒法显影的三个阶段显影的三个阶段。5、坚膜、坚膜 坚膜可以除去显影后溶入胶膜中的溶剂，使胶膜与衬底之坚膜可以除去显影后溶入胶膜中的溶剂，使胶膜
13、与衬底之间粘附得更牢；可以增强胶膜本身的抗蚀能力。坚膜的方法同间粘附得更牢；可以增强胶膜本身的抗蚀能力。坚膜的方法同前烘。前烘。156、腐蚀、腐蚀 腐蚀腐蚀是用适当的腐蚀液将无光刻胶膜覆盖的衬底材料腐蚀是用适当的腐蚀液将无光刻胶膜覆盖的衬底材料腐蚀掉，而有光刻胶覆盖的区域保存下来。所用的腐蚀液必须既能掉，而有光刻胶覆盖的区域保存下来。所用的腐蚀液必须既能腐蚀掉裸露的衬底表面材料（如介质膜或金属膜），又不损伤腐蚀掉裸露的衬底表面材料（如介质膜或金属膜），又不损伤光刻胶层。光刻胶层。腐蚀方法分为腐蚀方法分为“湿法湿法”和和“干法干法”两大类两大类。因因正胶正胶的抗的抗干法腐蚀能力强，因此干法腐蚀用
14、干法腐蚀能力强，因此干法腐蚀用正胶正胶更为适合。更为适合。湿法腐蚀湿法腐蚀具有各向同性的缺点，但设备简单，故仍被普遍具有各向同性的缺点，但设备简单，故仍被普遍采用。腐蚀液的配方视被腐蚀材料和光刻胶性能而定。采用。腐蚀液的配方视被腐蚀材料和光刻胶性能而定。干法刻蚀干法刻蚀具有各向异性的特点，包括：等离子体刻蚀、反具有各向异性的特点，包括：等离子体刻蚀、反应离子刻蚀和溅射刻蚀（离子束刻蚀）等。应离子刻蚀和溅射刻蚀（离子束刻蚀）等。167、去胶、去胶 1）去胶的方法）去胶的方法 (1)溶剂去胶法。溶剂去胶法。将带有光刻胶的硅片浸泡在适当的将带有光刻胶的硅片浸泡在适当的有机溶有机溶剂中剂中，使胶膜溶胀
15、而去掉。，使胶膜溶胀而去掉。优点：适用于各种表面的硅片，特别是金属表面；适用于优点：适用于各种表面的硅片，特别是金属表面；适用于大批量生产；溶剂的使用期长。大批量生产；溶剂的使用期长。(2)氧化去胶法。氧化去胶法。较普遍的方法。将待去胶的硅片放入氧化较普遍的方法。将待去胶的硅片放入氧化去胶剂中，加热至去胶剂中，加热至100以上，光刻胶层被氧化成以上，光刻胶层被氧化成CO2和和H2O。最常用的氧化去胶剂有最常用的氧化去胶剂有(a)浓浓H2SO4；(b)浓浓H2SO4：H2O2=3：1混合液；混合液；(c)NH4OH：H2O2：H2O=1：2：5（1号洗液）；号洗液）；(d)发烟硝酸等。发烟硝酸等
16、。优点：洗涤过程简便。缺点：可能被优点：洗涤过程简便。缺点：可能被Na离子沾污，酸溶液离子沾污，酸溶液不能用于多层交叠的金属化图形的电路上，否则会腐蚀掉金属。不能用于多层交叠的金属化图形的电路上，否则会腐蚀掉金属。(3)干法去胶法。干法去胶法。主要为等离子体去胶。主要为等离子体去胶。172）操作过程）操作过程 (1)当用当用氧化去胶法氧化去胶法去除去除SiO2、Si3N4、多晶硅等表面的胶层多晶硅等表面的胶层时，操作步骤为：时，操作步骤为：(a)用浓硫酸煮二次，使胶层碳化脱落，冷却用浓硫酸煮二次，使胶层碳化脱落，冷却后用去离子水冲净；后用去离子水冲净；(b)或用浓或用浓 H2SO4：H2O2=
17、3：1 浸泡或加浸泡或加热，使胶层脱落后用去离子水冲净；热，使胶层脱落后用去离子水冲净；(c)或用或用 1号清洗液煮，使号清洗液煮，使胶层脱落后用去离子水冲净。胶层脱落后用去离子水冲净。(2)铝层等金属表面的去胶常用铝层等金属表面的去胶常用溶剂去胶法溶剂去胶法。将去胶剂加。将去胶剂加热到所需的温度后，把待去胶的硅片放入，浸泡一定的时间，热到所需的温度后，把待去胶的硅片放入，浸泡一定的时间，然后用去离子水冲净。此类金属表面的去胶方法还有：然后用去离子水冲净。此类金属表面的去胶方法还有：(3)铝层表面也可用氧化去胶。把待去胶的硅片用去离子水铝层表面也可用氧化去胶。把待去胶的硅片用去离子水冲洗甩干后
