SOC材料与工艺2(光刻胶非光学光刻刻湿）.ppt

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1、前部工序的主要工艺 3.8,晶圆处理制程（Wafer Fabrication；简称 Wafer Fab） 1. 图形转换：将设计在掩膜版(类似于照相底片)上的图形转移到半导体单 晶片上 a.光刻（接触光刻、接近光刻、投影光刻、电子束光刻） b.刻蚀技术(湿法刻蚀、干法刻蚀） 2. 掺杂：根据设计的需要，将各种杂质掺杂在需要的位置上，形成晶体 管、接触等 a. 扩散 b. 离子注入 c. 退火 3. 制膜：制作各种材料的薄膜 a. 氧化：干氧氧化、湿氧氧化等 b. CVD：APCVD、LPCVD、PECVD c. PVD：蒸发、溅射,三、后部封装 （在另外厂房） （1）背面减薄 （2）划片、掰片

2、 （3）粘片 （4）压焊：金丝球焊 （5）切筋 （6）整形 （7）封装 （8）沾锡：保证管脚的电学接触 （9）老化 （10）成测 （11）打字、包装,半导体制造过程,后段（Back End） -后工序 构装（Packaging）：IC构装依使用材料可分为陶瓷（ceramic）及塑料（plastic）两种，而目前商业应用上则以塑料构裝为主。以塑料构装中打线接合为例，其步骤依序为晶片切割（die saw）、黏晶（die mount / die bond）、焊线（wire bond）、封膠（mold）、剪切/成形（trim / form）、印字（mark）、电镀（plating）及检验（inspec

3、tion）等。 测试制程（Initial Test and Final Test）,基本的集成电路加工工艺 在计算机及其VLSI设计系统上设计完成的集成电路版图还只是一些图像或和数据，在将设计结果送到工艺线上实验时，还必须经过一个重要的中间环节：制版。所以，在介绍基本的集成电路加工工艺之前，先简要地介绍集成电路加工的掩模(Masks)及其制造。 通常我们看到的器件版图是一组复合图，这个复合图实际上是由若干个分层图形叠合而成，这个过程和印刷技术中的套印技术非常相像。,制版的目的就是产生一套分层的版图掩模，为将来进行图形转移，即将设计的版图转移到硅片上去做准备。 制版是通过图形发生器完成图形的缩小

4、和重复。在设计完成集成电路的版图以后，设计者得到的是一组标准的制版数据，将这组数据传送给图形发生器(一种制版设备)，图形发生器（PG-pattern generator）根据数据，将设计的版图结果分层的转移到掩模版上(掩模版为涂有感光材料的优质玻璃板)，这个过程叫初缩。,人工设计和绘制版图，有利于充分利用芯片面积，并能满足多种电路性能要求。但是效率低、周期长、容易出错，特别是不能设计规模很大的电路版图。因此，该方法多用于随机格式的、产量较大的MSI和LSI或单元库的建立。 (DRC-设计规则捡查),在获得分层的初缩版后，再通过分步重复技术，在最终的掩模版上产生具有一定行数和列数的重复图形阵列，

5、这样，在将来制作的每一个硅圆片(Wafer)上将有若干个集成电路芯片。通过这样的制版过程，就产生了若干块的集成电路分层掩模版。通常，一套掩模版有十儿块分层掩模版。集成电路的加工过程的复杂程度和制作周期在很大程度上与掩模版的多少有关。 集成电路的加工工艺过程是由若干单项加工工艺组合而成。下面将分别介绍这些单项加工工艺。,1光刻与刻蚀工艺 光刻是加工集成电路微图形结构的关键工艺技术，通常，光刻次数越多，就意味着工艺越复杂。另方面，光刻所能加工的线条越细，意味着工艺线水平越高。光刻工艺是完成在整个硅片上进行开窗的工作。 光刻技术类似于照片的印相技术，所不同的是，相纸上有感光材料，而硅片上的感光材料-

6、光刻胶是通过旋涂技术在工艺中后加工的。光刻掩模相当于照相底片，一定的波长的光线通过这个“底片”，在光刻胶上形成与掩模版（光罩）图形相反的感光区，然后进行显影、定影、坚膜等步骤，在光刻胶膜上有的区域被溶解掉，有的区域保留下来，形成了版图图形。,光刻 (Photolithography & Etching)过程如下： 1涂光刻胶 2掩膜对准 3曝光 4显影 5刻蚀：采用干法刻蚀（Dry Etching） 6去胶：化学方法及干法去胶 (1)丙酮中，然后用无水乙醇 (2)发烟硝酸 (3)等离子体的干法刻蚀技术,光刻的八个步骤,光刻,曝光 刻蚀,光源 曝光方式,光刻概述,评价光刻工艺可用三项主要的标准：

