半导体中的光刻

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1、第十一章光刻11.1光刻工艺光刻是一种图象复印的技术，是集成电路制程中一项关键的工艺技术。简单的说，光刻就是用照相复印的方法，将掩膜版上之图形精确地复印到涂在硅片表面的光致抗蚀剂（下面统称光刻胶）上面，然后在光刻胶的保护下对硅片进行离子注入，刻蚀（干，湿法），金属蒸镀等。一个光刻刻蚀的工艺过程见图11.1。使光刻胶感光成图形的可以是可见光，近紫外光（NUV），深紫外光（DUV），真空紫外光（VUV），极短紫外光（EUV），X射线等光源，近来又发展了电子束，离子束曝光技术。光学相关波长范围见图11.2。随着芯片集成度的提高，特征尺寸从微米到亚微米，现在已进入

2、深亚微米时代，对光源的要求也从全光谱光源到G线（436nm）、I线（365nm）、进而到248nm线、193nm线。本章将介绍光刻工艺的整个过程，光刻曝光的方式，影响光刻质量的一些因素及光刻技术的一些最新发展。11.2光刻工艺的8个基本步骤一．硅片表面处理衬底材料对光刻工艺的影响有三个方面：表面清洁度、表面性质（疏水或亲水）、平面度。清洁、干燥的表面能和光刻胶保持良好的粘附，硅片表面的颗粒沾污会损坏光刻图形，造成成品率的下降，要防止高温过程产生的热应力造成硅片形变，使平面度下降，影响光刻分辨率。二．增粘处理需光刻的硅片先要在高温氮气气氛中烘焙，以除去硅片表

3、面的水气，再涂上一层增粘剂（HMDS），以增加光刻胶与硅片的粘附性，HMDS的作用机理就是将二氧化硅表面亲水的硅烷醇结构转变为疏水的硅氧烷结构。三．涂光刻胶将光刻胶均匀地涂敷在硅片的表面，它的质量要求是：（1）膜厚符合设计要求，同时膜厚均匀，胶面上看不到干涉花纹；（2）胶层内无点缺陷（如针孔等）；（3）涂层表面无尘埃，碎屑等颗粒。膜厚的关系式为：T=KP2/S1/2式（11—1）T为膜厚，P为光刻胶固体含量百分比，S为转速，K为常数。四．前烘前烘是光刻的一道关键工序。前烘条件的选取，对光刻胶的溶剂挥发量和光刻胶的粘附特性，曝光特性，显影特性以及线宽的精确控

4、制都有较大的影响。前烘温度较低时，溶剂挥发少，此时显影速度就快，对线宽控制不容易。反之，光刻胶内溶剂成份较少，就需要更大的曝光量，但对线宽控制较好。四．对准与曝光对准与曝光是光刻工艺中最关键的工序，它直接关系到光刻的分辨率，留膜率，线宽控制和套准精度。由于集成电路工艺流程中有多层图形，每层图形与其它层的图形都有精确的位置关系，所以在曝光之前，需要精确地定位，然后才能曝光，将掩膜版上的图形转移到光刻胶上。图11.3表示了曝光时光波在光刻胶及二氧化硅中的情况。入射光和反射光之间会互相干涉，产生驻波效应。光刻胶膜内的波节，波腹的位置分别为：Zmin=Nλ/2n式

5、（11—2）Zmax=(2N+1)λ/4n式（11—3）在波节处光强度低，在波腹处光强度高，从而形成不平整的光刻胶侧壁。在最低曝光量E（指能使光刻胶显影）时光刻胶膜厚度的变化曲线图11.4上，可找出最佳条件。四．烘烤从上面可知，在曝光时由于驻波效应的存在，光刻胶侧壁会有不平整现象，进行曝光后烘烤，使得感光与未感光边界处的高分子化合物重新分布，最后达到平衡，基本可消除驻波效应。五．显影显影就是用溶剂去除未曝光部分（负胶）或曝光部分（正胶）的光刻胶，在硅片上形成所需要光刻胶图形。影响显影质量的因素有温度，时间和显影液种类，浓度等。六．坚膜由于显影时胶膜发生软化

6、、膨胀，坚膜的目的是去除显影后胶层内残留的溶剂，使胶膜坚固。坚膜可以提高光刻胶的粘附力和抗蚀性。11.3光刻胶质量测量11.3.1光刻胶的种类及感光机理光刻胶由感光性树、增感剂、溶剂（还有其他添加剂）按一定比例配制而成。树脂是一种对光敏感的高分子化合物，当它受适当波长的光照射后，就能吸收一定波长的光能量，发生交联、聚合或分解等光化学反应，使光刻胶改变性质，增感剂则在光化学反应时起催化或引发作用。按其光化学反应不同，光刻胶分为两大类：正性光刻胶和负性光刻胶。正性光刻胶的感光机理是受光照后，光刻胶发生光分解反应，退化为可溶性的物质，因原来光刻胶不能被溶解，显影

7、后感光部分能被适当的溶剂溶除，未感光部分留下。所得的图形与掩膜图形相同。负性光刻胶的感光机理是受光照后，光刻胶发生光聚合反应，硬化成不可溶的物质，因原来的光刻胶能被溶解，显影后未感光部分被适当的溶剂溶除，而感光部分留下。所得的图形与掩膜图形相反。11.3.2光刻胶的主要性能一．感光度感光度是一个表征光刻胶对光敏感度的性能指标。定义为曝光时使光刻胶发生光化学反应所需的最小曝光量（E）的倒数，即S=h/E式（11—4）S为感光度，h为比例常数，E为最小曝光量。光刻胶对于不同波长的光源其敏感程度是不同的，因此它的感光度总是对某一特定波长的光来讲的。二．分辨率指光

8、刻时所能得到的光刻图形的最小尺寸。通常以每毫米最多可分辨的线条数来