[科普中國(guó)]-光刻

光刻流程

一般的光刻工藝要經(jīng)歷硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻膠、軟烘、對(duì)準(zhǔn)曝光、后烘、顯影、硬烘、刻蝕、檢測(cè)等工序。

硅片清洗烘干方法：濕法清洗+去離子水沖洗+脫水烘焙（熱板150～250C,1～2分鐘，氮?dú)獗Ｗo(hù)）

目的：a、除去表面的污染物（顆粒、有機(jī)物、工藝殘余、可動(dòng)離子）；b、除去水蒸氣，使基底表面由親水性變?yōu)樵魉?，增?qiáng)表面的黏附性（對(duì)光刻膠或者是HMDS-〉六甲基二硅胺烷）。

涂底方法：a、氣相成底膜的熱板涂底。HMDS蒸氣淀積，200～250C,30秒鐘；優(yōu)點(diǎn)：涂底均勻、避免顆粒污染；b、旋轉(zhuǎn)涂底。缺點(diǎn)：顆粒污染、涂底不均勻、HMDS用量大。

目的：使表面具有疏水性，增強(qiáng)基底表面與光刻膠的黏附性

旋轉(zhuǎn)涂膠方法：a、靜態(tài)涂膠（Static）。硅片靜止時(shí)，滴膠、加速旋轉(zhuǎn)、甩膠、揮發(fā)溶劑（原光刻膠的溶劑約占65～85%,旋涂后約占10～20%）；b、動(dòng)態(tài)（Dynamic）。低速旋轉(zhuǎn)（500rpm_rotation per minute）、滴膠、加速旋轉(zhuǎn)（3000rpm）、甩膠、揮發(fā)溶劑。

決定光刻膠涂膠厚度的關(guān)鍵參數(shù)：光刻膠的黏度（Viscosity），黏度越低，光刻膠的厚度越??；旋轉(zhuǎn)速度，速度越快，厚度越薄；

影響光刻膠均勻性的參數(shù)：旋轉(zhuǎn)加速度，加速越快越均勻；與旋轉(zhuǎn)加速的時(shí)間點(diǎn)有關(guān)。

一般旋涂光刻膠的厚度與曝光的光源波長(zhǎng)有關(guān)（因?yàn)椴煌?jí)別的曝光波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)不同的光刻膠種類(lèi)和分辨率）：I-line最厚，約0.7～3μm；KrF的厚度約0.4～0.9μm；ArF的厚度約0.2～0.5μm。

軟烘方法：真空熱板，85～120C,30～60秒；

目的：除去溶劑（4～7%）；增強(qiáng)黏附性；釋放光刻膠膜內(nèi)的應(yīng)力；防止光刻膠玷污設(shè)備；

邊緣光刻膠的去除光刻膠涂覆后，在硅片邊緣的正反兩面都會(huì)有光刻膠的堆積。邊緣的光刻膠一般涂布不均勻，不能得到很好的圖形，而且容易發(fā)生剝離（Peeling）而影響其它部分的圖形。所以需要去除。

方法：a、化學(xué)的方法（Chemical EBR）。軟烘后，用PGMEA或EGMEA去邊溶劑，噴出少量在正反面邊緣處，并小心控制不要到達(dá)光刻膠有效區(qū)域；b、光學(xué)方法（Optical EBR）。即硅片邊緣曝光（WEE，Wafer Edge Exposure）。在完成圖形的曝光后，用激光曝光硅片邊緣，然后在顯影或特殊溶劑中溶解；

對(duì)準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)方法：a、預(yù)對(duì)準(zhǔn)，通過(guò)硅片上的notch或者flat進(jìn)行激光自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)；b、通過(guò)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)志（Align Mark），位于切割槽（Scribe Line）上。另外層間對(duì)準(zhǔn)，即套刻精度（Overlay），保證圖形與硅片上已經(jīng)存在的圖形之間的對(duì)準(zhǔn)。

