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1、光刻工艺流程Lithography Process摘要：光刻技术（lithography technology)是指集成电路制造中利用光学化学反应原理和化学，物理刻蚀法，将电路图形传递到单晶表面或介质层上，形成有效图形窗口或功能图形的工艺技术。光刻是集成电路工艺中的关键性技术，其构想源自于印刷技术中的照相制版技术。光刻技术的发展使得图形线宽不断缩小，集成度不断提高，从而使得器件不断缩小，性能也不断提利用高。还有大面积的均匀曝光，提高了产量，质量，降低了成本。我们所知的光刻工艺的流程为：涂胶前烘曝光显影坚膜刻蚀去胶。Abstract:Lithography technology is the m
2、anufacture of integrated circuits using optical - chemical reaction principle and chemical, physical etching method, the circuit pattern is transferred to the single crystal surface or the dielectric layer to form an effective graphics window or function graphics graphy is the key technology in inte
3、grated circuit technology, the idea originated in printing technology in the photo lithographic process. Development of lithography technology makes graphics width shrinking, integration continues to improve, so that the devices continue to shrink, the performance is also are even a large area of ex
4、posure, improve the yield, quality and reduce costs. We know lithography process flow is: Photoresist Coating Soft bake exposure development hard bake etching Strip Photoresist.关键词：光刻，涂胶，前烘，曝光，显影，坚膜，刻蚀，去胶。Key Words:lithography,Photoresist Coating,Soft bake,exposure,development,hard bake ,etching, St
5、rip Photoresist.引言： 光刻有三要素：光刻机；光刻版（掩模版）；光刻胶。光刻机是IC晶圆中最昂贵的设备，也决定了集成电路最小的特征尺寸。光刻机的种类有接触式光刻机、接近式光刻机、投影式光刻机和步进式光刻机。接触式光刻机设备简单，70年代中期前使用，分辨率只有微米级，掩模板和硅片直接接触，使得掩膜版寿命短。接近式光刻机距硅片表面约10微米，掩膜版拥有更长的寿命，分辨率大于3m.投影光刻机类似于投影仪，掩模与硅片之间增加一透镜，掩模与硅片1：1，分辨率大约在1微米左右。步进光刻机在IC中是最流行的，它具有高分辨率（0.25微米或以下），掩膜图形尺寸5X：10X能够得到更好的分辨率，
6、但他的曝光时间是5X的四倍；步进光刻机的价格是最昂贵的。掩模版包含了对于整个硅片来说确定一工艺层所需的完整管芯阵列。其中的光刻胶主要由基体（树脂）、感光剂（聚乙烯醇肉桂酸脂）、溶剂（环己酮）、增感剂（5-硝基苊）等不同的材料按一定比例配制而成。其中树脂是粘合剂(Binder)，感光剂是一种光活性(Photoactivity)极强的化合物，它在光刻胶内的含量与树脂相当，两者同时溶解在溶剂中，以液态形式保存，以便于使用。光刻胶分为正胶和负胶；正胶在显影时，感光部分溶解，未感光部分不溶解；负胶显影时感光部分不溶解，不感光部分溶解。正胶的光敏度和抗腐蚀能力都大于负胶。而光刻胶的作用是在刻蚀（腐蚀）或离
