光刻培训课件.ppt

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,光刻工艺技术培训,微结构国家实验室微加工中心,二一二年三月,光刻培训流程,理论培训,上机培训,上机实习,光刻基本知识,基本工艺流程及常见问题,目 录,光学基础：,1.,光的反射：光射到任何表面时都会发生反射。在曝光时，入射光可能会在衬底表面发生反射，使不希望衬曝光的光刻胶被曝光，从而造成图形复制的偏差。如反射过强，需要用抗反射涂层来改善。,2.,光的折射：光通过一种透明介质进入到另入到另一种透明介质的时候，发生方向的改变3.,光的衍射：光在传播过程中遇到障碍物（小孔或者轮廓分明的边缘）时，会发生光传播路线的改变。曝光的时候，掩膜板上有尺寸很小的图形而且间距很窄。衍射会使光部分发散，导致光刻胶上不需要曝光的区域被曝光。衍射现象会造成分辨率的下降。,光刻基本知识,4.,光的干涉：波的本质是正弦曲线，任何形式的正弦波只要具有相同的频率就能相互干涉，即相长相消：相位相同，彼此相长；相位不同，彼此相消。在曝光的过程中，反射光与折射光往往会发生干涉，从而降低了图形特征复制的分辨率。,5.,调制传输函数（,MTF,Modulation Transfer Function,）。用于定义明暗对比度的参数。即分辨掩膜板上明暗图形的能力，与光线的衍射效应密切相关。,MTF=(Imax-Imin)/(Imax+Imin),，好的调制传输函数，就会得到更加陡直的光刻胶显影图形，即有高的分辨率。临界调制传输函数（,CMTF,Critical Modulation Transfer Function,）。主要表征光刻胶本身曝光对比度的参数。即光刻胶分辨透射光线明暗的能力。一般来说光路系统的调制传输函数必须大于光刻胶的临界调制传输函数，即,MTFCMTF,。,光刻基本知识,光刻基本知识,6.,数值孔径（,NA,Numerical Aperture,）。透镜收集衍射光（聚光）的能力。一般来说,NA,大小为,0.5,0.85,。提高数值孔径的方法：提高介质折射率,n,，采用水代替空气；增大透镜的半径；,7.,分辨率（,Resolution,）。区分临近最小尺寸图形的能力。提高分辨率的方法：减小光源的波长、采用高分辨率的光刻胶、增大透镜半径、采用高折射率的介质，即采用浸入式光刻技术、优化光学棱镜系统以提高,k,（,0.4-0.7,）值（,k,是标志工艺水平的参数）；,8.,焦深（,DOF,，,Depth of Focus,）。表示焦点周围的范围，在该范围内图像连续地保持清晰。焦深是焦点上面和下面的范围，焦深应该穿越整个光刻胶层的上下表面，这样才能够保证光刻胶完全曝光。增大焦深的方法：增大光源的波长、采用小的数值孔径、利用,CMP,进行表面平坦化。由于前两种方法会降低分辨率，而分辨率是芯片制造所努力提升的重要参数，因此我们需要在看上去相互矛盾的两个方面做出某种平衡。一般在保证基本的焦深要求下不降低分辨率，即以分辨率为主。所以，现在一般采用,CMP,平坦化技术保证足够的焦深。,掩膜板/光罩,1、掩膜板的分类：,(1)光掩膜板（Photo Mask）包含了整个衬底片的芯片图形特征，进行1：1 图形复制。该掩膜板用于接近式光刻和扫描对准投影机中;,(2)投影掩膜板（Reticle）。只包含衬底片上的一部分图形（例如四个芯片），一般为缩小比例（一般为4：1）。需要步进重复来完成整个硅片的图形复制。