1、2.4 光刻技术光刻技术 2.4.1 光刻工艺概述光刻工艺概述2.4.2 光刻胶光刻胶2.4.3 涂胶涂胶2.4.4 对位和曝光对位和曝光2.4.5 显影显影2.4.1 光刻光刻工艺概述工艺概述 凡是在能量束（光束、电子束、离子束等）的照射下，以凡是在能量束（光束、电子束、离子束等）的照射下，以交联反应为主的光刻胶称为交联反应为主的光刻胶称为，简称，简称。凡是在能量束（光束、电子束、离子束等）的照射下，以凡是在能量束（光束、电子束、离子束等）的照射下，以降解反应为主的光刻胶称为降解反应为主的光刻胶称为，简称，简称。光刻胶也称为光刻胶也称为（Photoresist，P R）。）。最常用的有最常用
2、的有 AZ 1350 系列。正胶的主要优点是分辨率高，系列。正胶的主要优点是分辨率高，缺点是灵敏度、耐刻蚀性和附着性等较差。缺点是灵敏度、耐刻蚀性和附着性等较差。2、光刻胶的组成、光刻胶的组成成分成分功能功能聚合物聚合物当被曝光时，聚合物结构由当被曝光时，聚合物结构由可溶变为聚合（或反之）可溶变为聚合（或反之）溶剂溶剂稀释稀释感光剂感光剂调节化学反应调节化学反应添加剂添加剂工艺效果（如染色剂等）工艺效果（如染色剂等）单位面积上入射的使光刻胶全部发生反应的最小光能量或单位面积上入射的使光刻胶全部发生反应的最小光能量或最小电荷量（对电子束胶），称为光刻胶的灵敏度，记为最小电荷量（对电子束胶），称为
3、光刻胶的灵敏度，记为 S，也就是也就是D100。S 越小，则灵敏度越高。越小，则灵敏度越高。灵敏度太低会影响生产效率，所以通常希望光刻胶有较高灵敏度太低会影响生产效率，所以通常希望光刻胶有较高的灵敏度。但灵敏度太高会影响分辨率。的灵敏度。但灵敏度太高会影响分辨率。1.00.50D0入射剂量入射剂量（C/cm2）未反应的归一化膜厚未反应的归一化膜厚D100灵敏度曲线灵敏度曲线 光刻工艺中影响分辨率的因素有：光刻工艺中影响分辨率的因素有：和和（包括灵敏度、对比度、颗粒的大小、显影时的溶胀、（包括灵敏度、对比度、颗粒的大小、显影时的溶胀、电子散射等）。电子散射等）。(3)对比度是图中对数坐标下对比度
4、曲线的斜率，表示光刻胶对比度是图中对数坐标下对比度曲线的斜率，表示光刻胶区分掩模上亮区和暗区的能力的大小，即对剂量变化的敏感程区分掩模上亮区和暗区的能力的大小，即对剂量变化的敏感程度。灵敏度曲线越陡，度。灵敏度曲线越陡，D0 与与 D100 的间距就越小，则的间距就越小，则 就越大，就越大，这样有助于得到清晰的图形轮廓和高的分辨率。一般光刻胶的这样有助于得到清晰的图形轮廓和高的分辨率。一般光刻胶的对比度在对比度在 0.9 2.0 之间。对于亚微米图形，要求对比度大于之间。对于亚微米图形，要求对比度大于 1。11000lgDDD0D100 对比度的定义为对比度的定义为正胶和负胶比较正胶和负胶比较
5、光刻胶对比度光刻胶对比度斜坡斜坡膨胀膨胀分辨率分辨率粘附性粘附性2.4.3 涂胶涂胶一般采用旋涂法。涂胶的关键是控制胶膜的厚度与膜厚的均一般采用旋涂法。涂胶的关键是控制胶膜的厚度与膜厚的均匀性。胶膜的厚度决定于光刻胶的粘度和旋转速度。匀性。胶膜的厚度决定于光刻胶的粘度和旋转速度。3)甩掉多余的胶4)溶剂挥发1)滴胶2)加速旋转光刻光刻曝光曝光刻蚀刻蚀光源光源曝光方式曝光方式 评价光刻工艺可用三项主要的标准：评价光刻工艺可用三项主要的标准：和和。1、基本光学问题、基本光学问题 但是当掩但是当掩膜版上的特征尺寸接近光源的波长时，就应该把版上的特征尺寸接近光源的波长时，就应该把光的传输作为电磁波来处