7、分辨率、对准精度 和生产效率。,涂光刻胶（正）,选择曝光,光刻工艺流程,显影（第 1 次图形转移）,刻蚀（第 2 次图形转移）,光源,紫外光（UV）,深紫外光（DUV）,g 线：436 nm i 线：365 nm,KrF 准分子激光：248 nm ArF 准分子激光：193 nm,极紫外光（EUV），10 15 nm,X 射线，0.2 4 nm,电子束,离子束,几种常见的光刻方法 接触式光刻：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(1025m)，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

8、影到衬底上的曝光方法，目前用的 最多的曝光方式,有掩模方式 无掩模方式 （聚焦扫描方式）,接触式 非接触式,接近式 投影式,反射 折射,全场投影 步进投影 扫描步进投影,矢量扫描 光栅扫描 混合扫描,曝光方式,三种光刻方式,光刻三要素：光刻胶、掩膜版和光刻机 光刻胶又叫光致抗蚀剂，它是由光敏化合物、基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体 光刻胶受到特定波长光线的作用后，导致其化学结构发生变化，使光刻胶在某种特定溶液中的溶解特性改变 正胶：分辨率高，在超大规模集成电路工艺中，一般只 采用正胶 负胶：分辨率差，适于加工线宽3m的线条,正胶：曝光后可溶 负胶：曝光后不可溶,曝光后烘焙,DUV曝光后烘

9、焙 温度均匀性 曝光后烘焙 延迟（表层不溶的阻止层） I-Line曝光后烘焙 目的：减少驻波效应,DUV胶的胺污染引起的 “T-top”,曝光后烘焙引起驻波减少,显影,负胶 正胶 显影方法 胶显影参数,胶显影出现的各种现象,负胶交联,显影时光刻胶会膨胀变形,正胶显影,显影方法,连续喷雾显影 旋覆浸没显影,连续喷雾光刻胶显影,Figure 15.6,旋覆浸没光刻胶显影,胶显影参数,显影温度 1525C 显影时间 显影液用量 当量浓度 清洗 排风 硅片吸盘,坚膜,坚膜特点: 显影后曝光 蒸发显影液中的溶剂 使光刻胶变硬 增加光刻胶与硅片的粘附性 为下一步工艺准备 比软烘的温度高，但不能使光刻胶变形

10、 用 Deep UV坚膜,高温下变软的光刻胶流动,Photoresist,正胶130，负胶150,显影后检查,查找缺陷 在腐蚀或离子注入前检查 Prevents Scrap 检查光刻工艺的好坏 硅片返工,自动显影检查设备,Photograph courtesy of Advanced Micro Devices, Leica Auto Inspection station,Photo 15.1,光刻、显影检查及返工流程,Figure 15.9,先进的光刻工艺 （非光学光刻）,下一代光刻 极紫外 (EUV) 角度限制投影电子束光刻SCALPEL 离子束投影Ion Projection Litho

11、graphy (IPL) X-Ray 先进的光刻胶工艺 发展的方向（正胶、化学放大DUV） DESIRE 扩散增强甲硅烷基光刻胶工艺,光刻技术的改进,极紫外光刻技术示意图,Redrawn from International SEMATECHs Next Generation Lithography Workshop Brochure,Figure 15.10,SCALPEL示意图,离子束投影,Redrawn from International SEMATECHs Next Generation Lithography Workshop Brochure,Figure 15.12,X-ray

12、 光谱,Figure 15.13,X-ray 掩膜示意图,Figure 15.14,MOS器件中的辐射损伤,光刻胶及光刻的发展,Figure 15.15,顶层表面成像,Figure 15.16,附：掩膜版的构造及质量要求,1.每个微小图形要有高的图像质量 2. 图形边缘清晰、锐利、无毛刺 3.整套掩膜版能够很好对准 4. 图形与衬底要有足够的反差 5.掩膜尽量无针孔、小岛和划痕 6. 版面平整、光洁、坚固耐磨,新光刻技术,在2003版的国际半导体技术蓝图中，增加了一个可能解决方案浸入式光刻（Immersion lithography），2004年12月，国际半导体技术蓝图编委会发行了国际半导体