18、，放入发烟硝酸中浸泡一定时间，再用去离子水将冲洗甩干后，放入发烟硝酸中浸泡一定时间，再用去离子水将残液迅速冲洗干净。残液迅速冲洗干净。(4)Ni-Cr金属膜表面的氧化去胶，可用金属膜表面的氧化去胶，可用1号清洗液煮，然后号清洗液煮，然后用去离子水冲净。用去离子水冲净。五、影响光刻工艺水平的因素五、影响光刻工艺水平的因素 1、光刻胶：、光刻胶：负性光刻胶、负性光刻胶、正性光刻胶、正性光刻胶、新型光刻胶（仍然新型光刻胶（仍然分分正、正、负负胶）胶）。2、曝光光源：紫外光、远紫外光、极紫外光、曝光光源：紫外光、远紫外光、极紫外光、X 射线、射线、电子束、离子束。电子束、离子束。3、曝光方式：接触式曝
19、光、接近式曝光、投影式曝光。、曝光方式：接触式曝光、接近式曝光、投影式曝光。4、刻蚀方法：湿化学腐蚀法、干法刻蚀（离子溅射刻蚀法、刻蚀方法：湿化学腐蚀法、干法刻蚀（离子溅射刻蚀法、等离子体刻蚀法、反应离子刻蚀法）。等离子体刻蚀法、反应离子刻蚀法）。8.2 光刻胶及其特性光刻胶及其特性一、光刻胶的类型及感光机理一、光刻胶的类型及感光机理 光刻胶是一种对光敏感的高分子化合物，由光刻胶是一种对光敏感的高分子化合物，由聚合物材料聚合物材料（树脂）、感光材料和溶剂（树脂）、感光材料和溶剂组成。经过光照，感光性树脂会发组成。经过光照，感光性树脂会发生生分解分解或或交联交联等光化学反应，使涂敷在硅片表面的感
20、光胶膜改等光化学反应，使涂敷在硅片表面的感光胶膜改变性质。按光化学反应的不同，可分为两类：变性质。按光化学反应的不同，可分为两类：正性光刻胶正性光刻胶和和负负性光刻胶性光刻胶。1、负性光刻胶（负胶）、负性光刻胶（负胶）原始光刻胶膜可被某些溶剂溶解；原始光刻胶膜可被某些溶剂溶解；受适当波长的光照射后受适当波长的光照射后发生聚合或交联反应，聚合为不可溶物质；显影后，硅片表面发生聚合或交联反应，聚合为不可溶物质；显影后，硅片表面的光刻胶图形与掩模版相反。其成分主要为感光性树脂，其次的光刻胶图形与掩模版相反。其成分主要为感光性树脂，其次包括溶剂和增感剂。以感光性树脂的种类来分类：包括溶剂和增感剂。以感
21、光性树脂的种类来分类：（1）聚乙烯醇肉桂酸脂类）聚乙烯醇肉桂酸脂类 产品有北京化工厂的北化产品有北京化工厂的北化103胶、上海化学试剂厂的上试胶、上海化学试剂厂的上试 1号胶、美国的柯达光致抗蚀剂（号胶、美国的柯达光致抗蚀剂（KPR）以及日本东京应化光致以及日本东京应化光致抗蚀剂（抗蚀剂（TPR）。）。因聚乙烯醇肉桂酸脂的特性光谱吸收在因聚乙烯醇肉桂酸脂的特性光谱吸收在230340nm范围内，范围内，最大吸收在最大吸收在320nm左右，而实用的紫外光源（高压汞灯等）在左右，而实用的紫外光源（高压汞灯等）在450nm左右，因此必须添加增感剂。左右，因此必须添加增感剂。常用增感剂为常用增感剂为5-
