半导体行业-光刻工艺(三)

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来源FindRF
 
对于正胶和负胶,染料是一种常用的添加剂。
 
负胶的显影剂主要是二甲苯,它能溶解未曝光的光刻胶,有些显影溶剂被曝光的交联光刻胶吸收,造成光刻胶“膨胀",从而使图形扭曲,并使分辨率只能达到光刻胶厚度的2到3倍。20世纪80年代以前,最小图形尺寸大于3um,半导体产业普遍使用负胶。由于负胶的分辨率较差,所以先进的半导体生产都已不再使用负胶。正胶不会吸收显影溶剂,所以能获得较高的分辨率,因此现在的半导体工艺广泛使用正胶。下图说明了正、负光刻胶的分辨率。
 
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一个疑问:正胶比负胶能获得更高的分辨率,为什么20世纪80年代之前不使用正胶?
 
答:因为正胶比负胶价格高,因此制造商为了节约成本在20世纪80年代前一直使用负胶。直到最小图形尺寸缩小到3um以下时不得不更换为使用正胶。光刻胶是光刻工艺中最重要的材料,除非绝对必要,否则工程师一般不愿意更换光刻胶。
 
将极小的器件尺寸图形化时必须使用波长较短的光线曝光。光刻技术使用深紫外线(DUV,248nm或193nm)工艺时所用的光刻胶不同于使用水银G线(G-line,436nm)和I线(I-line,365nm)工艺时所需的光刻胶,这是由于深紫外线光源(通常是准分子激光)的强度远低于水银灯的强度。因此对于DUV光刻技术在0.25um和更小图形化应用时,发展了化学增强式光刻胶。这种光刻技术使用催化作用增强光刻胶的有效感光度。当光刻胶受到深紫外线光照射时,光刻胶就生成光酸。曝光后的烘烤(PEB)技术会将晶圆加热,在催化反应中,热将驱使光酸扩散并增强感光度(见下图)。
 
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为了获得完整的图形化转移,光刻胶的分辨率要高、抗刻蚀能力要强、附着力要好。高分辨率是获得完整图形化转移的关键。但是,如果光刻胶没有好的抗刻蚀能力和附着力,很可能使后续的刻蚀或离子注人无法符合工艺的要求。通常情况下,光刻胶薄膜越薄,分辨率就越高。但光刻胶薄膜越薄,抗刻蚀和离子注人的能力也就越低。所以总是在这两个对立的条件中选择平衡。
 
光刻胶的自由度包括光刻胶对不同旋转速率、烘烤温度及曝光量的容许度。工艺的自由度越大,也就越稳定。这是工程师选择光刻胶时需要考虑的重要因素之一。
 
光刻工艺
 
光刻工艺包括三个主要过程:光刻胶涂敷、曝光和显影。为了获得高分辨率,光刻技术也会用到烘烤和冷却。对于旧式纯手动技术,整个光刻技术流程需要八道工序:晶圆清洗、预烘烤和底漆层涂敷、光刻胶自旋涂敷、软烘烤、对准、曝光、曝光后烘烤,以及显影、硬烘烤和图形检测。如果晶圆没有通过检查要求,就必须先跳过硬烘烤把光刻胶去除,再重复之前的流程直到通过检查。
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半导体行业-光刻工艺(十)

对于每一种工艺的第一次光刻,对准过程利用晶圆上的刻痕或平边部分完成,它们设计用来指示晶圆的晶体方向并作为对位标记。步进机通常使用自动激光干涉仪定位系统进行光学式调整和对准。

半导体行业-光刻工艺(九)

最常使用的投影式系统是扫描投影式曝光系统(见下图),该系统利用狭缝阻挡光线,减少光的散射,并且可以改进曝光的分辨率。光线通过透镜聚焦在光刻版上,并将投影式的透镜作为狭缝,让光线重新聚焦在晶圆表面上。光刻版与晶圆同步移动使紫外线扫描整个光刻版,从而使整个晶圆的光刻胶曝光。

半导体行业-光刻工艺(八)

曝光过程和照相机照相过程类似:光刻版或倍缩光刻版上的图形化影像曝光过程在晶圆的光刻胶上进行,与影像曝光在相机内的底片上进行一样。集成电路的光学曝光系统分辨率比照相机高得多,这就是为什么集成电路的光学曝光工具(光刻版对准机或步进机)比最精密的照相机还贵得多的原因。除了要求分辨率外,精确的对准也非常重要。先进的集成电路芯片超过脚道光刻工艺,而每道光刻版或倍缩光刻版需要精确对准预先设计的对位标记,否则将无法成功地将设计图形转移到晶圆表面上,其他的必要条件还包括高的可重复性、高的生产率及低成本。

半导体行业-光刻工艺(七)

光刻胶涂敷后,晶圆再次被加热驱除光刻胶内部的大量溶剂,并将光刻胶从液态转变成固态。软烘烤也可以增强光刻胶在晶圆表面的附着力,某些工厂将这种工艺称为预曝光烘烤。软烘烤后,光刻胶厚度大约收缩10%-20%,而光刻胶也将含有5%-20%的残余溶剂。

半导体行业-光刻工艺(六)

光刻胶涂敷前也可以使用自旋涂敷进行底漆层HMDS沉积。首先在低速自旋转时将液态HMDS施加到晶圆表面涂敷晶圆,然后把自旋转速快速升高到3000~6000转/分钟,用20~30s时间干燥HMDSO对于光刻胶涂敷,底漆层自旋涂敷的优点是一种临场过程,所以在光刻胶涂敷前可以有效避免晶圆表面的再次水合。然而,现在一般都使用蒸气的底漆层涂敷,因为这种方法的底漆层使用HMDS量较少(HMDS是非常昂贵的材料)、有较好的涂敷均匀性并具有较少的微粒状污,而且光刻胶能被湿的HMDS溶解(这与液体的使用有关)。