13、技术蓝图修订版，其中光刻一章在可能解决方案表中又给出了一些显著的变化，把193纳米光刻（非浸入式）扩展到90纳米节点，并且撤消了离子投影光刻和近接X射线光刻。而在2005年的蓝图中，浸入式光刻继续着其既有的发展态势，作为2007年达到65nm、2010年达到45nm、2013年达到32nm和2016年达到22nm节点的关键技术。 浸入式光刻是指在曝光镜头和硅片之间充满水（或液体）而不是空气。对于193纳米光刻来说，水是最佳液体。但浸入式光刻技术仍有很多不确定性，如对置于水中的硅片和光刻性能带来的影响，磨料中水吸附如何进行CD控制、模样外形控制等。,光刻工艺的发展 70年代的光刻只能加工35m线

14、宽，4“5” wafer。那时的 光刻机采用接触式的。如Canon，采用紫外线光源，分辨率较低。 80年代发明了1:1投影式光刻机，可加工12m线宽，5“ 6“wafer。代表产品有美国的Ultrotec。 存在问题是： （1）Mask难做，要求平坦，不能有缺陷。 （2）Wafer与Mask之间有间隙，使一些尘埃颗 粒加入，造成 影响。另外，有光折射产生。,80年代后期出现了Wafer Stepper，10:1或5:1，使芯片加 工进入了0.8m的时代。 代表产品有： 美国的GCA， 日本的Canon， Nikon及荷兰的ASM。 另外，美国的KLA更加先进，它带有Mask检查及修正 系统。它

15、将Mask上的图形缩小5倍后投影到硅片上，因 此，使缺陷缩小很多。它使用的光源仍是紫外线，但是用 的是g-line，波长在436nm，可加工： 0.81.0m（大生产）， 0.50.8m（科研）芯片。,90年代对Stepper的改进大致两个方面 一是在光源上： （1）用i-line的紫外线，波长在365nm，可加工0.50.6m 的芯片。 （2）若用准分子激光光源KrF下，波长大约248nm，可加工： 0.250.5m（大生产)0.07 0.1m（科研）的芯片。 （3）还有用电子束（E-Beam）光源的，主要用于做Mask。 二是在制作Mask上下功夫，并带有Mask的修正功能，可通过 检测M

16、ask上的缺陷，调整曝光过程。,如果光刻胶是正性胶(光致分解)，则光刻胶膜的图形与掩模版图形属性相同。 如果光刻胶是负性胶(光致聚合)，则光刻胶膜的图形与掩模版图形属性相反。,衍射,当一个光学系统中的所有尺寸，如光源、反射器、透镜、掩模版上的特征尺寸等，都远大于光源波长时，可以将光作为在光学元件间直线运动的粒子来处理。,但是当掩模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增加，从而影响光刻的分辩率。,调制传输函数和光学曝光,无衍射效应,有衍射效应,光强,定义图形的 调制传输函数 MTF 为

17、,无衍射效应时，MTF = 1 ；有衍射效应时 ，MTF 1 。光栅的周期（或图形的尺寸）越小，则 MTF 越小；光的波长越短，则 MTF 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。,理想光刻胶：光强不到临界光强 Dcr 时不发生反应，光强超过 Dcr 时完全反应，衍射只造成线宽和间距的少量变化。,Dcr,D100,D0,实际光刻胶：光强不到 D0 时不发生反应，光强介于 D0 和 D100 之间时发生部分反应，光强超过 D100 时完全反应，使线条边缘出现模糊区。在通常的光刻胶中，当 MTF 0.5 时，图形不再能被复制。,光源系统,对光源系统的要求 1、有适当的波长。波长越短

18、，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； 3、曝光能量必须均匀地分布在曝光区。,常用的 紫外光 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 g 线（436 nm）或 i 线（365 nm）。,高压汞灯的光谱线,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 深紫外光。实际使用的深紫外光源有 KrF 准分子激光（248 nm）、ArF 准分子激光（193 nm）和 F2 准分子激光（157 nm）等。,深紫外光的曝光方式与紫外光基本相同，但需注意两点， 1、光刻胶 2、掩模与透镜材料,

19、248 nm 波长的光子能量为 4.9 eV，193 nm 波长的光子能量为 6.3 eV ，而纯净石英的禁带宽度约为 8 eV。波长越短，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透镜发热。,各种光学曝光光源的使用情况 1985 年以前，几乎所有光刻机都采用 g 线 (436 nm) 光源，当时的最小线宽为 1 m 以上 。1985 年以后开始出现少量 i 线(365 nm) 光刻机，相应的最小线宽为 0.5 m 左右。从 1990 年开始出现 DVU 光刻机，相应的最小线宽为 0.25 m 左右。从1992年起 i 线光刻机的数量开始超过 g 线光刻机 。截止到 1998