22、硝基苊、米司酮等。主要作用：提高光刻硝基苊、米司酮等。主要作用：提高光刻胶的感光度，增大感光波长范围，加快抗蚀剂的聚合反应速度。胶的感光度，增大感光波长范围，加快抗蚀剂的聚合反应速度。增感剂的添加量增加，感光度相应提高。当其添加量增加到聚增感剂的添加量增加，感光度相应提高。当其添加量增加到聚乙烯醇肉桂酸脂重量的乙烯醇肉桂酸脂重量的10%左右时，感光度达到极限值。左右时，感光度达到极限值。上述光刻胶的感光交联过程主要为：上述光刻胶的感光交联过程主要为：（a）增感剂吸收光能；（增感剂吸收光能；（b）被激发的增感剂分子和感光被激发的增感剂分子和感光性树脂的肉桂酰官能团之间的能量转移；（性树脂的肉桂酰
23、官能团之间的能量转移；（c）肉桂酰官能团的肉桂酰官能团的光化学反应。光化学反应。（2）聚烃类）聚烃类-双叠氮系光刻胶双叠氮系光刻胶 由聚烃类树脂、双叠氮型交联剂和增感剂溶于适当的溶剂由聚烃类树脂、双叠氮型交联剂和增感剂溶于适当的溶剂配制而成。此类配制而成。此类光刻胶与衬底材料，特别是金属衬底的粘附性光刻胶与衬底材料，特别是金属衬底的粘附性较好，且具有较好的耐腐蚀性能较好，且具有较好的耐腐蚀性能，因而在大规模集成电路以及，因而在大规模集成电路以及各种薄膜器件的光刻工艺中广泛应用。包括：美国柯达金属抗各种薄膜器件的光刻工艺中广泛应用。包括：美国柯达金属抗蚀剂（蚀剂（KMER）和柯达薄膜抗蚀剂（和柯
24、达薄膜抗蚀剂（KTFR）、）、日本东京应化日本东京应化公司的金属抗蚀剂（公司的金属抗蚀剂（OMR）、）、北京化工厂的北京化工厂的302 胶等。胶等。此类光刻胶所采用的此类光刻胶所采用的感光性树脂主要为环化橡胶感光性树脂主要为环化橡胶，它是在，它是在天然橡胶或聚异戊二烯合成橡胶溶液中加入酸性催化剂，在一天然橡胶或聚异戊二烯合成橡胶溶液中加入酸性催化剂，在一定温度下使橡胶分子发生环化反应，再加入双叠氮有机化合物定温度下使橡胶分子发生环化反应，再加入双叠氮有机化合物作为交联剂而成。作为交联剂而成。双叠氮交联剂的感光波长范围为双叠氮交联剂的感光波长范围为260460nm，已适用于高已适用于高压汞灯等光
25、源。但添加适宜的增感剂，感光度也有所提高。压汞灯等光源。但添加适宜的增感剂，感光度也有所提高。若曝光气氛中存在氧，将导致灵敏度下降，因此，必须在若曝光气氛中存在氧，将导致灵敏度下降，因此，必须在氮气或真空条件下曝光操作。氮气或真空条件下曝光操作。2、正性光刻胶（正胶）、正性光刻胶（正胶）原始光刻胶膜不能被某些溶剂溶解；原始光刻胶膜不能被某些溶剂溶解；受适当波长的光照射受适当波长的光照射后，发生光分解反应，分解为可溶性物质；显影后，硅片表面后，发生光分解反应，分解为可溶性物质；显影后，硅片表面的光刻胶图形与掩模版相同；未经感光的光刻胶仍然保持它在的光刻胶图形与掩模版相同；未经感光的光刻胶仍然保持
26、它在紫外光照射下发生光分解反应的活性，因此此类光刻胶在光刻紫外光照射下发生光分解反应的活性，因此此类光刻胶在光刻工艺中能够多次曝光。工艺中能够多次曝光。主要成分为主要成分为邻叠氮醌类化合物邻叠氮醌类化合物。产品有：北京化工厂的。产品有：北京化工厂的205、206、212正性胶，上海试剂一厂的正性胶，上海试剂一厂的702、703胶等，美国胶等，美国Shipley公司生产的公司生产的AZ-1350系列等。系列等。邻叠氮醌化合物的感光范围为邻叠氮醌化合物的感光范围为300400nm，可用一般紫外可用一般紫外光源曝光。因光分解产物含有亲水性的羧基，故此种光刻胶曝光源曝光。因光分解产物含有亲水性的羧基，
