半导体工艺与制造篇5 光刻

光刻

光刻的图形包括：硅片上的半导体元器件，隔离槽，接触孔，金属互连线，互连金属层的通孔

光刻的要求：光刻机的分辨率，光刻胶光学敏感性，精确对准等等

光刻胶

光刻胶的评价标准：

1.分辨率(表征精度)

2.对紫外线uv的灵敏度

3.粘滞性

4.粘附力

5.对比度(也称为陡直度，无膨胀)。膨胀一般发生在负胶中

6.流动性

7.沾污

8.稳定性

9.抗蚀性

分辨率resolution

分辨率的定义：将硅片上两个邻近特征图形区分开的能力

分辨率定量表达：$$R=k\frac{\lambda }{NA}$$

工艺依存系数$k$，波长$\lambda$（一般为0.6~0.8），镜头口径NA

分辨率的提升手段：

1.改进光源来缩短

2.改良镜头以增大NA。但镜头无法一直增大，否则聚焦深度过小，所以采用浸没式光刻

浸没式光刻特点：$\lambda =193nm$时纯水的折射率$n\approx 1.44$, $\theta >70度$,$NA>1$

3.改良刻蚀剂并采用其他超分辨技术来增大系数k

对紫外线的灵敏度

改进方法，添加光酸产生剂

粘附力

粘附力的改进方法：在涂胶前对衬底做脱水处理；使用hdms增粘剂；提高坚膜温度；干法刻蚀可以降低对粘附力的要求

光刻机的光源

EUV采用全反射系统，反射镜材料包括Mo和Si

掩膜版

掩膜版的定义：光刻复制图形的基准和蓝本

掩膜板的组成：熔融石英的基材，铬Cr的遮蔽层（铬的特点是不透过紫外光）

掩膜板的分类：光学掩膜版mask；投影掩膜版reticle

投影掩膜板的优点：因为板更大，所以制版容易；缺陷也会比例缩小；曝光均匀度高

光刻工艺

光刻工艺的流程：

1.气相成膜

2.涂胶

3.软烘前烘

4.曝光与对准

5.后烘硬烘

6.显影

7.坚膜烘烤

8.检查

光刻工艺的设备往往"内联"，也就是设备往往集成

涂胶coating

涂胶的分类：静态涂胶（衬底片，从静止开始）；动态图胶先低速旋转（如500RPM）再加速

光刻胶粘度下降或旋转速度增加，可以使膜的厚度变薄

涂胶时旋转加速度越大，胶越均匀

软烘前烘

软烘前烘的现象：蒸发胶中有机溶剂，使晶圆表面胶固化

软烘前烘的作用：增加粘附性；消除光刻胶膜内应力；防止光刻胶沾污设备

软烘时温度过高，易产生肌肤效应

肌肤效应会像荷叶表面一样，使晶圆具有疏水性

曝光与对准

曝光与对准的重要参数：曝光时间、曝光功率

曝光设备分类：

后烘硬烘

后烘硬烘的作用：促进关键光刻胶的化学反应，为显影做准备

显影

显影分类：对正胶用TMAH（四甲基氢氧化铵）；对负胶用二甲苯

显影的常见问题：显影不完全，显影不足，过度显影

坚膜烘烤

坚膜烘烤的效果：使胶膜更牢固地粘附在晶圆表面

坚膜的作用：改善胶的抗刻蚀、抗注入能力；改善胶的粘附性；去除胶中针孔，进一步减少驻波效应。

坚膜烘烤的常见问题：烘烤不足，则改善都不奏效；烘烤过度：胶流动，分辨率变差

去胶

去胶也称为灰化，一般用于返工前或者刻蚀与离子注入之后

去胶的方法分类：氧化去胶，干法去胶，湿法去胶

灰化设备的特点：均是独立设备，无法内联

其他光刻技术

电子数直写曝光：常用于制造掩膜版

双重图案工艺：曝光两次，精度两倍。工艺流程一般是光刻-刻蚀-光刻-刻蚀（LELE）

自对准双重成像SADP：多次曝光的一个关键技术，使用了侧壁工艺，适用于一定间距的重复图案（通俗的讲，就是一块墙壁有两个侧壁，所以精度乘以2。墙壁就是两侧壁的间距）