20、年 ，g 线、i 线和 DVU 光刻机的销售台数比例约为 1 : 4 : 2。,7.5 接触式与接近式光刻机,一、接触式光刻机,Si,U. V. Mask P. R. SiO2,优点：设备简单；理论上 MTF 可达到 1，因此分辨率比较高，约 0.5 m。,缺点：掩模版寿命短（10 20 次），硅片上图形缺陷多，光刻成品率低。,二、接近式光刻机,g = 10 50 m,优点：掩模寿命长（可提高 10 倍以上），图形缺陷少。,缺点：衍射效应严重，使分辨率下降。,最小可分辨的线宽为,式中，k 是与光刻胶处理工艺有关的常数，通常接近于 1 。,投影式光刻机,式中，k1 是与光刻胶的光强响应特性有关的

21、常数，约为 0.75 。 NA 为镜头的 数值孔径，,投影式光刻机的分辨率由 雷利第一公式 给出，即,一、分辨率与焦深,n 为折射率， 为半接收角。NA 的典型值是 0.16 到 0.8。,增大 NA 可以提高分辨率，但却受到 焦深 的限制。,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。增加 NA 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 NA。为了提高分辨率，可以缩短波长。,焦深 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 雷利第二公式 给出，即,二、1 : 1 扫描反射投影光刻机,掩模,硅片,反射凹镜,反射凸镜,光源,优点 1、

22、掩模寿命长，图形缺陷少。 2、无色散，可以使用连续波长光源，无驻波效应。无折射系统中的象差、弥散等的影响。 3、曝光效率较高。,缺点 数值孔径 NA 太小，是限制分辨率的主要因素。,三、分步重复缩小投影光刻机,随着线宽的不断减小和晶片直径的增大，分辨率与焦深的矛盾、线宽与视场的矛盾 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（ Direct Step on the Wafer ，简称 DSW，Stepper）。早期采用 10 : 1 缩小，现在更常用的是 5 : 1 或 4 : 1。,光源,聚光透镜,投影器,掩模,硅片,缺点 1、曝光效率低； 2、设备复杂、昂贵。,优点 1、掩

23、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，通过分步聚焦来解决焦深问题，可以在大晶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，可减少掩模上的缺陷对芯片成品率的影响。,当芯片的面积继续增大时，例如 4G DRAM 的面积已达到 3232 mm2 ，线宽为 0.13 m ，已达到视场的极限 。于是又出现了步进扫描投影曝光机，当然设备就更加复杂和昂贵了。,先进掩模概念,一、保护薄膜 分步重复缩小投影虽然可以减少小缺陷的影响，但大缺陷的影响更严重，因为它可以被复制到每一个小视场中。,解决的办法是给步进机的掩模版蒙上一层保护薄膜，并使薄膜离开掩模版表

24、面约 1 cm。这样可使任何落在薄膜上的颗粒保持在光学系统的聚焦平面之外。,另一种用于接触式光刻机的保护薄膜直接涂在掩模版上 ，它可以使接触式光刻在保持高分辨率优点的同时，提高掩模版的使用寿命，减少芯片上的缺陷。,二、抗反射膜 光线在掩模版和透镜表面的部分反射会使光能受到损失。有些光线经多次反射后会打到硅片上，使图形质量受到影响。为了减小这个问题，一种新掩模技术采用在掩模版靠近镜头的一面加上 10% 的抗反射剂。,由公式,可知，由于 NA 对焦深的作用更大，所以通常希望采用较小的NA 值。一般将 NA 值取为 0.16 到 0.6。当 k1 为 0.75 时，有,上式在一段时期内被认为是光学曝

25、光法的分辨率极限。若要进一步减小线宽，只能采用波长更短的光源，例如 X 射线。,三、相移掩模技术,对光刻胶和镜头等的改进只能稍微减小 k1 值。而 相移掩模技术 等 超分辨率技术 的发明使 k1 突破性地下降了一半以上 ，从而使分辨率极限进入了 亚波长 范围，使 i 线和深紫外光 的分辨率分别达到了 0.25 m 和 0.10 m，同时也使 X 射线光刻机的使用比原来预期的大大推迟。 除了相移掩模技术外，超分辨率技术还包括 光学邻近效应修正技术 和 双层及多层光刻胶技术 等。,相移掩模技术的关键是在掩模的透光区相间地涂上相移层，并使用相干光源。这使透过相邻透光区的光线具有相反的相位，从而使其衍