6、理，必须考虑衍射和干涉。由于衍射光的传输作为电磁波来处理，必须考虑衍射和干涉。由于衍射的作用，掩模版透光区下方的光强减弱，非透光区下方的光强的作用，掩模版透光区下方的光强减弱，非透光区下方的光强增加，从而影响光刻的分辩率。增加，从而影响光刻的分辩率。掩膜版是用石英玻璃做成的均匀平坦的掩膜版是用石英玻璃做成的均匀平坦的薄片，表面上涂一层薄片，表面上涂一层600 800厚的厚的Cr层，使其表面光洁度更高。称之为铬板，层，使其表面光洁度更高。称之为铬板，Cr mask。无衍射效应无衍射效应有衍射效应有衍射效应光光强强 定义图形的定义图形的 为为maxminmaxminMTFIIII 无衍射效应时，无
7、衍射效应时，MTF=1；有衍射效应时；有衍射效应时，MTF 1。光栅的周期（或图形的尺寸）越小，则光栅的周期（或图形的尺寸）越小，则 MTF 越小；光的波长越小；光的波长越短，则越短，则 MTF 越大。越大。图形的分辩率还要受光刻胶对光强的响应特性的影响。图形的分辩率还要受光刻胶对光强的响应特性的影响。光强不到临界光强光强不到临界光强 Dcr 时不发生反应，光强时不发生反应，光强超过超过 Dcr 时完全反应，衍射只造成线宽和间距的少量变化。时完全反应，衍射只造成线宽和间距的少量变化。DcrD100D0 光强不到光强不到 D0 时不发生反应，光强介于时不发生反应，光强介于 D0 和和 D100
8、之间时发生部分反应，光强超过之间时发生部分反应，光强超过 D100 时完全反应，使线条时完全反应，使线条边缘出现模糊区。在通常的光刻胶中，当边缘出现模糊区。在通常的光刻胶中，当 MTF 0.5 时，图形时，图形不再能被复制。不再能被复制。对光源系统的要求对光源系统的要求 1、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；2、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；3、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），高压汞灯光源是高压弧光灯（
9、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有许多尖锐的光谱线，经过滤光后使用其中的 或或 。高压汞灯的光谱线高压汞灯的光谱线120100806040200200300 400 500 600Relative Intensity(%)h-line405 nmg-line436 nmi-line365 nmDUV248 nmEmission spectrum of high-intensity mercury lamp 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
10、用波长更短的光源如。实际。实际使用的深紫外光源有使用的深紫外光源有 和和 F2 准分子激光（准分子激光（157 nm）等。）等。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
11、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3、曝光方式、曝光方式掩模板制造掩模板制造SiU.V.MaskP.R.SiO2 设备简单；理论上设备简单；理论上 MTF 可达到可达到 1，因此分辨率比较，因此分辨率比较高，约高，约 0.5 m。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。（2）g=10 50 m 掩模寿命长（可提高掩模寿命长（可提高 10 倍以上），图形缺陷少。倍以上），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。minWk ggmin