27、故此种光刻胶曝光后可用稀碱性水溶液显影。光后可用稀碱性水溶液显影。3、新型光刻胶（仍然分正、负胶）、新型光刻胶（仍然分正、负胶）（1）远紫外光光刻胶）远紫外光光刻胶 远紫外光曝光的能量约为普通紫外光的二倍。主要有：远紫外光曝光的能量约为普通紫外光的二倍。主要有：（a）聚甲基丙烯酸甲脂类正性胶聚甲基丙烯酸甲脂类正性胶 PMMA；（b）聚砜系正性胶聚砜系正性胶 PBS；（c）带有酮基的化合物带有酮基的化合物 PMIPK。（2）软）软X射线光刻胶射线光刻胶 以波长在（以波长在（0.4 5nm）范围内的软范围内的软X射线为光源，主要有：射线为光源，主要有：PMMA 正性胶。正性胶。（3）电子束光刻胶）
28、电子束光刻胶 以波长更短、能量更高的电子束作光源。主要有：以波长更短、能量更高的电子束作光源。主要有：（a）环氧系负性胶，如环氧系负性胶，如 PGMA、COP、EPB 等；等；（b）硅酮树脂系负性胶，如硅油、硅橡胶；硅酮树脂系负性胶，如硅油、硅橡胶；（c）甲基丙烯酸及其衍生物，如甲基丙烯酸及其衍生物，如 PMMA 正性胶；正性胶；（d）聚砜系正性胶，聚砜系正性胶，PBS、PCS等。等。（4）离子束光刻胶）离子束光刻胶 以波长更短的离子束作光源。由于离子束是直线传播，在以波长更短的离子束作光源。由于离子束是直线传播，在抗蚀剂膜内几乎无扩展现象，因而分辨率高，重现精度好。主抗蚀剂膜内几乎无扩展现象
29、，因而分辨率高，重现精度好。主要有：要有：PMMA、PDMS 等。等。二、光刻胶的性能二、光刻胶的性能 衡量光刻胶性能的指标主要有：分辨率、灵敏度、抗蚀性、衡量光刻胶性能的指标主要有：分辨率、灵敏度、抗蚀性、粘附能力和针孔密度等。粘附能力和针孔密度等。1、分辨率、分辨率 （1）概念）概念 分辨率是表征光刻精度的标志之一分辨率是表征光刻精度的标志之一，不仅与光刻胶本身有，不仅与光刻胶本身有关，也与光刻工艺条件和操作技术有关。分辨率通常以每毫米关，也与光刻工艺条件和操作技术有关。分辨率通常以每毫米最多可容纳的线条对数来表示（线宽最多可容纳的线条对数来表示（线宽+线条间距），若线宽和线条间距），若线
30、宽和线条间距均为线条间距均为 L，则分辨率则分辨率 R 为：为：线条越细，分辨率线条越细，分辨率 R 越高。衍射现象将限制分辨率越高。衍射现象将限制分辨率 R。)(211mmLR(8.1)（2）理论分析）理论分析 所导致的所导致的衍射效应衍射效应限制了最小线宽限制了最小线宽因此最高分辨率为：因此最高分辨率为：因因，其动能和动量分别为其动能和动量分别为：动能动能：动量：动量：由（由（8.8）、）、(8.9)得：得：)(11maxmmR221mvE hmvpmEh2mEh2(8.7)2/minL(8.6)(8.8)(8.9)(8.11)于是得到用于是得到用粒子束光刻粒子束光刻可获得的最小线宽为：可
31、获得的最小线宽为：结论：结论：（a）粒子能量粒子能量 E 一定时，其质量一定时，其质量 m 越大，则越大，则 Lmin 越小，越小，分辨率分辨率 R 越高；越高；（b）粒子质量粒子质量 m 一定时，其动能一定时，其动能 E 越高，则越高，则 Lmin 越小，越小，分辨率分辨率 R 越高。越高。mEhL222min(8.12)28（3）与光刻胶有关的影响分辨率的因素）与光刻胶有关的影响分辨率的因素 （a）掩模版与光刻胶膜接触不良、硅片弯曲（硅片变掩模版与光刻胶膜接触不良、硅片弯曲（硅片变形）、硅片上有凸状物、光刻胶膜厚度不均、定位设备不良形）、硅片上有凸状物、光刻胶膜厚度不均、定位设备不良等；等