26、射部分因干涉作用而相互抵消。,相移掩模技术对制版技术提出了新的要求，如相移材料的选择、制备与加工，制版软件中对相移层图形的设计等。,掩模版,掩模处的光幅度,衬底处的光幅度,衬底处的光强度,相移掩模,普通掩模,边缘相移掩模技术,把掩模设想为一个曝光矩阵 M，由许多 0 和 1 的像素组成，0 代表透明区，1 代表不透明区。当用这块掩模对硅片曝光后，在硅片表面可以得到一个包含相同数目像素的图形矩阵 W。在理想情况下，这两个矩阵应该相同。但是在实际情况下，由于曝光工艺会造成硅片表面图形的畸变，从而影响图形矩阵 W 。可以建立一个矩阵 S 来表示从矩阵 M 到矩阵 W 的变化，即 W = SM 矩阵

27、S 中包含了光学系统的所有信息。理想的 S 是一个单位矩阵，但实际上它包含了反映图形畸变的非对角元素。,四、光学邻近效应修正技术,所谓光学邻近效应修正（OPC）就是求出矩阵 S 的逆矩阵 S-1，用来对原来的掩模进行修正，得到新掩模的曝光矩阵为 M1 = S-1M,用新掩模对硅片曝光后得到的图形矩阵为 W1 = SM1 = S S-1M = M 于是在硅片上得到了与原来掩模完全相同的图形。,矩阵 S-1是很大的，可能包含 1010 个以上的像素，但也是一个很稀疏的矩阵。如果结合应用多层部分吸收材料，可以得到更精细的 OPC 掩模版，但价格也十分昂贵。,表面反射和驻波,一、表面反射 穿过光刻胶的

28、光会从硅片表面反射出来，从而改变光刻胶吸收的光能，特别是硅片表面的金属层会反射较多的光。 硅片表面倾斜的台阶侧面会将光反射到非曝光区。,解决办法 1、改变淀积参数以控制薄膜的反射率； 2、使表面平坦化； 3、在光刻胶下加一层抗反射膜,二、驻波,驻波是由入射光和反射光之间的干涉造成的。驻波的波节与波腹之间的间隔为/4n = 0.16。对 = 200 400 nm 的紫外光，此间隔为 32 64 nm ，小于光刻胶厚度。胶中不同的光强分布，将导致不同的显影速率，给线宽的控制带来困难。,对准,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 1/4 到 1/3 。,为了便于对准，在

29、掩模上必须设置专门的对准标记。通过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，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 8 英寸掩模产生0.1 m 的膨胀，掩模的温度变化必须控制在 0.75C 左右。,小结,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 1 m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。介绍了具有亚微米分辨率的投影曝光系统。为了解决分辨率和焦深之间的矛盾，可以采用分步重复的方式。最后介绍了通过改进掩模制作提高分辨率的方法，即相移掩模技

30、术和光学邻近效应修正技术。,随着光刻技术的不断发展，光学曝光的分辨率已进入亚波长范围。现在利用 193 nm 光源及 OPC 技术，已获得 0.13 m的线宽，预期可达到 0.10 m ，甚至达到 0.07 m 。,光学曝光的各种曝光方式及其利弊小结,接触式,非接触式,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,接近式,优点：掩模版寿命长，成本低,缺点：衍射效应严重，影响分辨率,投影式,全反射,折射,优点：无像差，无驻波效应影响,缺点：数值孔径小，分辨率低,优点：数值孔径大，分辨率高，,对硅片平整度要求低，,掩模制造方便,缺点：曝光效率低，设备昂贵,光刻胶,一、光刻胶的类型

31、 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 负性光刻胶，简称 负胶。 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 正性光刻胶，简称 正胶。,光刻胶的类型,光刻胶也称为 光致抗蚀剂（Photoresist，P. R.）。,1、灵敏度 灵敏度的定义 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 S ，也就是前面提到过的 D100 。S 越小，则灵敏度越高。,通常负胶的灵敏度高于正胶。,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。,光刻胶

32、的特性,灵敏度曲线（对比度曲线）,1.0,0.5,0,D0,入射剂量（C/cm2）,未反应的归一化膜厚,D100,2、分辨率,下面讨论分辨率与灵敏度的关系。当入射电子数为 N 时， 由于随机涨落，实际入射的电子数在 范围内。为保证 出现最低剂量时不少于规定剂量的 90%，也即 。 由此可得 。因此对于小尺寸曝光区，必须满足,光刻工艺中影响分辨率的因素有：光源、曝光方式 和 光刻胶本身（包括灵敏度、对比度、颗粒的大小、显影时的溶胀、电子散射等）。通常正胶的分辨率要高于负胶。,式中，Wmin 为最小尺寸，即分辨率。可见，若灵敏度越高（即 S 越小），则 Wmin 就越大，分辨率就越差。,例如，负性

