半导体行业-光刻工艺(十)

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来源 FindRF
 
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。
 
为了进一步改进图像转移的分辨率,工程师将扫描投影式曝光机和步进机技术结合,发展出步进扫描系统,这种系统目前被广泛用于深业微米集成电路的制造。
 
因为对光学、机械和电子系统的高精密度要求,步进机在半导体生产中通常是最昂贵的单机制造工具。例如,对于300mm的晶圆,193nm扫描式曝光系统售价高达3000万-4000万美元。许多应用于亚微米半导体制造的光刻胶,当软烘烤完成时就必须尽快曝光,否则曝光的分辨率就可能因为光刻胶内的感光剂产生衰退而受到影响。因此在大部分生产中,步进机与晶圆轨道系统内的涂敷机和显影机整合成一体。
 
曝光光源
 
光学光刻技术的曝光过程与相机底片的曝光类似。一张在阳光下拍摄的照片比一张在烛光下拍摄的照片需要较少的曝光时间,而且也能获得较高的分辨率。因此高强度的光源有利于获得高分辨率和高生产量。用来使光刻胶曝光的紫外线光源的波长是光学光刻技术中关键的因素。因为光刻胶只对紫外线部分的波长敏感,通常根据光刻胶的感光度和芯片关键图形尺寸选择曝光的波长,波长越短,图形化的分辨率就越高。当图形尺寸缩小时,缩短曝光的波长能满足图形化分辨率的要求。有两种光源被广泛使用在光刻技术中:水银灯管和准分子激光。曝光的光源必须稳定、可靠、可调整,且波长短、强度高、寿命长。
 
如果图形尺寸大于2um,频率较宽的(多重波长)水银灯管就可以作为接触式/接近式和投影式曝光机的光源。当图形尺寸缩小时,必须用单一波长的光源才能达到分辨率的要求。20世纪80年代与90年代,在亚微米光学光刻技术中,高压水银灯管曾经是投影式系统和步进机最常使用的紫外线光源。水银紫外线灯管的光谱波长如下图所示。G光线(G-line)与I光线(I-line)最常用于0.5um图形和0.35um图形的光学曝光,这些系统仍然用于先进集成电路制造的后端工艺,其分辨率能满足要求。
 
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最小图形尺寸为0.25-0.18um的光刻技术必须使用更知波长的光源。对于步进机,波长为248的氟化氪(KrF)准分子深紫外线(DUV)激光最常用于0.25um曝光技术的光源,它能图形化小至0.13um的图形。使用波长为193nm的氟化氩(ArF)准分子激光步进机,可以在集成电路生产中用于图形化0.18-22um的图形。由于193nm浸人式曝光技术的发展,157的氟(F2)准分子激光的研发已经无疾而终。最常使用的半导体光刻曝光光源列于下表中。
 
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半导体行业-光刻工艺(十一)

曝光取决于光的强度和曝光时间。全部的曝光光流量是强度与曝光时间的乘积,这与照相机的曝光类似。

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。