,投影掩膜板的优点：投影掩膜板的特征尺寸较大（4），掩膜板制造更加容易；掩膜板上的缺陷会缩小转移到硅片上，对图形复制的危害减小；使曝光的均匀度提高。,LED光刻版,光刻胶,光刻胶是一种有机化合物，受紫外曝光后，在显影溶液中的溶解度会发生变化。晶片制造中所用的光刻胶通常以液态涂在硅片表面，而后被干燥成胶膜。,光刻基本知识,5.,粘附性（,Adherence,）：表征光刻胶粘着于衬底的强度。光刻胶的粘附性不足会导致硅片表面的图形变形。光刻胶的粘附性必须经受住后续工艺（刻蚀、离子注入等）。,6.,抗蚀性（,Anti-etching,）。光刻胶必须保持它的粘附性，在后续的刻蚀工序中保护衬底表面。耐热稳定性、抗刻蚀能力和抗离子轰击能力。,7.,表面张力（,Surface Tension,）。液体中将表面分子拉向液体主体内的分子间吸引力。光刻胶应该具有比较小的表面张力，使光刻胶具有良好的流动性和覆盖。,8.,存储和传送（,Storage and Transmission,）。能量（光和热）可以激活光刻胶。应该存储在密闭、低温、不透光的盒中。同时必须规定光刻胶的闲置期限和存贮温度环境。一旦超过存储时间或较高的温度范围，负胶会发生交联，正胶会发生感光延迟。,光刻机的光源：,光刻是光源发出的光通过掩膜板和透镜系统照射到光刻胶的特定部分并使之曝光，以实现图形的复制和转移。波长越小、得到的图形分辨率越高。曝光光源的另外一个重要参数就是光的强度。光强定义为单位面积上的功率（mW/cm2），该光强应在光刻胶表面测量。光强也可以被定义为能量：单位面积上的光亮或亮度。曝光能量（剂量）曝光强度曝光时间，单位：毫焦每平方厘米（mJ/cm2）。,常见光源有：汞灯和准分子激光。另外，在先进或某些特殊场合也会用到其他曝光手段，如X 射线、电子束和粒子束等。,汞灯（Mercury Lamp）：波长处于240nm500nm 之间的紫外辐射光谱，在使用汞灯作光源时，需要利用一套滤波器去除不需要的波长和红外波长。主要波长为：I线（365nm）、H线（405nm）和G线（436nm），关键尺寸在0.35m及其以上。,准分子激光（Excimer Laser）：常见的准分子激光光源为248nm 的KrF（用于关键尺寸大于0.13m 的图形）和193nm的ArF（用于关键尺寸大于0.08m 的图形）。,光刻基本工艺流程,旋转涂胶,对准和曝光,显影,清洗,衬底清洗烘干（Cleaning and Pre-Baking）,方法：湿法清洗去离子水冲洗脱水烘焙（热板150-250,1-2分钟，必要时氮气保护）,目的：a、除去表面的污染物（颗粒、有机物、工艺残余、可动离子）；b、除去水蒸气，使基底表面由亲水性变为疏水性。,表面处理,晶圆容易吸附潮气到它的表面。光刻胶黏附要求要严格的干燥表面，所以在涂胶之前要进行脱水烘焙和黏附剂的涂覆。脱水烘焙的温度通常在,140,度到,200,度之间。有时还要用到黏附剂，黏附剂通常使用,HMDS,（六甲基二硅胺脘）。表面处理的主要作用是提高光刻胶与衬底之间的粘附力，使之在显影过程中光刻胶不会被液态显影液渗透。,是否要使用黏附剂要根据图形大小、衬底及光刻胶的种类来决定，,HMDS,可以用浸泡、喷雾和气相方法来涂覆。