33、电子束光刻胶 COP 的 S = 0.310 -6C/cm2，则其 Wmin = 0.073 m 。若其灵敏度提高到 S = 0.0310 -6C/cm2 ，则其 Wmin 将增大到 0.23 m 。,3、对比度,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度。灵敏度曲线越陡，D0 与 D100 的间距就越小，则 就越大，这样有助于得到清晰的图形轮廓和高的分辨率。一般光刻胶的对比度在 0.9 2.0 之间。对于亚微米图形，要求对比度大于 1。,通常正胶的对比度要高于负胶。,D0,D100,对比度的定义为,光进入光刻胶后，其强度按下式衰

34、减,式中，为光刻胶的光吸收系数。设 TR 为光刻胶的厚度，则可定义光刻胶的 光吸收率 为,可以证明，对比度 与光吸收系数及光刻胶厚度 TR 之间有如下关系,减小光吸收系数与胶膜厚度有利于提高对比度。,一个与对比度有关的光刻胶性能指标是 临界调制传输函数 CMTF ，它代表在光刻胶上获得能被分辨的图形所必须的最小调制传输函数，其定义为,利用对比度的公式，可得,CMTF 的典型值为 0.4。如果光学系统的 MTF 小于 CMTF，则其图像就不能被分辨；如果光学系统的 MTF 大于 CMTF，就有可能被分辨。,临界调制传输函数,光刻胶材料,1、负性光刻胶 主要有聚肉桂酸系（聚酯胶）和环化橡胶系两大类

35、，前者以柯达公司的 KPR 为代表，后者以 OMR 系列为代表。,2、正性光刻胶 主要以重氮醌为感光化合物，以酚醛树脂为基体材料。最常用的有 AZ 1350 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。,光刻胶通常有三种成分：感光化合物、基体材料 和 溶剂。在感光化合物中有时还包括增感剂。,3、负性电子束光刻胶 为含有环氧基、乙烯基或环硫化物的聚合物。最常用的是COP 胶，典型特性：灵敏度 0.3 0.4 C/cm2（加速电压 10KV 时）、分辨率 1.0 m 、对比度 0.95。限制分辨率的主要因素是光刻胶在显影时的溶胀。,4、正性电子束光刻胶 主要为甲基丙烯甲酯

36、、烯砜和重氮类这三种聚合物。最常用的是 PMMA 胶，典型特性：灵敏度 40 80 C/cm2（加速电压 20 KV 时）、分辨率 0.1 m 、对比度 2 3 。 PMMA 胶的主要优点是分辨率高。主要缺点是灵敏度低，此外在高温下易流动，耐干法刻蚀性差。,正胶的典型反应,一、光化学反应 化学反应速度 k 可表示为,感光物质的电子在未曝光时处于基态 S0 ，基态的反应激活能 EA 大 ，因此反应慢。曝光后，感光物质的电子处于激发态 S1 、S2 、S3 等， 激发态的 EA 小，因此反应变快。,式中，A 、R 为常数，T 为绝对温度，EA 为化学反应激活能，随电子状态的不同而不同。EA 越小，

37、则在同样的温度下反应速度越快。,二、势能曲线 可以借助于感光物质的势能曲线来讨论光化学反应。下图是重氮基萘的 RN - N2 切断反应的势能曲线。,S0,S1,S2,S3,T1,88Kcal,72Kcal,EA(S1) = 16Kcal,EA(S0) = 38Kcal,RN 与 N2 的间距,势能,感光分子吸收 = 365 nm 的光能（ 72 Kcal ）后 ，电子从基态 S0 跃迁到第一激发态 S1 ，激活能由 EA(S0) = 38 Kcal 降为 EA(S1) = 16 Kcal ，反应速度加快。,感光分子吸收 = 300 nm 的光能（88 Kcal）后，电子跃迁到第二激发态 S2