32、；（b）曝光光线平行度不好，导致光刻图形产生变形或模曝光光线平行度不好，导致光刻图形产生变形或模糊；糊；（c）掩模版图形的质量不好（如边缘不平整、光洁等）；掩模版图形的质量不好（如边缘不平整、光洁等）；（d）光刻胶膜质量和厚度，胶膜越厚，分辨率越低；光刻胶膜质量和厚度，胶膜越厚，分辨率越低；（e）曝光时间：曝光时间太长，分辨率降低。曝光时间：曝光时间太长，分辨率降低。2、灵敏度、灵敏度 S（光敏度）光敏度）（1）概念）概念 灵敏度灵敏度是是表征光刻胶对光的敏感度表征光刻胶对光的敏感度的性能指标，可用曝光的性能指标，可用曝光时，使光刻胶发生时，使光刻胶发生充分光化学反应充分光化学反应所需的最小曝
33、光量（所需的最小曝光量（）的的倒数表示：倒数表示：其中，其中，I 为照射光的强度，为照射光的强度，t 为曝光时间为曝光时间，k 为比例常数。为比例常数。对于不同波长的光，光刻胶的敏感程度不同，在某一波长对于不同波长的光，光刻胶的敏感程度不同，在某一波长下，其灵敏度最大；每种光刻胶都有一定的光谱吸收范围。因下，其灵敏度最大；每种光刻胶都有一定的光谱吸收范围。因此灵敏度与此灵敏度与光刻胶的光谱响应光刻胶的光谱响应及所用及所用光源的光谱成分光源的光谱成分密切相关。密切相关。确定使用的光刻胶类型后，应寻找合适的光源进行曝光。确定使用的光刻胶类型后，应寻找合适的光源进行曝光。tIkStI （2）影响灵敏
34、度的因素）影响灵敏度的因素 （a）光刻胶的成分光刻胶的成分 感光性官能团种类与含量、增感剂浓度等。感光性官能团种类与含量、增感剂浓度等。（b）工艺条件工艺条件 光刻胶干燥程度、光刻胶膜厚度等。光刻胶干燥程度、光刻胶膜厚度等。（3）灵敏度的选择要恰当）灵敏度的选择要恰当 （a）提高灵敏度可减少曝光时间；）提高灵敏度可减少曝光时间；（b）灵敏度过高，则会使光刻胶的存储时间减少，曝光的）灵敏度过高，则会使光刻胶的存储时间减少，曝光的均匀性受到影响。均匀性受到影响。3、抗蚀性、抗蚀性 抗蚀性指在图形转移过程中，光刻胶耐酸碱化学腐蚀液及抗蚀性指在图形转移过程中，光刻胶耐酸碱化学腐蚀液及等离子刻蚀的能力。
35、等离子刻蚀的能力。对于对于负性胶，负性胶，橡胶系光刻胶性能较优，而橡胶系光刻胶性能较优，而正性胶正性胶抗湿法腐抗湿法腐蚀能力较差；干法等离子刻蚀中，蚀能力较差；干法等离子刻蚀中，正性胶正性胶的性能较优，如的性能较优，如AZ1350j 胶有较高的选择比，而包括胶有较高的选择比，而包括OMR-83胶等在内的负胶胶等在内的负胶性能不如前者。性能不如前者。4、粘附力（黏着力）、粘附力（黏着力）光刻胶膜与衬底粘附的牢固程度直接影响到光刻精度（如光刻胶膜与衬底粘附的牢固程度直接影响到光刻精度（如显影时几何尺寸是否发生变化、腐蚀时是否会发生浮胶和钻蚀显影时几何尺寸是否发生变化、腐蚀时是否会发生浮胶和钻蚀现象
36、等）。光刻胶与衬底间粘附性与光刻胶本身的性质、衬底现象等）。光刻胶与衬底间粘附性与光刻胶本身的性质、衬底的性质和表面状况等均有关。的性质和表面状况等均有关。32 增强粘附力的方法：增强粘附力的方法：（1）在涂胶之前对硅片进行脱水处理；）在涂胶之前对硅片进行脱水处理；（2）使用增黏剂；）使用增黏剂；（3）提高坚膜的循环温度；）提高坚膜的循环温度；另外，选用干法刻蚀可降低对黏附力的要求。另外，选用干法刻蚀可降低对黏附力的要求。5、针孔与小岛密度、针孔与小岛密度 光刻胶的针孔与小岛密度直接影响光刻质量。导致因光刻胶的针孔与小岛密度直接影响光刻质量。导致因素：光刻胶中不溶颗粒、杂质等。素：光刻胶中不溶
