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第八章 光刻
8.1 简介
定义:光刻工艺是一种用来去掉晶圆表面层上所 规定的特定区域的基本操作。
本质是把电路结构复制到以后要进行刻蚀和离子注入的硅片上。这些结构以图形形式制作在掩膜版上,紫外光透过掩膜版把图形转移到硅片表面的光敏薄膜上然后用一种刻蚀的工艺把薄膜图形成像在下面的硅片上。
转移到硅片表面的光刻图形的形状完全取决于硅片层面的结构。图形可能是硅片上的半导体器件,隔离槽,接触孔,金属互连以及互连金属层的通孔。
光刻掩膜版衬底材料是石英,这种材料始终用在紫外光刻中。用做掩膜版的石英是最贵的材料并且有非常低的温度膨胀。低膨胀意味着掩膜版在温度改变时尺寸是相对稳定的。淀积在掩膜版上的不透明的材料是一薄层铬,厚度一般小于1000埃并且是溅射淀积的。
目标:1.在晶圆表面建立尽可能接近设计规则中所要求的尺寸的图形。这个目标称为晶圆的分辨率,也就是区分Si片上两个邻近图形的能力。
高的分辨率需要将曝光波长减小到与CD
几乎一样大小。
2.在晶圆表面正确定位图形。
8.2 光刻工艺
光刻包括两种基本的工艺类型:负性光刻和正性光刻
8.2.1 负性光刻
负性光刻的基本特征是当曝光后,光刻胶被曝光的部分由可溶性物质变为非溶性物质。
8.2.2 正性光刻
在正性光刻工艺中,复制到硅片表面的图形与掩膜版上的一样。光刻胶被曝光的部分从不可溶到可溶。
正性光刻
负性光刻
6.3 光刻10步法
1.表面准备 清洁和干燥晶圆表面
2.涂光刻胶 在晶圆表面均匀涂抹一薄层光刻
胶
3.软烘焙 加热,部分蒸发光刻胶
4.对准和曝光 掩膜版和图形在晶圆上的精
确对准和光刻胶的曝光。
5.显影 非聚合光刻胶的去除
6.硬烘焙 对溶剂的继续蒸发
7.显影目检 检查表面的对准情况和缺陷
8.刻蚀 将晶圆顶层透过光刻胶的开口去除
9.光刻胶去除 将晶圆上的光刻胶层去除
10.最终目检 表面的检查以发现刻蚀的
不规则和其他问题
8.4 光刻胶
8.4.1光刻胶的组成
四种基本的成分:聚合物、溶剂、感光剂和添加剂。
聚合物:对光和能量敏感,由大而重的分子组成,包括碳、氢、氧。
普通的光刻胶被设计成与紫外线和激光反应,也有与X射线和电子束反应的。
在负胶里,聚合物是聚异戊二烯。曝光后,由非聚合状态变为聚合状态,抗刻蚀。为防止曝光,负胶生产在黄光下进行。
正胶的基本聚合物是苯酚-甲醛聚合物。曝光后,聚合物变为可溶状态,发生了光溶解反应。
光刻胶可以和许多形式的能量(光能和热能)或电磁光谱中的具体某一部分光反应。
传统的正胶可以用在I-Line曝光源上,经
化学放大的光刻胶可用DUV曝光。用X射线和电子束上的光刻胶不同于传统的正负胶。
溶剂:光刻胶中容量最大的成分。使光刻胶处于液态,并可以使光刻胶通过旋转的方法涂在晶圆表面。
负胶的溶剂是芬芳的二甲苯,正胶的溶剂是乙氧基乙醛醋酸盐或二甲氧基乙醛。
光敏剂:添加到光刻胶中来产生或控制聚合物的特定反应。
光敏剂被加到光刻胶中用来限制反应光的波普范围或者把反应光限制到某一特定波长。
添加剂:不同类型的添加剂和光刻胶混合达到特定的效果。可以阻止光刻胶没有曝光的部分在显影过程中被溶解。负胶含有染色剂,在光刻胶薄膜中吸收和控制光线。正胶会有化学的抗溶解系统。
8.4.2 光刻胶的表现要素及物理特性
光刻胶的选择的主要决定因素是晶圆表面
对尺寸的要求。
具有产生那些所要求尺寸的能力
在刻蚀过程中阻隔刻蚀的功能,必须保证一定的厚度,且不能有针孔
必须能和晶圆表面很好地黏合,否则刻蚀后图形会发生扭曲
分辨率:在光刻胶层能产生的最小图形通常作为对光刻胶的分辨力的参考。产生的线条越小,分辨力越强。
它是表征光刻精度的标志之一,与光刻本身和光刻工艺条件及操作技术有关。
越细的线宽需要越薄的光刻胶膜来产生。然而光刻胶膜需要足够厚度来实现阻隔刻蚀的作用,并且保证不能有针孔,所以选择需要权衡。
改变工艺参数可以改变固有的分辨力。
纵横比用来衡量光刻胶的分辨力和光刻胶厚度之间的关系。是光刻胶厚度与图形打开尺寸的比值。
纵横比=T/W
正胶比负胶有更高的纵横比,对于一个给定的图形尺寸开口,正胶的光刻胶层可以更厚。
黏结性:为了实现刻蚀阻隔作用,光刻胶层必须与晶圆表面有很好的黏结性,才能够保证把光刻图形很好的转移到晶圆表面。
负胶比正胶的黏结能力好。
粘滞性:对于液体光刻胶来说其流动
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