,滴胶,加速旋转,甩胶,溶剂挥发,旋转涂胶（,Spin-on PR Coating,）,胶膜常见问题,1,表面出现气泡,滴胶时滴管中有气泡,放射状条纹,涂胶前静止时间过长,匀胶机转速或加速度过高,基片或胶中有颗粒,中心漩涡图案,旋涂时间过长,中心圆晕,托盘不合适,胶液未涂满衬底,滴胶量不足,匀胶加速度不合适,针孔,光刻胶里有小颗粒或气泡,基片上有小颗粒,胶膜常见问题,2,如衬底图形台面过高，要考虑到在台面上的光刻胶要薄与实际希望的匀胶厚度（这会影响到后步工艺）,匀胶后在衬底边缘处会形成较厚的边（这会影响到光刻的图形精度）。可在涂胶过程中加入去边及背喷工艺,光表面反射对图形的影响,(,反射切口效应,),前烘（软烘）,目的是蒸发掉胶中的有机溶剂成分，使晶圆表面的胶固化（除去溶剂4-7%，胶厚大约减少,25%,）；增强黏附性；释放光刻胶膜内的应力；防止光刻胶玷污设备；。,AZ 1500 100,C,，,50 s,烘烤过度,:,减小光刻胶中感光成分的活性,前烘不足：,光刻胶中的溶剂不能完全被蒸发掉，这将阻碍光对胶的作用并且影响到其在显影液中的溶解度（如下图）,肌肤效应：,烘烤温度过高，胶表面形成一层“皮肤”，内部的溶剂不易挥发,前烘（软烘）注意事项,对准方法：,a,、预对准，通过硅片上的,notch,或者,flat,进行激光自动对准；,b,、通过对准标志（,Align Mark,），位于切割槽（,Scribe Line,）上。另外层间对准，即套刻精度（,Overlay,），保证图形与硅片上已经存在的图形之间的对准。,曝光中最重要的两个参数是：曝光能量（,Energy,）和焦距（,Focus,）。如果能量和焦距调整不好，就不能得到要求的分辨率和大小的图形。表现为图形的关键尺寸超出要求的范围。,接触式曝光和接近式曝光,接触式：掩模板和覆盖光刻胶的衬底紧密接触分辨率取决于掩模板的尺寸和掩模板边缘的衍射从理论上说可以制造极细小的尺寸。分辨率0.5m。,缺点：光刻胶污染掩膜板；掩膜板的磨损，寿命低（掩模板与衬底接触，对掩模板损伤大）。,接近式：接触式光刻的修正，掩膜板与光刻胶层的略微分开，大约为3-50m。可以避免与光刻胶直接接触而引起的掩膜板损伤。但是同时引入了衍射效应，降低了分辨率，最大分辨率仅为2-4m.,投影式曝光：在掩膜板与光刻胶之间使用透镜聚集光实现,曝光。一般掩膜板的尺寸会以需要转移图形的4倍制作。优点是提高了分辨率；掩膜板的制作更加容易；掩膜板上的缺陷影响减小。可分为,1.扫描投影曝光（Scanning Project Printing）。70 年代末-80 年代初，1m 工艺；掩膜板1：1，全尺寸；,2.步进重复投影曝光（Stepping-repeating Project Printing 或称作Stepper）。80年代末至90年代，0.35m（I line）-0.25m（DUV）。掩膜板缩小比例（4：1），曝光区域（Exposure Field）2222mm（一次曝光所能覆盖的区域）。增加了设备棱镜系统的制作难度。,套刻和对准,后烘,光线照射到光刻胶与晶圆的界面上会产生部分反射。反射光与入射光会叠加形成驻波，后烘会部分消除这种效应。,AZ1500,标准后烘条件：,115,，,50s,显影,用化学显影液将曝光造成的光刻胶的可溶解区域溶解就是光刻胶的显影，其主要目的就是把掩膜版的图形准确复制到光刻胶中。,自动显影,4,英寸衬底,手动显影,AZ1500,标准显影时间：,8 s,标准显影溶液：,ZX-238,注意：完全垂直的光刻胶侧壁非常难制作。正胶通常会有一些轻微的正向倾斜，大约,85-89,，复交有相似的倒的外形轮廓。这是光强通过掩模板后产生的结果。,显影液：,1.