7、子注入过程中，保护被光刻胶覆盖的材料。 高分辨率，高灵敏的光刻胶，低缺陷和精密的套刻对准是ULSI对光刻的要求。要达到这样的要求就必须在光刻的每一个流程都严格把关，这里分别简单讲讲光刻工艺的各个流程。1.涂胶（Photoresist Coating） 涂胶的目的是在硅片表面形成厚度均匀，附着性强，并且没有缺陷的光刻胶薄膜。涂胶作为光刻工艺的第一步，涂胶的好坏直接决定了之后光刻能否正常进行。涂胶前的Si片是需要处理的以便于光刻胶能更好的附着在上面。由于光刻胶的疏水性，所以Si片首先需要脱水烘培去除水分。然后使用HMDS(六甲基乙硅氮烷)或TMSDEA(三甲基甲硅烷基二乙胺)作增粘处理。对涂胶的要
8、求：粘附良好，均匀，薄厚适当。若胶膜太薄，则会导致针孔多，抗腐蚀性差；若太厚，则分辨率低。涂胶的方式有：浸涂，喷涂，旋涂。其中旋胶工艺步骤：将光刻胶溶液喷洒到硅片表面上；加速旋转托盘（硅片），直至达到需要的旋转速度；达到所需的旋转速度后，保持一定时间的旋转（甩胶）。光刻工艺中一般采用旋胶，旋转涂胶工艺的示意图如下：2.前烘（Soft bake） 由于在液态的光刻胶溶剂的成份占65%85%，甩胶后光刻胶变成固态薄膜但仍含有10%30%的溶剂，容易粘污灰尘。所以涂胶以后的硅片，需要在一定的温度下进行烘烤，一步骤称为前烘。而前烘的目的是促进胶膜内溶剂充分挥发，使胶膜干燥；增加胶膜与SiO2(Al膜等
9、)的粘附性及耐磨性。另外光刻胶的显影速度受光刻胶中溶剂含量的影响。如果溶剂含量过高，显影时光刻胶的溶解速度就比较快，容易导致浮胶，图形也易变形；但是，并不是要去除光刻胶中的所有溶剂，光刻胶中需要剩余一定的溶剂，以便于使感光剂重氮醌转变为羧酸。这就要求前烘的时间和温度都需要严格地控制。 如果前烘温度太低，或时间过短，除了光刻胶层与硅片表面的黏附性变差之外，曝光的精确度也会因为光刻胶中的溶剂的含量过高而变差。另外，显影时也易浮胶，图形易变形。如果温度过高，时间过长，光刻胶层黏附性也会因为光刻胶变脆而降低。而且，过高的烘培温度会使光刻胶中的感光剂发反应，这会使光刻胶在曝光时的敏感度变差，增感剂挥发，
10、导致显不出图形。前烘的方式一般有：烘箱对流加热，红外线辐射加热，热板传导加热。在ULSI工艺中，常用的前烘方法是真空热平板烘烤。这种方法方便控制温度，还可以保证加热均匀。平板烘烤还可以解决光刻胶表面粗糙的问题。3.曝光（Exposure）光刻胶在经过前烘之后，原来为液态的光刻胶在硅片表面上固化，这样就可以进行曝光。曝光方式有接触式，接近式和投影式。接触式硅片与光刻版紧密接触，光衍射效应小，分辨率高，但对准困难，易摩擦，是光刻版图形变形，光刻版寿命短且成品率低。接近式硅片与光刻版保持550m间距，光刻版不易损坏，光衍射效应严重，分辨率低，线宽大于3m。投影式曝光利用光学系统，将光刻版的图形投影在
11、硅片上，光刻版不受损伤，对准精度也高，但光学系统复杂，对物镜成像要求高，一般用于3m以下光刻。目前常见的曝光有光学曝光（紫外、深紫外），X射线曝光，电子束直写式曝光。 投影式曝光分类： 扫描投影曝光（Scanning projection exposure）,70年代末80年代初，大于1m工艺；掩膜版1：1全尺寸。步进重复投影曝光（Stepping-repeating projection exposure）,80年代末90年代，0.35m0.25m（DUV）。掩膜版缩小比例（4：1），棱镜系统的制作难度增加。扫描步进投影曝光（Scanning stepper projection expos
12、ure），90年代末至今，用于小于0.18m工艺，增大了每次曝光的视场，提供硅片表面不平整的补偿，提高了整个硅片的尺寸均匀性；但同时需要反向运动，增加了机械系统的精度要求。需要注意的是在进行曝光时会发生驻波效应，导致曝光的线宽发生变化。为了减弱驻波效应往往在光刻工艺中使用抗反射涂层（ARC）工艺。利用ARC吸收折射进入ARC的光线，以及根据曝光所使用的波长使ARC与折射进入ARC的光波相匹配，可以降低ARC反射到光刻胶中的光线强度。ARC的制作方法一般有物理气相淀积（PVD）和化学气相淀积（CVD）.4.显影（Development） 曝光之后需要进行后烘，短时间的后烘可以促进光刻胶的关键化学
13、反应，提高光刻胶的粘附性并减少驻波，然后就可以进行显影。显影是将未感光的负胶或感光的正胶溶解去除，显现出所需的图形。正胶显影液是含水的碱性显影液，如KOH、TMAH（四甲基氢氧化胺水溶液）等。负胶显影液是一种有机溶剂，如丙酮、甲苯等。进行显影的方式有很多种，如：浸入式显影，混凝显影，喷洒显影等。目前应用最广泛的是喷洒方法。这种显影可分为三步：硅片被置于旋转台上，并且在硅片表面上喷洒显影液；然后硅片将在静止的状态下进行显影；显影完成后，需要经过漂洗，之后在旋干。漂洗和旋干是为了去除残留在硅片上的显影液。喷洒显影的优点是它可以满足工艺流水线的要求，提高生产效率。显影之后，一般要通过光学显微镜，扫描