37、颗粒、杂质等。光刻胶中直径光刻胶中直径0.1 m以上的颗粒需要在惰性气体环境以上的颗粒需要在惰性气体环境中除去。中除去。33 8.3 曝光曝光技术技术 最初曝光设备是最初曝光设备是接触式光刻机接触式光刻机和和接近式光刻机接近式光刻机，而，而今，光刻机已发展成两大类型，即光学光刻机和非光学今，光刻机已发展成两大类型，即光学光刻机和非光学光刻机，如图所示。光刻机，如图所示。光学光刻机采用光学光刻机采用 紫外线作为光源；紫外线作为光源；非光学光刻机的非光学光刻机的 光源则来自电磁光源则来自电磁 光谱的其他成分。光谱的其他成分。光刻机的种类光学接触式非光学X线射电子束接近式投影式步进式光刻机的种类光刻
38、机的种类34光光源源紫外光（紫外光（UV）深紫外光（深紫外光（DUV）g 线：线：436 nm i 线：线：365 nm KrF 准分子激光：准分子激光：248 nm ArF 准分子激光：准分子激光：193 nm极紫外光（极紫外光（EUV），），10 15 nm X 射线，射线，0.2 4 nm 电子束电子束 离子束离子束35有掩模方式有掩模方式无掩模方式无掩模方式（聚焦扫描方式）（聚焦扫描方式）接触式接触式非接触式非接触式接近式接近式投影式投影式反射反射折射折射全场投影全场投影步进投影步进投影扫描步进投影扫描步进投影矢量扫描矢量扫描光栅扫描光栅扫描混合扫描混合扫描曝曝光光方方式式一、光学曝光
39、一、光学曝光 对光源系统的要求对光源系统的要求 a、有适当的波长，波长越短，可曝光的特征尺寸就越小；、有适当的波长，波长越短，可曝光的特征尺寸就越小；b、有足够的能量，能量越大，曝光时间就越短；、有足够的能量，能量越大，曝光时间就越短；c、曝光能量必须均匀地分布在曝光区。、曝光能量必须均匀地分布在曝光区。常用的常用的 光源是高压弧光灯（高压汞灯），高压汞光源是高压弧光灯（高压汞灯），高压汞灯有许多尖锐的光谱线，经过滤光后使用其中的灯有许多尖锐的光谱线，经过滤光后使用其中的 或或。光学曝光的光源为紫外光光学曝光的光源为紫外光(UV,436nm、365nm)和远紫外和远紫外光光(DUV,248nm
40、、193nm)。3738 由于衍射效应是光学曝光技术中限制分辨率的主要因素，由于衍射效应是光学曝光技术中限制分辨率的主要因素，所以要提高分辨率就应使用波长更短的光源如所以要提高分辨率就应使用波长更短的光源如。实际。实际使用的深紫外光有使用的深紫外光有 和和 F2 准分子激光（准分子激光（157 nm）等。）等。深紫外光的曝光方式与紫外光基本相同，但需注意两点：深紫外光的曝光方式与紫外光基本相同，但需注意两点：a、光刻胶、光刻胶 b、掩模与透镜材料、掩模与透镜材料 248 nm 波长的光子能量为波长的光子能量为 4.9 eV，193 nm 波长的光子能量波长的光子能量为为 6.3 eV，而纯净石
