半导体器件与工艺-光刻.ppt

第八章光刻光刻工艺是半导体工艺过程中非常重要的一道工序，它是用来在晶圆表面建立图形的工艺过程。这个工艺过程的目标有两个。首先是在晶圆表面建立尽可能接近设计规则中所要求尺寸的图形；第二个目标是在晶圆表面正确定位图形。整个电路图形必须被正确地定位于晶圆表面，电路图形上单独的每一部分之间的相对位置也必须是正确的。最终的图形是用多个掩膜版按照特定的顺序在晶圆表面一层一层叠加建立起来的。因为在光刻工艺过程中的每一步都会有变化，所以对特征图形尺寸和缺陷水平的控制是很难的。光刻操作步骤的数目之多和光刻工艺层的数量之大，可看出光刻工艺在半导体工艺过程中是一个主要的缺陷来源。引言光刻工艺是一种多步骤的图形转移过程。首先是在掩膜版上形成所需要的图形，之后通过光刻工艺把所需要的图形转移到晶圆表面的每一层。
图形转移是通过两步来完成的。首先，图形被转移到光刻胶层。光刻胶是一种感光物质。曝光后会导致它自身性质和结构的变化。光刻胶被曝光的部分由可溶性物质变成了非溶性物质。这种光刻胶类型被称为负胶，这种化学变化称为聚合。通过化学溶剂（显影剂）把可以溶解的部分去掉，在光刻胶层就会留下一个孔，这个孔就是和掩膜版不透光的部分相对应的。第二次图形转移是从光刻胶层到晶圆层。当刻蚀剂把晶圆表面没有被光刻胶盖住的部分去掉的时候，图形转移就发生了。对光有负效应的光刻胶，称为负胶。同样还有对光有正效应的光刻胶，称为正胶。光可以改变正胶的化学结构从不可溶到可溶。对准容差、晶圆表面情况和光刻层数都会影响到特定光刻工艺的难易程度和每一步骤的工艺。许多光刻工艺都被定制成特定的工艺条件。然而，大部分都是基本光刻10步法的变化。我们所举例的这个工艺过程是一个亮场掩膜版和负胶相作用的过程。基本的光刻胶化学基本的光刻胶化学基本的光刻胶化学基本的光刻胶化学正胶和负胶的比较正胶和负胶的比较光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺软烘焙是一种以蒸发掉光刻胶中一部分溶剂为目的的加热过程。软烘焙完成之后，光刻胶还保持一定软度。蒸发溶剂有两个原因。溶剂的主要作用是能够让光刻胶在晶圆表面涂一薄层，在这个作用完成以后，溶剂的存在干扰余下的工艺过程。第一个干扰是在曝光的过程中发生的。光刻胶里面的溶剂会吸收光，进而干扰光敏感聚合物中正常的化学变化。第二个问题是和光刻胶黏结有联系的。软烘焙软烘焙软烘焙软烘焙对准和曝光■对准系统的性能表现
一个对准系统包括两个主要的子系统。一个子系统是要把图形在晶圆表面上准确定位。另一个是曝光子系统，该子系统包括一个曝光光源和一个将辐射光线导向到晶圆表面上的机械装置。最重要的参数要算分辨力（机器产生特定尺寸图形的能力）。除所需图形尺寸的分辨率以外，对准机还必须具有将图形准确定位的能力。这一性能参数叫做对准机的套准能力。这两项指标都必须在整个晶圆上体现，这就是尺寸控制。■对准与曝光系统
直到20世纪70年代中期，可供选择的光刻和曝光设备只有两种：接触式光刻机和接近式光刻机。而今，光刻机已发展到包括光学和非光学两种类型。光学光刻机采用紫外光作为光源，而非光学光刻机的光源则来自电磁光谱的其他部分。为满足减小特征图形尺寸，增加电路密度，以及ULSI时代对产品缺陷的要求，光刻设备不断得以发展。光刻设备接触式光刻系统依赖人操作，并且容易被沾污，因为掩膜版和光刻胶是直接接触的。颗粒沾污损坏了光刻胶层、掩膜版或两者都损坏了，每5次到25次操作就需更换掩膜版。颗粒周围的区域都存在分辨率问题。由于接触式光刻中一块掩膜版在整个硅片上形成图形，对准时整个硅片的偏差又必须在所需容差之内，因此当硅片尺寸增加就有套准精度问题。
接触光刻确实能够在硅片表面形成高分辨率的图形，因为掩膜版图形和硅片非常接近。这种接近减少了图像失真。然而，接触光刻非常依赖于操作者，这就引人了重复性和控制问题。光刻机的分类光刻机的分类光刻机的分类光刻机的分类光刻机的分类光刻机的分类光刻机的分类对准对准偏差为得到所需的图像，使用狭波或单一波长曝光光源，准直平行光，以及对上述距离严格控制的方法都被运用到光刻机中。使用最广泛的曝光光源是高压汞灯，它所产生的光为紫外光（UV〕。为减小特征图形尺寸，起初使用的灯泡和光刻胶不断地发展和改进。为获得更高的清晰度，光刻胶被设计成只与汞灯光谱中很窄一段波长的光反应。这种需求使得在光谱更短波长中使用的灯泡和光刻胶得以发展。光谱中的这一部分称为深紫外区或DUV。其他可以提供波长较短，曝光能量较高的光源还有：准分子激光器，X射线以及电子束。
曝光光源掩膜版显影显影显影湿法显影■混凝显影
混凝显影是用以获得正光刻胶喷射显影工艺优点的一种工艺。工艺开始时，在静止的晶圆表面上覆盖一层显影液。表面张力使显影液在晶圆表面上不会流散到晶圆外。要求显影液在晶圆表面上停留一定的时间，通常是以吸盘加热的晶圆，这