38、，此态的谷底势能恰好与 S1 态当 RN - N2 分解时的势能相当，且 S2 与 S1 态的曲线在图左侧有相交之处，因此电子可从 S2 态跃迁到 S1 态并立即反应。所以用 = 300 nm 的光曝光比用 = 365 nm 的反应速度快。,在重氮基萘中还存在着三重态 T1 。由 T1 态的曲线可见 ，RN-N2 的距离越远，分子的势能越低，所以处于 T1 态的分子将立即发生反应而不需激活能。由于 T1 态曲线与所有单重激发态的曲线在谷底附近相交，所以进入单重激发态的电子还可以通过向 T1 态跃迁而使感光物分子立即发生化学反应，从而使反应速度大大加快。这种作用称为 “三重态增感” 。,T1,三

39、、增感剂及其作用,光刻胶的涂敷和显影,本节简要介绍光刻工艺中除曝光与刻蚀以外的工序。,1、脱水烘烤 目的是去除硅片表面吸附的水分。也可利用前面的氧化或扩散工艺来实现。,2、增粘处理 在烘烤后的硅片表面涂一层 六甲基二硅亚胺（HMDS），目的是增加硅片表面与光刻胶的粘附性。可采用蒸汽涂布法，也可采用旋涂法。,3、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匀性。胶膜的厚度决定于光刻胶的粘度和旋转速度。,4、前烘（软烘） 目的是增强光刻胶与硅片的粘附性，去除光刻胶中的大部分溶剂，促进光刻胶的均匀性和稳定性。,5、曝光,6、曝光后的烘焙 对紫外线曝光可不进行，但对深紫外线曝光则必须进行

40、。,7 、显影 将曝光后的硅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的胶膜。几乎所有的正胶都使用碱性显影液，如 KOH 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，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。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。,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,10、去胶,9、刻蚀,8、后烘（硬烘、坚膜） 目的是使胶膜硬化，提高其在后续工序中的耐腐蚀性。,二级曝光效应,在选择光刻胶时，必须考虑它的吸收谱，以及在特定波长下的光学吸收系数。

41、,还要考虑基体材料对光的吸收。例如酚醛树脂就对深紫外光有很强的吸收。被基体材料吸收的光到达不了感光化合物，从而影响光刻胶的灵敏度。,可知，当太大时，则只有光刻胶的顶部能被有效曝光；当太小时，则由于吸收太少而需要长时间的曝光。,由下式,当硅片表面凹凸不平时，遇到的第一个问题是硅片表面倾斜的台阶侧面会将光反射到不希望曝光的区域。第二个问题是使胶膜的厚度发生变化：在硅片表面凹下处胶膜较厚，导致曝光不足；在硅片表面凸起处胶膜较薄，导致曝光过度。胶膜厚度的不同还会影响对比度。,解决这个问题的办法是表面平坦化。,双层光刻胶技术,随着线条宽度的不断缩小，为了防止胶上图形出现太大的深宽比，提高对比度，应该采用

42、很薄的光刻胶。但薄胶会遇到耐腐蚀性的问题。由此开发出了 双层光刻胶技术，这也是所谓 超分辨率技术 的组成部分。,顶层胶：含硅，厚约 0.25 m,底层胶：也称为干显影胶，厚约 0.5 m,对顶层胶曝光显影,对底层胶作含氧的 RIE 刻蚀,据报导，采用 193 nm 波长光源，在底层胶上获得了 0.15 m 0.12 m 宽的线条。用 CF4 RIE 法刻蚀掉 0.23 m 厚的多晶硅后，还有约 50% 的底层胶保留下来。,小结,本章首先介绍了光刻胶的类型与特性，重点讨论了光刻胶的灵敏度、分辨率、对比度及其相互关系。通过正胶的典型反应和势能曲线，说明了光刻胶的光化学反应过程和增感作用。介绍了涉及

43、光刻胶的工艺步骤。最后介绍了双层光刻胶技术。,习 题 1、某种光刻胶的 D0 = 40mJ/cm2，D100 = 85mJ/cm2，试计算这种光刻胶的对比度与 CMTF。当这种光刻胶的厚度减薄一半时，其 D100 减到 70mJ/cm2，而 D0 则不变，这时其对比度变为多少？ 2、设某电子束光刻胶的灵敏度 S = 0.3 C/cm2 ，这意味着在( 0.01 m )2 的面积上只需多少个电子照射？在 ( Wmin )2 的面积上又需多少个电子照射？这个结果对提高光刻胶的灵敏度和曝光效率有什么指导意义？,通过使用大数值孔径的扫描步进光刻机和深紫外光源，再结合相移掩模、光学邻近效应修正和双层胶等