曝光曝光中最重要的兩個(gè)參數(shù)是：曝光能量（Energy）和焦距（Focus）。如果能量和焦距調(diào)整不好，就不能得到要求的分辨率和大小的圖形。表現(xiàn)為圖形的關(guān)鍵尺寸超出要求的范圍。

曝光方法：

a、接觸式曝光（Contact Printing）。掩膜板直接與光刻膠層接觸。曝光出來(lái)的圖形與掩膜板上的圖形分辨率相當(dāng)，設(shè)備簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：光刻膠污染掩膜板；掩膜板的磨損，壽命很低（只能使用5～25次）；1970前使用，分辨率〉0.5μm。

b、接近式曝光（Proximity Printing）。掩膜板與光刻膠層的略微分開(kāi)，大約為10～50μm?？梢员苊馀c光刻膠直接接觸而引起的掩膜板損傷。但是同時(shí)引入了衍射效應(yīng)，降低了分辨率。1970后適用，但是其最大分辨率僅為2～4μm。

c、投影式曝光（Projection Printing）。在掩膜板與光刻膠之間使用透鏡聚集光實(shí)現(xiàn)曝光。一般掩膜板的尺寸會(huì)以需要轉(zhuǎn)移圖形的4倍制作。優(yōu)點(diǎn)：提高了分辨率；掩膜板的制作更加容易；掩膜板上的缺陷影響減小。

投影式曝光分類(lèi)：

掃描投影曝光（Scanning Project Printing）。70年代末～80年代初，〉1μm工藝；掩膜板1：1，全尺寸；

步進(jìn)重復(fù)投影曝光（Stepping-repeating Project Printing或稱作Stepper）。80年代末～90年代，0.35μm（I line）～0.25μm（DUV）。掩膜板縮小比例（4：1），曝光區(qū)域（Exposure Field）22×22mm（一次曝光所能覆蓋的區(qū)域）。增加了棱鏡系統(tǒng)的制作難度。

掃描步進(jìn)投影曝光（Scanning-Stepping Project Printing）。90年代末～至今，用于≤0.18μm工藝。采用6英寸的掩膜板按照4：1的比例曝光，曝光區(qū)域（Exposure Field）26×33mm。優(yōu)點(diǎn)：增大了每次曝光的視場(chǎng)；提供硅片表面不平整的補(bǔ)償；提高整個(gè)硅片的尺寸均勻性。但是，同時(shí)因?yàn)樾枰聪蜻\(yùn)動(dòng)，增加了機(jī)械系統(tǒng)的精度要求。

在曝光過(guò)程中，需要對(duì)不同的參數(shù)和可能缺陷進(jìn)行跟蹤和控制，會(huì)用到檢測(cè)控制芯片/控片（Monitor Chip）。

根據(jù)不同的檢測(cè)控制對(duì)象，可以分為以下幾種：

a、顆?？仄≒article MC）：用于芯片上微小顆粒的監(jiān)控，使用前其顆粒數(shù)應(yīng)小于10顆；

b、卡盤(pán)顆?？仄–huck Particle MC）：測(cè)試光刻機(jī)上的卡盤(pán)平坦度的專用芯片，其平坦度要求非常高；

c、焦距控片（Focus MC）：作為光刻機(jī)監(jiān)控焦距監(jiān)控；

d、關(guān)鍵尺寸控片（Critical Dimension MC）：用于光刻區(qū)關(guān)鍵尺寸穩(wěn)定性的監(jiān)控；

e、光刻膠厚度控片（PhotoResist Thickness MC）：光刻膠厚度測(cè)量；

f、光刻缺陷控片（PDM，Photo Defect Monitor）：光刻膠缺陷監(jiān)控。

舉例：0.18μm的CMOS掃描步進(jìn)光刻工藝。

光源：KrF氟化氪DUV光源（248nm）；

數(shù)值孔徑NA：0.6～0.7；

焦深DOF：0.7μm；

分辨率Resolution：0.18～0.25μm（一般采用了偏軸照明OAI_Off-Axis Illumination和相移掩膜板技術(shù)PSM_Phase Shift Mask增強(qiáng)）；

