半导体行业-光刻工艺(四)

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来源FindRF
 
对于先进的光刻技术,上述三个基本过程相同,但为了提高光刻分辨率,增加了一些其他过程。晶圆轨道对准整合系统广泛用于提高工艺的成品率和产量。由于所有的涂敷光刻胶、烘烤/冷却、曝光和显影过程都是在晶圆轨道对准系统中进行的,所以硬烘烤后才进行图形检查。下图为光刻工艺的流程图,下下图显示了先进的光刻技术在晶圆表面上的工艺流程。
 
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晶圆清洗
 
晶圆在光刻之前已经通过了一些工艺流程,如刻蚀、离子注入和热处理、氧化、CVD、PVD和等。晶圆上可能会有一些有机污染物(来自光刻胶、刻蚀的副产品、细菌或操作入员的皮屑)和无机污染物,如存储容器上的粒子和残余物、不适当的晶圆处理,或环境中的材料(如灰尘和移动离子)。进行光刻之前必须先清洗晶圆,除去这些污染物。即使晶圆上没有污染物,这样的清洗也可以帮助光刻胶在晶圆表面上有较好的附着力。
 
化学清洗是清洗晶圆的一种标准方法,使用溶剂和酸液分别清除有机和无机污染残留物。清洗后通常接着进行超纯水(DIWater)洗涤和甩干过程(见下图)。
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之前使用的其他方法包括干空气或氮气吹干、高压蒸气吹干、氧等离子体灰化和机械擦拭,有些工厂可能还使用这些方法。随着图形尺寸的缩小,污染粒子的尺寸也在缩小。这些方法对于去除较大粒子可能有用,但却无法去除晶圆表面上的微小粒子,甚至还可能增加更多的污染粒子。
 
晶圆表面的粒子会在光刻胶上造成针孔,有机和无机污染物都可能造成光刻胶附着问题以及元器件和电路的缺陷。因此为了确保成品率,进行光刻之前先将污染物减到最低或完全去除非常重要。
 
预处理过程
 
光刻胶预处理包括两个阶段,一般在预处理反应室的封闭室内进行。
 
第一步是加热过程,可以去除吸附在晶圆表面上的湿气,称为脱水烘烤或预烘烤。为了使光刻胶能在晶圆表面上附着,必须使用干净且已脱水的晶圆表面。较差的附着会导致光刻胶的图形化失效,而且将在后续的刻蚀工艺中造成底切。大部分情况下,晶圆将在150℃~200℃的热平板上烘烤1-2分钟烘烤的温度和时间对工艺很关键。如果烘烤的温度太低或时间太短,表面脱水不足就会引起光刻胶附着问题。如果烘烤的温度过高将会引起底漆层分解而形成污染,且影响光刻胶的附着。
 
第二步称为底漆层涂敷沉积过程。在这个工艺过程中,底漆层在光刻胶涂敷之前就已经涂敷在晶圆的表面上,这层薄膜使晶圆表面的有机光刻胶和无机硅或硅化物品圆表面的附着力增强。六甲基二戊烷(Hexamethyldisllazane,HMDS,(CH3)3SiNHSi(CH3)3)是集成电路光刻技术中最常使用的底漆层。对于先进的光刻技术,HMDS将通过蒸发进入预处理反应室,然后在预烘烤过程中沉积于晶圆表面。底漆层涂敷后立即涂上光刻胶以防止水合作用。
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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)。