1、微电子制造技术微电子制造技术第第 15 章章 光刻：显影和先进的光刻技术光刻：显影和先进的光刻技术 概概 述述 完成光刻工艺中的对准和曝光后，掩膜版上的图案已经通过紫外线曝光转移到光刻胶中。接下来的工艺步骤就是曝光后的烘陪，主要是为显影做准备。显影是在光刻胶中产生三维物理图形的一个步骤，这一步决定光刻胶图形是否是掩膜版图形的真实再现。显影就是通过显影液溶掉可溶解的光刻胶。并且保证光刻胶和硅片有良好的黏附性能。对正胶而言，余下不可溶解的光刻胶应该是与掩膜版完全相同的图案。因为光化学变化使正胶曝光的部分变得可溶解，负胶则反之。学学 习习 目目 标标解释为什么以及如何对光刻胶进行曝光后的烘陪；了解光
2、刻胶的显影工艺和关键的显影参数；解释显影后要进行坚膜的原因；了解4种不同可选择的先进光刻技术。曝光后的烘陪（曝光后的烘陪（PEBPEB）曝光后的烘陪主要是为了促进光刻胶充分的化学反应，提高光刻胶的黏附性能并减少驻波（针对不同的光刻胶）效应。对于CA DUV光刻胶来说，因为含有一种保护化学成分使其不在显影液中溶解。在紫外线曝光过程中，光酸产生剂（PAC）在光刻胶曝光区产生了一种酸，而这种酸经过后烘加热光刻胶，引起酸催化的去保护反应，使光刻胶在显影液中溶解，从而使显影效果更好。后烘的温度均匀性和时间是影响光刻质量的主要因素，在光刻胶的产品说明书中，生产商会提供后烘的时间和温度。PAGPAGPAGP
3、AGPAGPAGPAGPAGH+H+H+H+H+H+H+H+H+H+未被曝光的光刻胶区中性化的光刻胶区被曝光的光刻胶的酸催化反应(PEB后)显影光刻胶的T型Figure 15.1 DUV 光刻胶的胺污染引起的“T”型(d）PEB的结果PACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPAC(c)PEB引起 PAC 扩散PACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPAC未曝光的光刻胶曝光的光刻胶(b)光刻胶中的条纹PACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACPACP
4、ACPACPACPACPACPACPACPACPAC驻波(a)UV光曝光Figure 15.2 曝光后烘引起驻波影响减少显显 影影 用化学显影液溶解曝光的光刻胶就是光刻胶显影，其主要目的是把掩膜版图形准确复制到光刻胶中。显影要求的重点是产生的关键尺寸达到规格要求，因为如果CD达到了规格要求，那么所有的特征都认为是可以接受的。如果显影不正确，光刻胶图形就会出现问题（见图15.3）。这些问题对产品成品率会产生不利的影响，在随后的刻蚀工艺中就会出现缺陷。显影的主要三个缺陷是：显影不足显影不足 不完全显影不完全显影 过显影过显影 XXX 显影不足不完全的显影正确显影过显影光刻胶衬底Figure 15.
5、3 光刻胶容易出现的显影问题负胶显影负胶显影 负胶通过紫外线曝光发生交联而变硬，使曝光的光刻胶变得在显影液中不可溶解。对于负胶显影工艺，显影过程中几乎不需要化学反应，主要是未曝光的光刻胶的溶剂清洗。UV交联未曝光的光刻胶被曝光的光刻胶Figure 15.4 负胶显影正胶显影正胶显影 正性光刻胶主要针对亚微米工艺的精细图形的光刻，为了满足不同的要求，光刻胶中往往都加有一种酚醛基的树脂，不同的正胶加有不同的树脂。在显影过程中加入的这些树脂材料都必须溶掉，所以一般使用碱性显影液。正胶显影主要是显影液和光刻胶之间的化学反应（见图15.5），通过反应溶解被曝光的光刻胶。溶解的速率称为溶解率（显影速度），