正性光刻胶的显影液：正胶的显影液位碱性水溶液。最普通的正胶显影液是四甲基氢氧化铵（TMAH）（标准当量浓度为0.26，温度15250C）。在I线光刻胶曝光中会生成羧酸，TMAH 显影液中的碱与酸中和使曝光的光刻胶溶解于显影液而未曝光的光刻胶没有影响；,2.负性光刻胶的显影液：二甲苯。,显影中的常见问题：,1.显影不完全（Incomplete Development）：表面还残留有光刻胶，可能是显影液不足造成；,2.显影不够（Under Development）：显影的侧壁不垂直，由显影时间不足造成；,3.过度显影（Over Development）。靠近表面的光刻胶被显影液过度溶解，形成台阶。显影时间太长。,坚膜,坚膜就是通过加温烘烤使胶膜更牢固地黏附在晶圆表面，并可以增加胶层的抗刻蚀能力。,能够改善光刻胶的抗刻蚀、注入能力。,改善光刻胶与晶圆表面的黏附性，有利于后续湿法腐蚀工艺。,改善光刻胶中存在的针孔。进一步减少驻波效应。,坚膜常见问题,：,1.烘烤不足（Underbake）：减弱光刻胶的强度（抗刻蚀能力和离子注入中的阻挡能力）；,2.降低针孔填充能力（Gapfill Capability for the needle hole）：降低与基底的黏附能力。,3.烘烤过度（Overbake）：引起光刻胶的流动，使图形精度降低，分辨率变差。,4.通常会增加将来去胶的难度。,去胶,图形转移加工后，光刻胶已完成它的使命，需要清除掉。,去胶有湿法与干法两种。,湿法：,是用各种酸碱类溶液或有机溶剂将胶层去除掉，最普通的去胶液是丙酮，它可以溶解绝大多数光刻胶干法：,用氧气等离子体刻蚀去胶（强氧化去胶）注意：不能用于带有,Ag,、,Cu,、,ZrO,、,parylene,和聚酰亚胺的基片。,AZ 1500,前烘,100,C,，,50 s,曝光,6 s,后烘,115,，,50s,显影,8 s,注意事项,（,1,）百级超净,提前开启,FFU,系统,（,2,）洗衣间内备有乙醇，用过匀胶机、热板后要清洁，自觉带走垃圾和废液,（,3,）穿连体无尘服,保证环境洁净，带活性炭口罩,做好个人防护,500 rpm,1000 rpm/s,6 s,3000 rpm,1000 rpm/s,40 s,0 rpm,1500 rpm/s,4 s,Q&A,Q,光刻前都要做哪些准备？,A 1,边长,5,寸方形模板（有效曝光面积是直径,4,寸圆形）,2,直径,4,寸以下的衬底,3,镊子、秒表（手动显影）,Q,旋涂机标配的是,4,寸的衬底托盘，要旋涂小样品怎么办？,A,旋涂机下面摆有配件，把配件插在托盘上，就可以适应小样品。,Q,光刻机标配的,4,英寸的衬底托架，如果要曝光小样品，那要注意什么？,A,为了获得最佳曝光效果，要尽量让模板和样品之间保持平行，为此，,MJB4,光刻机设置了,WEC setting,功能，就是为了调节二者的平行度。但如果样品太小，会达不到最好的找平效果。这时，为尽量达到最佳效果，尽量选择较大的衬底，而且尽量放在托架中心位置。,PS,：涂胶时衬底边缘的胶通常会较厚，衬底较小的时候，这部分厚胶会对曝光的影响较大。,模板,衬底,托架,模板,衬底,托架,Q&A,Q MJB4,光刻机的分辨率是,800 nm,，可是为什么我们加工不出这个分辨率的样品？,A,光刻胶微结构的分辨率不仅取决于仪器本身，还取决于使用的光刻胶的分辨率，旋涂、曝光、显影条件的控制，环境因素，个人差异等。为了得到较好的加工效果，建议用这台光刻机加工,2,微米以上的图案。,