套刻精度Overlay：65nm；

產(chǎn)能Throughput：30～60wafers/hour（200mm）；

視場(chǎng)尺寸Field Size：25×32mm；

后烘方法：熱板，110～130C,1分鐘。

目的：

a、減少駐波效應(yīng)；

b、激發(fā)化學(xué)增強(qiáng)光刻膠的PAG產(chǎn)生的酸與光刻膠上的保護(hù)基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)并移除基團(tuán)使之能溶解于顯影液。

顯影方法：

a、整盒硅片浸沒(méi)式顯影（Batch Development）。缺點(diǎn)：顯影液消耗很大；顯影的均勻性差；

b、連續(xù)噴霧顯影（Continuous Spray Development）/自動(dòng)旋轉(zhuǎn)顯影（Auto-rotation Development）。一個(gè)或多個(gè)噴嘴噴灑顯影液在硅片表面，同時(shí)硅片低速旋轉(zhuǎn)（100～500rpm）。噴嘴噴霧模式和硅片旋轉(zhuǎn)速度是實(shí)現(xiàn)硅片間溶解率和均勻性的可重復(fù)性的關(guān)鍵調(diào)節(jié)參數(shù)。

c、水坑（旋覆浸沒(méi)）式顯影（Puddle Development）。噴覆足夠（不能太多，最小化背面濕度）的顯影液到硅片表面，并形成水坑形狀（顯影液的流動(dòng)保持較低，以減少邊緣顯影速率的變化）。硅片固定或慢慢旋轉(zhuǎn)。一般采用多次旋覆顯影液：第一次涂覆、保持10～30秒、去除；第二次涂覆、保持、去除。然后用去離子水沖洗（去除硅片兩面的所有化學(xué)品）并旋轉(zhuǎn)甩干。優(yōu)點(diǎn)：顯影液用量少；硅片顯影均勻；最小化了溫度梯度。

顯影液：

a、正性光刻膠的顯影液。正膠的顯影液位堿性水溶液。KOH和NaOH因?yàn)闀?huì)帶來(lái)可動(dòng)離子污染（MIC，Movable Ion Contamination），所以在IC制造中一般不用。最普通的正膠顯影液是四甲基氫氧化銨（TMAH）（標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量濃度為0.26，溫度15～25C）。在I線光刻膠曝光中會(huì)生成羧酸，TMAH顯影液中的堿與酸中和使曝光的光刻膠溶解于顯影液，而未曝光的光刻膠沒(méi)有影響；在化學(xué)放大光刻膠（CAR，Chemical Amplified Resist）中包含的酚醛樹(shù)脂以PHS形式存在。CAR中的PAG產(chǎn)生的酸會(huì)去除PHS中的保護(hù)基團(tuán)（t-BOC），從而使PHS快速溶解于TMAH顯影液中。整個(gè)顯影過(guò)程中，TMAH沒(méi)有同PHS發(fā)生反應(yīng)。

b、負(fù)性光刻膠的顯影液。二甲苯。清洗液為乙酸丁脂或乙醇、三氯乙烯。

顯影中的常見(jiàn)問(wèn)題：

a、顯影不完全（Incomplete Development）。表面還殘留有光刻膠。顯影液不足造成；

b、顯影不夠（Under Development）。顯影的側(cè)壁不垂直，由顯影時(shí)間不足造成；

c、過(guò)度顯影（Over Development）?？拷砻娴墓饪棠z被顯影液過(guò)度溶解，形成臺(tái)階。顯影時(shí)間太長(zhǎng)。