14、电子显微镜或者激光系统来进行显影检验；目的是区分哪些有很低可能性通过最终掩膜检验的晶圆，提供工艺性能和工艺控制数据，以及分拣出需要重做的晶圆。而影响显影效果的因素主要有：曝光时间，前烘的温度与时间，胶膜的厚度，显影液的浓度以及显影液的温度等。显影时间太短，可能留下光刻胶薄膜层，从而阻挡腐蚀二氧化硅或金属，形成氧化层“小岛”。时间太短，光刻胶软化、膨胀、钻溶、浮胶，导致图形边缘破坏。5.坚膜（Hard Bake） 硅片在经过显影之后，需要经历一个高温处理过程，简称坚膜。坚膜的主要作用是去除光刻胶中剩余的溶剂，增强光刻胶对硅片表面的附着力，同时提高光刻胶在刻蚀和离子注入过程中的抗蚀性和保护能力。通
15、常坚膜的温度要高于前烘和曝光后烘烤温度，也称为光刻胶的玻璃态转变温度。坚膜的方法有：（1）恒温烘箱法（180200，30min左右）；（2）红外灯照射（照射10min，距离6cm）。如果坚膜不足，则腐蚀时易浮胶，易侧蚀；如果坚膜过度，则胶膜热膨胀导致翘曲，剥落，腐蚀时易浮胶或钻蚀。若温度超过300，则光刻胶分解，失去抗腐蚀能力。在坚膜之后还需要对光刻胶进行光学稳定，光刻胶的光学稳定是通过紫外光辐照和加热来完成的。通过光学稳定，使光刻胶在干法刻蚀过程中的抗腐蚀性得到增强，进而提高刻蚀工艺的选择性；而且还可以减少在注入过程中从光刻胶中逸出的气体，防止在光刻胶层中形成气泡。6.刻蚀(Etching)
16、 在微电子制造工艺中，光刻图形必须最终转移到光刻胶下面组成器件的各薄膜层上，这种图形的转移是采用刻蚀工艺完成的，经过刻蚀的图形就永久留在晶圆的表层。刻蚀工艺分为两大类：湿法和干法刻蚀。无论哪一种方法，其目的都是将光刻掩模版上的图形精确地转移到晶圆表面。同时要求一致性、边缘轮廓控制、选择性、洁净度都符合要求。 湿法刻蚀具有各向同性腐蚀的特点，工艺简单，腐蚀选择性好；但钻蚀严重（各向异性差），难于获得精细图形，且刻蚀3m以上的线条，所以现在一般不采用湿法刻蚀。Si的湿法刻蚀：Si+HNO3+HFH2SiF6+HNO2+H2O+H2 现代光刻技术最常用的刻蚀工艺为干法刻蚀，其各向异性腐蚀强，分辨率高
17、，能刻蚀3m以下线条。干法刻蚀有三种类型，分别为：（1） 等离子体刻蚀：化学性刻蚀；刻蚀气体经辉光放电后，成为具有强化学活性的离子及游离基等离子体。等离子体活性基团与被刻蚀材料发生化学反应。选择性好，各向异性差。所用的刻蚀气体有：CF4、BCl3、CCl4、CHCl3、SF6等。（2） 溅射刻蚀：纯物理刻蚀；等离子体轰击被刻蚀的材料，使其被撞原子飞溅出来，形成刻蚀。其各向异性好，选择性差；刻蚀气体为惰性气体。（3） 反应离子刻蚀（RIE）:结合（1）、（2）；各向异性和选择性兼顾；刻蚀气体与等离子体刻蚀相同。Si的干法刻蚀：Si+FSiF4SiO2的干法刻蚀:SiO2+FSiF4+O2 CF3
18、+SiO2SiF4+CO+CO2SiN4的干法刻蚀：SiN4+FSiF4+N27. 去胶(Strip Photoresist) 经过刻蚀或离子注入之后，已经不再需要光刻胶做保护层，因此可以将光刻胶从硅表面除去，这一步骤称为去胶。去胶的方法包括湿法去胶和干法去胶。在湿法去胶中又分为有机溶液去胶和无机溶液去胶。有机溶液去胶是使用与光刻胶互溶的丙酮和芳香族的有机溶剂，达到去胶目的。无极溶液去胶的原理是利用光刻胶本身也是有机物的特点，通过可以把光刻胶从硅片的表面除去。不过由于无机溶液会腐蚀Al，因此去除Al上的光刻胶必须使用有机溶剂。干法去胶则是用等离子体将光刻胶去除。相对而言，干法去胶的效果要好于湿
19、法去胶，但干法去胶存在反应残留物的玷污问题，因此干法、湿法去胶经常搭配使用。光刻是通过化学反应，将光刻版上的图形转移到光刻胶上，在经刻蚀将光刻胶上的图形转移到硅表面的薄膜上。光刻要求硅片表面上存在的图案与掩膜版上的图形准确对准。随着芯片集成度的提高，对光刻技术提出了越来越高的要求，即对光刻工艺流程的每一步都有更高的要求。每一个流程的进步都对光刻技术有很大影响。参考文献【1】关旭东.硅集成电路工艺基础.北京大学出版社，2003【2】刘红侠，戴显英，毛维.集成电路制造技术PPT【3】庄同曾.集成电路制造工艺.北京：电子工业出版社，2005【4】庄同曾.集成电路制造技术原理与实践.北京：电子工业出版社，1992【5】百度文库.光刻与刻蚀工艺PPT，09.2011 【6】百度文库.光刻过程图片解说PPT，06.2010【7】王瑗 . 刻蚀工艺与设备培训PDF，05.2009