12、0.436m(g),20m2.95mgW例：当线时，最小可分辨的线宽为最小可分辨的线宽为式中，式中，k 是与光刻胶处理工艺有关的常数，通常接近于是与光刻胶处理工艺有关的常数，通常接近于 1。接触接触/接近式曝光的光学系统接近式曝光的光学系统式中，式中，k1 是与光刻胶的光强响应特性有关的常数，约为是与光刻胶的光强响应特性有关的常数，约为 0.75。NA 为镜头的为镜头的，投影式光刻机的分辨率由投影式光刻机的分辨率由 给出，即给出，即min1WkNAn 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 0.8。sinNAn 增大增大 NA 可以提高分辨率，但
13、却受到可以提高分辨率，但却受到 的限制。的限制。2NA 分辨率与焦深对波长和数值孔径有相互矛盾的要求，需要分辨率与焦深对波长和数值孔径有相互矛盾的要求，需要折中考虑。折中考虑。增加增加 NA 线性地提高分辨率，平方关系地减小焦深，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。代表当基片沿光路方向移动时能保持良好聚焦的移动代表当基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，即掩掩模模硅硅片片反射凹反射凹镜镜反射凸反射凸镜镜光光源源 1、掩模
14、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、曝光效率较高。、曝光效率较高。缺点缺点 数值孔径数值孔径 NA 太小，是限制太小，是限制分辨率的主要因素。分辨率的主要因素。随着线宽的不断减小和基板直径的增大，随着线宽的不断减小和基板直径的增大，、越来越严重。为解决这些问题，开发越来越严重。为解决这些问题，开发出了分步重复缩小投影曝光机（出了分步重复缩小投影曝光机（Direct Step on the Wafer，简称简称 DSW，Ste
15、pper）。常用的是）。常用的是 5:1 或或 4:1。光源光源聚光透镜聚光透镜投影器投影器掩模掩模基片基片UV lightReticle field size20 mm 15mm,4 die per field5:1 reduction lens基片基片曲折的步进图形曲折的步进图形 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。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，可以在大基片上获得高分辨率的图形；聚焦来解决焦深问题，可以在
16、大基片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。限制光学曝光方式的分辨率的主要因素是衍射效应。最早限制光学曝光方式的分辨率的主要因素是衍射效应。最早使用的接触式光刻机，分辨率可到使用的接触式光刻机，分辨率可到 1 m以下，但容易损伤掩模以下，但容易损伤掩模和硅片。解决的办法是使用接近式光刻机，但要影响分辨率。和硅片。解决的办法是使用接近式光刻机，但要影响分辨率。介绍了具有亚微米分辨率的投影曝光系统。为了解决分辨率和介绍了具有亚微米分辨率的投影曝光
17、系统。为了解决分辨率和焦深之间的矛盾，可以采用分步重复的方式。焦深之间的矛盾，可以采用分步重复的方式。接接触触式式非非接接触触式式优点：设备简单，分辨率较高优点：设备简单，分辨率较高缺点：掩模版与晶片易损伤，成品率低缺点：掩模版与晶片易损伤，成品率低接近式接近式优点：掩模版寿命长，成本低优点：掩模版寿命长，成本低缺点：衍射效应严重，影响分辨率缺点：衍射效应严重，影响分辨率投影式投影式全反射全反射折射折射优点：无像差，无驻波效应影响优点：无像差，无驻波效应影响缺点：数值孔径小，分辨率低缺点：数值孔径小，分辨率低优点：数值孔径大，分辨率高，优点：数值孔径大，分辨率高，对硅片平整度要求低，对硅片平整