硬烘方法：熱板，100～130C（略高于玻璃化溫度Tg），1～2分鐘。

目的：

a、完全蒸發(fā)掉光刻膠里面的溶劑（以免在污染后續(xù)的離子注入環(huán)境，例如DNQ酚醛樹(shù)脂光刻膠中的氮會(huì)引起光刻膠局部爆裂）；

b、堅(jiān)膜，以提高光刻膠在離子注入或刻蝕中保護(hù)下表面的能力；

c、進(jìn)一步增強(qiáng)光刻膠與硅片表面之間的黏附性；

d、進(jìn)一步減少駐波效應(yīng)（Standing Wave Effect）。

常見(jiàn)問(wèn)題：

a、烘烤不足（Underbake）。減弱光刻膠的強(qiáng)度（抗刻蝕能力和離子注入中的阻擋能力）；降低針孔填充能力（Gapfill Capability for the needle hole）；降低與基底的黏附能力。

b、烘烤過(guò)度（Overbake）。引起光刻膠的流動(dòng)，使圖形精度降低，分辨率變差。

另外還可以用深紫外線（DUV，Deep Ultra-Violet）堅(jiān)膜。使正性光刻膠樹(shù)脂發(fā)生交聯(lián)形成一層薄的表面硬殼，增加光刻膠的熱穩(wěn)定性。在后面的等離子刻蝕和離子注入（125～200C）工藝中減少因光刻膠高溫流動(dòng)而引起分辨率的降低。

準(zhǔn)分子光刻技術(shù)準(zhǔn)分子光刻技術(shù)作為當(dāng)前主流的光刻技術(shù)，主要包括：特征尺寸為0．1μm的248 nm KrF準(zhǔn)分子激光技術(shù)；特征尺寸為90 nm的193 nm ArF準(zhǔn)分子激光技術(shù)；特征尺寸為65 nm的193 nm ArF浸沒(méi)式技術(shù)（Immersion，193i）。其中193 nm浸沒(méi)式光刻技術(shù)是所有光刻技術(shù)中最為長(zhǎng)壽且最富有競(jìng)爭(zhēng)力的，也是目前如何進(jìn)一步發(fā)揮其潛力的研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)光刻技術(shù)光刻膠與曝光鏡頭之間的介質(zhì)是空氣，而浸沒(méi) 式技術(shù)則是將空氣 換成液體介質(zhì)。實(shí)際上，由于液體介質(zhì)的折射率相比空氣介質(zhì)更接近曝光透鏡鏡片材料的折射率，等效地加大了透鏡口徑尺寸與數(shù)值孔徑（NA），同時(shí)可以 顯 著提高焦深（DOF）和曝光工藝的寬容度（EL），浸沒(méi)式光 刻 技 術(shù) 正 是 利 用 這 個(gè) 原 理 來(lái) 提 高 其 分 辨率。

世界三 大光刻機(jī) 生產(chǎn)商ASML，Nikon和Cannon的第 一 代 浸 沒(méi) 式 光 刻 機(jī) 樣 機(jī) 都 是 在 原 有193nm干式光刻機(jī)的基礎(chǔ)上改進(jìn)研制而成，大大降低了研發(fā)成本和風(fēng)險(xiǎn)。因?yàn)榻](méi)式光刻系統(tǒng)的原理清晰而且配合現(xiàn)有的光刻技術(shù)變動(dòng)不大，目前193nm ArF準(zhǔn)分子激光光刻技術(shù)在65nm以下節(jié)點(diǎn)半導(dǎo)體量產(chǎn)中已經(jīng)廣泛應(yīng)用；ArF浸沒(méi)式光刻 技 術(shù) 在45nm節(jié) 點(diǎn) 上 是 大 生 產(chǎn) 的 主 流 技 術(shù)。

為把193i技術(shù)進(jìn)一步推進(jìn)到32和22nm的技術(shù)節(jié)點(diǎn)上，光刻專家一直在尋找新的技術(shù)，在沒(méi)有更好的新光刻技術(shù)出現(xiàn)前，兩次曝光技術(shù)（或者叫兩次成型技術(shù)，DPT）成為人們關(guān) 注 的 熱 點(diǎn)。ArF浸沒(méi)式兩次曝光技術(shù)已被業(yè)界認(rèn)為是32nm節(jié)點(diǎn)最具競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)；在更低的22nm節(jié)點(diǎn)甚至16nm節(jié)點(diǎn)技術(shù)中，浸沒(méi)式 光刻技術(shù)也 具 有相當(dāng)大 的優(yōu)勢(shì)。

