光刻技術(shù)概述

光刻是平面型晶體管和集成電路生產(chǎn)中的一個(gè)主要工藝。是對(duì)半導(dǎo)體晶片表面的掩蔽物(如二氧化硅)進(jìn)行開(kāi)孔，以便進(jìn)行雜質(zhì)的定域擴(kuò)散的一種加工技術(shù)。

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裕鰪?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，光刻膠的厚度越薄;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。可以避免與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?Particle 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)顆粒控片(Chuck 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)。靠近表面的光刻膠被顯影液過(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。