41、英的禁带宽度约为，而纯净石英的禁带宽度约为 8 eV。波长越短，波长越短，掩模掩模与透镜材料对光能的吸收就严重，造成曝光效率降低和掩模与与透镜材料对光能的吸收就严重，造成曝光效率降低和掩模与透镜发热。透镜发热。39 1985 年以前，几乎所有光刻机都采用年以前，几乎所有光刻机都采用 g 线线(436 nm)光源，光源，当时的最小线宽为当时的最小线宽为 1 m 以上。以上。1985 年以后开始出现少量年以后开始出现少量 i 线线(365 nm)光刻机，相应的最小线宽为光刻机，相应的最小线宽为 0.5 m 左右。从左右。从 1990 年年开始出现开始出现 DVU 光刻机，相应的最小线宽为光刻机，相
42、应的最小线宽为 0.25 m 左右。左右。从从1992年起年起 i 线光刻机的数量开始超过线光刻机的数量开始超过 g 线光刻机。截止到线光刻机。截止到 1998 年年，g 线、线、i 线和线和 DVU光刻机的销售台数比例约为光刻机的销售台数比例约为 1：4：2。40光学曝光的方式有接触式、接近式和投影式光学曝光的方式有接触式、接近式和投影式 曝光装置由四部分组成：光源和透镜系统、掩模版、曝光装置由四部分组成：光源和透镜系统、掩模版、硅片以及对准台。硅片以及对准台。41（1）接触式光刻机）接触式光刻机SiU.V.MaskP.R.SiO2 优点：优点：设备简单；分辨率优于接近式曝光，约设备简单；分
43、辨率优于接近式曝光，约 0.5 m。缺点：缺点：掩模版寿命短（掩模版寿命短（10 20 次），硅片上图形缺陷多，次），硅片上图形缺陷多，光刻成品率低。光刻成品率低。42s 5 m 优点：优点：掩模寿命长（可提高掩模寿命长（可提高 10 倍以上），倍以上），图形缺陷少。图形缺陷少。缺点：缺点：衍射效应严重，使分辨率下降。衍射效应严重，使分辨率下降。（2）接近式光刻机）接近式光刻机43 无畸变时，使用接近式曝光可以得到的最小可分辨的线无畸变时，使用接近式曝光可以得到的最小可分辨的线宽为宽为sL4.1minmLmm25s)g(436.0min时，线比如，44式中，式中，k1 是与光刻胶的光强响应特性
44、有关的常数，是与光刻胶的光强响应特性有关的常数，NA 为镜为镜头的数值孔径，头的数值孔径，根据根据，投影式光刻机可分辨的最小间隔为，投影式光刻机可分辨的最小间隔为A、分辨率与焦深、分辨率与焦深sinNAn 增大增大 NA 可以提高分辨率，但受到焦深的限制。可以提高分辨率，但受到焦深的限制。n 为折射率，为折射率，为半接收角。为半接收角。NA 的典型值是的典型值是 0.16 到到 0.6。NAkL1min（8.29）452NA 分辨率与焦深对波长和数值孔径有相互矛盾的要求，分辨率与焦深对波长和数值孔径有相互矛盾的要求，需要需要折中考虑。增加折中考虑。增加 NA 线性地提高分辨率，平方关系地减小焦
45、深，线性地提高分辨率，平方关系地减小焦深，所以一般选取较小的所以一般选取较小的 NA。为了提高分辨率，可以缩短波长。为了提高分辨率，可以缩短波长。代表当硅片沿光路方向移动时能保持良好聚焦的移动代表当硅片沿光路方向移动时能保持良好聚焦的移动距离。投影式光刻机的焦深由距离。投影式光刻机的焦深由给出，即给出，即mmLmmLkNA83.4,59.0DUV193nm,90.10,33.1gUV436nm61.0,2.0minmin1）时，（而当线）时，（则当例：设46掩模掩模硅片硅片反射凹镜反射凹镜反射凸镜反射凸镜光源光源优点优点 1、掩模寿命长，图形缺陷少。、掩模寿命长，图形缺陷少。2、无色散，可以使