浸沒(méi)式光刻技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)主要有：如何解決曝光中產(chǎn)生的氣泡和污染等缺陷的問(wèn)題；研發(fā)和水具有良好的兼容性且折射率大于1．8的光刻膠的問(wèn)題；研發(fā)折射率較大的光學(xué)鏡頭材料和浸沒(méi)液體材料；以 及 有 效 數(shù) 值 孔 徑NA值 的 拓 展 等 問(wèn)題。針 對(duì) 這 些 難 題 挑 戰(zhàn)，國(guó) 內(nèi) 外 學(xué) 者 以 及ASML，Nikon和IBM等公 司已 經(jīng) 做 了 相 關(guān) 研 究并提出相應(yīng)的對(duì)策。浸沒(méi)式光刻機(jī)將朝著更高數(shù)值孔徑發(fā)展，以滿足更小光刻線寬的要求。1

極紫外光刻技術(shù)提高光刻技術(shù)分辨率的傳統(tǒng)方法是增大鏡頭的NA或縮 短 波 長(zhǎng)，通 常 首 先 采 用 的 方 法 是 縮 短 波長(zhǎng)。早在80年代，極紫外光刻技術(shù)就已經(jīng)開(kāi)始理論的研究和初步的實(shí) 驗(yàn)，該技術(shù) 的光源是波 長(zhǎng) 為11～14 nm的極端遠(yuǎn)紫外光，其原理主要是利用曝光光源極短的波長(zhǎng)達(dá)到提高光刻技術(shù)分辨率的目的。由于所有的光學(xué)材料對(duì)該波長(zhǎng)的光有強(qiáng)烈的吸收，所以只能采取反射式的光路。EUV系統(tǒng)主要由四部分組成，即反射式投影曝光系統(tǒng)、反射式光刻掩模版、極紫外光源系統(tǒng)和能用于極紫外的光刻涂層。其主要成像原理是光波波長(zhǎng)為10～14nm的極端遠(yuǎn)紫外光波經(jīng)過(guò)周期性多層膜反射鏡投射到反射式掩模版上，通過(guò)反射式掩模版反射出的極紫外光波再通過(guò)由多面反射鏡組成的縮小投影系統(tǒng)，將反射式掩模版上的集成電路幾何圖形投影成像到硅片表面的光刻膠中，形成集成電路制造所需要的光刻圖形。

目 前EUV技 術(shù) 采 用 的 曝 光 波 長(zhǎng) 為13．5nm，由于其具有如此短的波長(zhǎng)，所有光刻中不需要再使用光學(xué)鄰近效應(yīng)校正（OPC）技術(shù)，因而它可以把光刻技術(shù)擴(kuò)展到32nm以下技術(shù)節(jié)點(diǎn)。2009年9月Intel第 一 次 向 世 人 展 示 了22 nm工藝晶圓，稱繼續(xù)使用193nm浸沒(méi)式光刻技術(shù)，并規(guī) 劃 與EUV及EBL曝 光 技 術(shù) 相 配 合，使193nm浸沒(méi)式光刻技術(shù)延伸到15和11nm工藝節(jié)點(diǎn)。1

電子束光刻技術(shù)電子束光刻技術(shù)是利用電子槍所產(chǎn)生的電子束，通過(guò)電子光柱的各極電磁透鏡聚焦、對(duì)中、各種象差的校正、電子束斑調(diào)整、電子束流調(diào)整、電子束曝光對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記檢測(cè)、電子束偏轉(zhuǎn)校正、電子掃描場(chǎng)畸變校正等一系列調(diào)整，最后通過(guò)掃描透鏡根據(jù)電子束曝光程序的安排，在涂布有電子抗蝕劑（光刻膠）的基片表面上掃描寫(xiě)出所需要的圖形。