44、技术，光学光刻的分辨率已进入亚波长，获得了 0.1 m 的分辨率。若能开发出适合 157 nm 光源的光学材料，甚至可扩展到 0.07 m。,非光学光刻技术,但是这些技术的成本越来越昂贵，而且光学光刻的分辨率极限迟早会到来 。已开发出许多新的光刻技术，如将 X 射线、电子束 和 离子束作为能量束用于曝光。这些技术统称为非光学光刻技术，或 下一代光刻技术 。它们的共同特点是使用更短波长的曝光能源。,高能束与物体之间的相互作用,本节主要讨论 X 射线、电子束、离子束与固体之间的相互作用。,一、X 射线与固体之间的相互作用,X 射线光刻所用的波长在= 0.2 4 nm 的范围，所对应的 X 射线光子

45、能量为 1 10 k eV。在此能量范围，X 射线的散射可以忽略。X 射线光子的能量损失机理以光电效应为主，损失掉的能量转化为光电子的能量。,能量损失与分辨率的关系 分辨率取决于 X 射线的波长与光电子的射程两者中较大的一个 。当 X 射线波长为 5 nm 左右时两者相等，这时可获得最佳分辨率 ，其值即约为 5 nm 。但在 X 射线光刻技术中，由于掩模版等方面的原因 ，波长取为 0.2 4 nm ，其相应的光电子射程为 70 20 nm。但是实际上这并不是限制 X 射线光刻分辨率的主要因素。,后面会讲到，限制 X 射线光刻分辨率的主要因素是 掩模版的分辨率，以及 半影畸变 和 几何畸变。,二

46、、电子束与固体之间的相互作用,电子束与固体之间的相互作用有很多种，例如二次电子、散射电子、吸收电子、电子空穴对、阳极发光、X 射线、俄歇电子等。影响电子束曝光分辨率的主要是 散射电子 。,1、电子的散射 入射电子与固体中另一粒子发生碰撞，发生动量与能量的转移，方向改变，波长不变或增大，能量不变或减少。,电子在光刻胶中的散射次数与光刻胶厚度成正比，与入射电子的初始能量 E0 成反比，典型值为几到几十次。,散射角：电子散射后的方向与原入射方向之间的夹角。 前散射（小角散射）：散射角 90o 背散射（大角散射）：散射角 = 90o 180o,实验表明，前散射使电子束变宽约 0.1 m，而背散射电子的

47、分布区域可达到 0.1 1 m 。所以 背散射是影响电子束曝光分辨率的主要因素。,2、光刻胶的能量吸收密度 电子束曝光的分辨率主要取决于电子散射的作用范围，而此范围可用光刻胶的能量吸收密度分布函数来表示。由于能量密度函数是轴对称的，与变量 无关，故可表为 E( r, z ) 。,3、光刻胶完成曝光所需的能量密度 设 g0 为每吸收一个电子伏特的能量所发生的化学反应（交联或降解）数，即反应产率，则 (1/g0 ) 表示每发生一个反应所需的能量。单位体积光刻胶中的分子数可表为 ，其中 NA 为阿伏加德罗常数，M 为平均分子量。则要使单位体积的光刻胶全部发生反应所需的能量（即能量密度）为,令光刻胶的

48、实际能量吸收密度 E( r, z ) 与完成曝光所需的能量密度 E0 相等，即 E( r, z ) = E0 ，可以得到一个等能量密度曲面。显然，在这个曲面之内的光刻胶将全部发生化学反应，显影时将全部溶掉（以正性胶为例）。所以此曲面也就是显影后的光刻胶剖面轮廓。,电子束,显影后,(1) 首先，假设入射电子束的分布是 函数，即单位冲击函数，具有如下性质，,4、计算能量吸收密度 E( r, z ) 的方法,(2) 然后，利用 Monte - Carlo 法模拟，得到下图的结果。,通过模拟计算，发现 有以下特点， a、 ，所以背散射是影响分辨率的主要因素； b、光刻胶较薄时，能量密度的分布范围较小； c、入射电子初始能量 E0 的影响是：对 ff ，E0 越大，则越小；对 fb ，当 E0 增大时，先增大，然后减小； d、低原子序数材料中的散射一般要小一些。,(3) 对此模拟结果进行 曲线拟合，可得到近似的分析函数，为 双高斯函数 ，即,(4) 当入射电子为任意空间分布函数 时，其吸收能量密度 是 与 的 卷积积分，,例如，当电子束分布为 高斯圆形束 时，,式中， 为高斯电子束的标准偏差。,(5) 胶层等能量密度剖面轮廓 实际的曝光图形，既不是 函数，也不是仅仅一个孤立的圆