46、用连续波长、无色散，可以使用连续波长光源，无驻波效应。无折射系统光源，无驻波效应。无折射系统中的象差、弥散等的影响。中的象差、弥散等的影响。3、曝光效率高。、曝光效率高。缺点缺点 数值孔径数值孔径 NA 太小是限制分辨太小是限制分辨率的主要因素。率的主要因素。B、1:1 扫描反射投影光刻机扫描反射投影光刻机47C、分步重复缩小投影光刻机、分步重复缩小投影光刻机光源光源聚光透镜聚光透镜投影器投影器掩模掩模硅片硅片 随着线宽的减小和晶片直径的随着线宽的减小和晶片直径的增大，增大，、越来越严重。为解决越来越严重。为解决这些问题，开发出了分步重复缩小这些问题，开发出了分步重复缩小投影曝光机（投影曝光机
47、（Direct Step on the Wafer，简称简称 DSW，Stepper）。）。早期采用早期采用 10:1 缩小，现在更常用缩小，现在更常用 5:1 或或 4:1。48 缺点缺点 1、曝光效率低；、曝光效率低；2、设备复杂、昂贵。、设备复杂、昂贵。优点优点 1、掩模版寿命长，图形缺陷少；、掩模版寿命长，图形缺陷少；2、可以使用高数值孔径的透镜来提高分辨率，通过分步、可以使用高数值孔径的透镜来提高分辨率，通过分步聚焦来解决焦深问题，可以在聚焦来解决焦深问题，可以在大晶片大晶片上获得高分辨率的图形；上获得高分辨率的图形；3、由于掩模尺寸远大于芯片尺寸，使掩模制造简单，可、由于掩模尺寸远
48、大于芯片尺寸，使掩模制造简单，可减少掩模上的缺陷对芯片成品率的影响。减少掩模上的缺陷对芯片成品率的影响。二、二、X 射线曝光技术射线曝光技术 X射线波长范围取为射线波长范围取为0.24nm，即软，即软X射线区。射线区。X射线不易射线不易聚焦，曝光方式为接近式。光源有两种，一种是电子束轰击靶聚焦，曝光方式为接近式。光源有两种，一种是电子束轰击靶X射线源，另一种是同步辐射射线源，另一种是同步辐射X射线源。掩模版为射线源。掩模版为 X 射线曝光射线曝光专用掩模版。专用掩模版。（1）曝光系统）曝光系统 (2)X 射线曝光中图形的畸变射线曝光中图形的畸变 影响分辨率的主要因素：几何畸变、半影畸变。影响分
49、辨率的主要因素：几何畸变、半影畸变。半影畸变：半影畸变：几何畸变：几何畸变：DWSDdS(8.31)(8.32)51DWSrmax 将样品的半径记为将样品的半径记为Wr，相应的最大几何偏差为，相应的最大几何偏差为（8.33）对于对于4英寸的硅片，英寸的硅片，Wr=50.8mm，若，若S=10um，D=40um，则最大几何偏差为则最大几何偏差为1.27um，硅片直径越大，最大几何偏差越，硅片直径越大，最大几何偏差越大。大。另外，样品表面不是绝对平面，故间隙另外，样品表面不是绝对平面，故间隙S是变化的，所以是变化的，所以DWdSd（8.34）若要求若要求d小于小于0.1um，则允许，则允许dS相应
50、变化相应变化1.05um。（3）X 射线曝光掩模射线曝光掩模 X 射线曝光对掩模的要求：射线曝光对掩模的要求：（a）材料的形变小；材料的形变小；（b）透透 X 光能力强的材料作为掩模衬底；光能力强的材料作为掩模衬底；（c）透透 X 光能力差的材料作为图形区涂敷层。光能力差的材料作为图形区涂敷层。大多数固体材料对波长小于大多数固体材料对波长小于2埃的埃的X射线吸收少；当射线吸收少；当X射射线波长大于线波长大于40埃时，大多数材料对埃时，大多数材料对X射线的吸收又都很强，射线的吸收又都很强，所不易制作具有高反差的掩模版。所不易制作具有高反差的掩模版。只有波长在只有波长在240埃之间时，埃之间时，低