電子束光刻基本上分兩大類(lèi)，一類(lèi)是大生產(chǎn)光掩模版制造的電子束曝光系統(tǒng)，另一類(lèi)是直接在基片上直寫(xiě)納米級(jí)圖形的電子束光刻系統(tǒng)。電子束光刻技術(shù)起源于掃描電鏡，最早由德意志聯(lián)邦共和國(guó)杜平根大學(xué)的G．Mollenstedt等人在20世紀(jì)60年代提出。電子束曝光的波長(zhǎng)取決于電子能量，電子能量越高，曝光的波長(zhǎng)越短，大 體在10－6nm量級(jí)上，因而電子束光刻不受衍射極限的影響，所以電子束光刻可獲得接近于原子尺寸的分辨率。

但是，由于電子束入射到抗蝕劑及基片上時(shí)，電子會(huì)與固體材料的原子發(fā)生“碰撞”產(chǎn)生電子散射現(xiàn)象，包括前散射和背散射電子，這些散射電子同樣也參與“曝光”，前散射電子波及范圍可在幾十納米，從基片上返回抗蝕劑中背散射電子可波及到幾十微米之遠(yuǎn)。所有實(shí)際電子束曝光、顯影后圖形的邊緣要往外擴(kuò)展，這就是所謂的“電子束鄰近效應(yīng)。同時(shí)，半導(dǎo)體基片上如果有絕緣的介質(zhì)膜，電子通過(guò)它時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一定量的電荷積累，這些積累的電荷同樣會(huì)排斥后續(xù)曝光的電子，產(chǎn)生偏移，而不導(dǎo)電的絕緣體（如玻璃片）肯定不能采用電子束曝光。還有空間交變磁場(chǎng)、實(shí)驗(yàn)室溫度變化等都會(huì)引起電子束曝光產(chǎn)生“漂移”現(xiàn)象。因此，即使擁有2nm電子束斑的曝 光 系統(tǒng)，要曝光出50nm以下的圖形結(jié)構(gòu)也不容易。麻省理工學(xué)院（MIT）已經(jīng)采用的電子束光刻技術(shù)分辨率將推進(jìn)到9nm。電子束直寫(xiě)光刻可以不需要

制造掩模版，比較靈活。但由于其曝光效率低，主要用于實(shí)驗(yàn)室小樣品納米制造。而電子束曝光要適應(yīng)大批量生產(chǎn)，如何進(jìn)一步提高曝光速度是個(gè)難題。為了解決電子束光刻的效率問(wèn)題，通常將其與其他光刻技術(shù)配合使用。例如為解決曝光效率問(wèn)題，通常采用電子束光刻與光學(xué)光刻進(jìn)行匹配與混合光刻的辦法，即大部分曝光工藝仍然采用現(xiàn)有十分成熟的半導(dǎo)體光學(xué)光刻工藝制備，只有納米尺度的圖形或者工藝層由電子束光刻實(shí)現(xiàn)。

在傳統(tǒng)光學(xué)光刻技術(shù)逼近工藝極限的情況下，電子束光刻技術(shù)將有可能出現(xiàn)在與目前193i為代表的光學(xué)曝光技術(shù)及EUV技術(shù)相匹配的混合光刻中，在實(shí)現(xiàn)10nm級(jí)光刻中起重要的作用。應(yīng)該提到的是電子束曝光技術(shù)是推動(dòng)微電子技術(shù)和微細(xì)加工技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，在微電子、微光學(xué)和微機(jī)械等微系統(tǒng)微細(xì)加工領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，而且除電子束直寫(xiě)光刻技術(shù)本身以外，幾乎所有的新一代光刻技術(shù)所需要的掩模制作還是離不開(kāi)電子束曝光技術(shù)。1