6、高的溶解速度有助于提高生产率，但太高的溶解率会影响光刻胶的特性。要求显影液具有选择性，高的显影选择比意味着显影液与曝光的光刻胶反应的快，而与未曝光的光刻胶反应的漫。曝光的光刻胶溶解在显影液中未曝光的正胶发生交联的光刻胶Figure 15.5 正胶显影 显影方法显影方法 早期的显影是将硅片浸没在显影液中，在一定的温度下经过一定的时间使被曝光的光刻胶溶掉。此方法在显影的同时要消耗大量的显影液，而且对于大尺寸硅片的高密度集成电路，成批浸没方式很难实现显影的均匀性。因此在大规模生产的今天，此方法已不再适用。现在用于旋覆硅片显影的显影技术主要有两种：连续喷雾显影连续喷雾显影旋覆浸没显影旋覆浸没显影 连续
7、喷雾显影连续喷雾显影 用于连续喷雾显影的设备和光刻胶喷涂系统相似。可以用一个或多个喷嘴喷洒显影液到硅片表面，硅片以很慢地速度旋转。喷嘴喷雾模式和旋转速度是实现硅片间光刻胶溶解率和均匀性及可重复性的关键可变因素。真空吸盘连接旋转电机的转杆至真空泵Figure 15.6 连续喷雾显影 旋覆浸没显影旋覆浸没显影 旋覆浸没显影与喷雾显影使用相同的设备，只是显影液的喷涂方式不同而已。对于旋覆浸没显影，喷到硅片上的少量显影液形成水坑形状（见图15.7）。要使整个硅片表面形成一个似水坑的弯月面，显影液既不能多也不能少。喷涂显影液时硅片可以固定或者慢慢旋转。为了让光刻胶可溶解的区域变的完全溶解，显影液必须在光
8、刻胶上停留足够的时间。可以使用多次旋覆浸没方法。每次喷涂显影液的多少和停留时间可以调整。待光刻胶被显影液溶解后，用去离子水清洗硅片并旋转甩干。为了获得最佳显影特性，显影液的流动必须保持很低以减小边缘显影速率的变化，这就是旋覆浸没显影的优点。(d)甩干(c)DI 水清洗(b)甩掉多余的显影液(a)旋覆浸没式滴显影液浸没式Figure 15.7 旋覆浸没显影 光刻胶显影参数光刻胶显影参数 显影温度 显影液的温度对光刻胶的溶解率有直接的影响。对于正胶，温度越低溶解率越大；对于负胶，溶解率随温度的增加而增加。一般的显影温度是1520，误差范围为1。显影时间 时间短会出现显影不足或不完全显影，时间长容易
9、出现过腐蚀导致不能接受的CD尺寸值。一般通过在线自动检测控制装置实现最好的时间控制。显影液量 喷洒在硅片上的显影液量也会影响光刻胶的显影质量。因为不充分的显影液会导致显影不足并且在硅片表面留有光刻胶的剩余残膜。当量浓度 当量浓度反应了显影液的准确化学组分，决定显影液碱性的强弱。坚坚 膜膜 显影后的热烘陪称为坚膜。目的是蒸发剩余的溶剂使保留下来的光刻胶变硬，增加光刻胶对硅片衬底的黏附性，提高光刻胶的抗蚀能力。坚膜的温度可以适当提高，以有效蒸发光刻胶中的溶剂，最大实现光刻胶的致密性。坚膜的起始温度由光刻胶生产厂商的推荐设置决定。然后根据产品要求的黏附性和尺寸控制需要对工艺参数进行调整。通常的坚膜温
10、度对于正胶是130，对于负胶是150。温度太高会引起光刻胶的轻微流动，从而造成光刻图形变形（见图15.8）。坚膜的另一种方式是深紫外线坚膜。光刻胶Figure 15.8 高温下变软的光刻胶流动显影检查显影检查 显影检查主要是查找光刻过程中形成的缺陷，否则对带有光刻胶图形缺陷的硅片进行刻蚀或离子注入会使硅片报废。显影后的检查包括以下几个方面：l关键尺寸l沾污l表面缺陷l套准精度 有些缺陷是光刻过程中产生的，有的可能是光刻以前已经存在的。显影后的检查需要一个复杂的系统。通常显影检查由一名熟练的操作人员借助光学显微镜手工完成。现在特别是对于亚微米级的光刻使用的都是自动检查设备。Photo 15.1 自动显影检查设备1.气相成底膜HMDS2.旋转涂胶Resist3.软烘4.对准和曝光UV lightMask5.曝光后烘陪6.显影7.坚膜8.显影检查O2Plasma去胶清洗不合格硅片合格硅片离子注入刻蚀返工Figure 15.9 显影检查的返工流程先进的光刻技术先进的光刻技术 预测光学光刻技术的分辨率极限，随着许多设备和工艺的改进在不断地变化。但将来的某些分辨率极限总会使光学光刻技术的扩展不再可行。硅片图形必须转移为一种可替换的光刻工艺，即下一代光刻技术。l 极紫外(EUV)光刻技术l 角度限制投影电子束光刻技术(SCALPEL）l 粒子束投影光刻技术(IPL)l X-射线光刻技术