18、度要求低，掩模制造方便掩模制造方便缺点：曝光效率低，设备昂贵缺点：曝光效率低，设备昂贵 将曝光后的基片用显影液浸泡或喷雾处理。对负胶，显将曝光后的基片用显影液浸泡或喷雾处理。对负胶，显影液将溶解掉未曝光区的胶膜；对正胶，显影液将溶解曝光区影液将溶解掉未曝光区的胶膜；对正胶，显影液将溶解曝光区的胶膜。的胶膜。几乎所有的正胶都使用碱性显影液，几乎所有的正胶都使用碱性显影液，如如 KOH 水溶液。水溶液。显影过程中光刻胶膜会发生膨胀。正胶的膨胀可以忽略，显影过程中光刻胶膜会发生膨胀。正胶的膨胀可以忽略，而负胶的膨胀则可能使图形尺寸发生变化。而负胶的膨胀则可能使图形尺寸发生变化。显影过程对温度非常敏感
19、。显影过程有可能影响光刻胶的显影过程对温度非常敏感。显影过程有可能影响光刻胶的对比度，从而影响光刻胶的剖面形状。对比度，从而影响光刻胶的剖面形状。显影后必须进行严格的检查，如有缺陷则必须返工。显影后必须进行严格的检查，如有缺陷则必须返工。自动显影检查设备自动显影检查设备2.5 2.5 刻蚀刻蚀(Eching)(Eching)定义定义:由預先由預先定义定义好的好的图图形把不要的形把不要的区区域去除，保留要留下的域去除，保留要留下的区区域，域，将图将图形形转移转移到所到所选选定的定的举出举出上其上其过程称过程称之之为刻蚀为刻蚀。刻蚀的作用刻蚀的作用制作不同的器件结构，如线条、接触孔、栅等。制作不同
20、的器件结构，如线条、接触孔、栅等。被刻蚀的材料被刻蚀的材料半导体，绝缘体，金属等。半导体，绝缘体，金属等。刻蚀刻蚀方法方法可以是物理性可以是物理性(离子碰撞离子碰撞)，也可以是化，也可以是化学学性性(与与薄膜薄膜发生化学反应发生化学反应)，也可，也可以是以是两者两者的混合方式。的混合方式。1 1、认识刻蚀、认识刻蚀2、刻蚀失败的例子、刻蚀失败的例子a.a.湿法刻蚀湿法刻蚀：采用采用液态化学试剂液态化学试剂进行薄膜刻蚀进行薄膜刻蚀b.b.干法刻蚀干法刻蚀：采用采用气态的化学气体气态的化学气体进行薄膜刻蚀进行薄膜刻蚀湿刻的工艺过程（例）transparent glassCr patterned f
21、ilmMaskSi photoresistSiO2 filmAl filmSi UV exposureSi Develop solutionSi Pattern transferto photoresistSi Etching of Al filmIsotropic etching undercutFilm etching undercutLayer 2Layer 1湿法刻蚀中的侧向腐蚀湿法刻蚀中的侧向腐蚀SiOSiO2 2腐蚀断面腐蚀断面离子束刻蚀离子束刻蚀Neutralized ion beam:good for conductor&insulatorRIERIE的基板是带负电的。正离子受
22、带负电的基板吸引，最终以近的基板是带负电的。正离子受带负电的基板吸引，最终以近乎垂直的方向射入晶体，从而使刻蚀具有良好的方向性。乎垂直的方向射入晶体，从而使刻蚀具有良好的方向性。1、在投影式曝光技术中，分辩率与焦深之间存在什么矛盾？、在投影式曝光技术中，分辩率与焦深之间存在什么矛盾？如何协调这个矛盾？步进扫描技术有什么优点？如何协调这个矛盾？步进扫描技术有什么优点？2、描述等离子体电势分布，为什么它对刻蚀很重要？、描述等离子体电势分布，为什么它对刻蚀很重要？3、什么是刻蚀均匀性？获得均匀性刻蚀的难点是什么？、什么是刻蚀均匀性？获得均匀性刻蚀的难点是什么？4、干法刻蚀与湿法刻蚀相比的优势与劣势是什么？、干法刻蚀与湿法刻蚀相比的优势与劣势是什么？5、给出高密度等离子体刻蚀机中采用磁场的原因？、给出高密度等离子体刻蚀机中采用磁场的原因？6、什么是衍射，为什么它是光学光刻中关心的问题？、什么是衍射，为什么它是光学光刻中关心的问题？7、列举出、列举出7种光刻胶显影的参数。种光刻胶显影的参数。8、为什么正胶是普遍使用的光刻胶？、为什么正胶是普遍使用的光刻胶？9、列出并描述、列出并描述i线光刻胶的线光刻胶的4种成分。种成分。10、解释负性和正性光刻的区别。、解释负性和正性光刻的区别。
