半导体光刻工艺

旋转涂布

旋转涂布

PR suck back

PR dispenser nozzle Wafer Chuck Spindle

PR suck back

PR dispenser nozzle Wafer Chuck Spindle

To vacuum pump

To vacuum pump

旋转涂布

去边 (EBR)

• 光刻胶扩散到硅片的边缘和背面 • 在机械搬送过程中光刻胶可能回剥落 成为微粒 • 正面和背面去边 EBR • 正面光学去边 EBR

PR suck back

PR dispenser nozzle Wafer Chuck Spindle

To vacuum pump

去边（EBR）

• 光刻胶扩散 到硅片的边 缘和背面 • 在机械搬送 过程中光刻 胶可能回剥 落成为微粒 • 正面和背面 去边 EBR • 正面光学去 边 EBR

EBR： Edge Bead Removal Solvent

去边

Wafer Chuck Spindle To vacuum pump

Solvent

Wafer Chuck Spindle To vacuum pump

匀胶后烘前的硅片

光学去边

Photoresist Wafer

Wafer

Spindle

Chuck

Chuck Spindle To vacuum pump

• 对准和曝光后 • 硅片边缘曝光 (WEE) • 显影使曝光过的光刻胶溶解

显影

Edge PR removed Patterned photoresist Wafer

匀胶后烘

• 使光刻胶中的大部分溶剂蒸发。 • 溶剂帮助得到薄的光刻胶膜但是吸收光并且 影响黏附性 • 曝光后烘时间和温度取决于工艺条件 • 过烘: 聚合, 光敏性降低 • 后烘不足: 影响黏附性和曝光

Chuck Spindle

To vacuum pump

烘烤系统

Wafer Heater Heated N 2 Photoresist Chuck Wafer Heater Hot plate Convection oven Vacuum Microwave oven MW Source

热板

Wafers Vacuum

• 广泛应用于工业界 • 背面受热，无表面硬 壳 • 在线轨道系统

Wafer Heater

热板

对流式烘箱 红外线烘箱

微波烘箱

硅片冷却

• • • • 需要冷却到环境温度 硅片在冷却板上冷却 硅的热膨胀率: 2.5×10−6/°C 对于8英寸硅片, 改变1 °C 引起 0.5 微米的 直径差

驻波效应

•入射光和反射光的干涉 •周期性的过曝光和曝光不足 •影响光刻胶的分辨率

驻波强度

Average Intensity Light Intensity Constructive Interference, Overexpose Destructive Interference, Underexpose

驻波对光刻的影响

λ/nPR

Photoresist Substrate Overexposure

Surface of the substrate

Surface the of PR

λ/nPR

Underexposure

曝光后烘

• • • • • • 玻璃转化温度 Tg 烘烤温度大于 Tg 光刻胶分子热迁移 过曝光和曝光不足的光刻胶分子重排 平衡驻波效应, 平滑光刻胶侧壁提高分辨率

曝光后烘（PEB）

• 对于DUV化学增强光刻胶 ,曝光 后烘提供的热是酸的扩散所需要 的。 • PEB 处理后, 曝光区域的光刻胶 出现图形, 这是因为酸扩散后发生 显著的化学变化引起的。

曝光后烘

• PEB 通常使用 110 到 130 °C的热板烘1分 钟 • 对于同一种类的光刻胶, PEB 的温度通常 高于匀胶后烘. • 不充分的PEB 不能完全消除驻波的影响, • 过烘将引起聚合反应影响光刻胶的显影

硅片冷却

• PEB后，显影前，硅片放置在冷却板上冷 却至环境温度 • 高温会加速化学反应引起过显影 • 光刻胶 CD 变小

显影

• • • • • 显影液溶解部分光刻胶 正胶显影液通常使用弱碱性的溶剂 最常用的是四甲基氢铵TMAH ((CH3)4NOH) 将掩膜上的图形转移到光刻胶上 三个基本步骤: 显影－清洗－干燥

Mask PR Film Substrate Exposure PR Film Substrate Development

显影：浸入式

Develop

Rinse

Spin Dry

显影液

正胶 显影 TMAH 负胶 Xylene

显影：旋转式

旋转显影机图示

DI water Wafer Developer

清洗

DI Water

n-Butylacetate

Drain Vacuum

Water sleeve Chuck

光学曝光去边

Light source Light beam Photoresist Wafer Chuck Spindle

光学曝光去边

Light source Light beam Photoresist Wafer Chuck Spindle

Exposed Photoresist

滴注显影液

显影液

Exposed Photoresist

Development solution dispenser nozzle Wafer Chuck Spindle To vacuum pump

Exposed Photoresist Wafer Chuck Spindle To vacuum pump

甩除显影液

Patterned photoresist Wafer Chuck Spindle To vacuum pump

去离子水清洗

DI water dispenser nozzle Wafer Chuck Spindle To vacuum pump

Edge PR removed

甩干

完成

Wafer Chuck Spindle To vacuum pump Spindle

Wafer Chuck

显影形貌

PR Substrate Normal Development PR Substrate Under Development PR Substrate Incomplete Development PR Substrate Over Development

显影后烘

• • • • • 使光刻胶中的溶剂蒸发 提高抗刻蚀和抗离子注入性 提高光刻胶和硅片表面的黏附性 聚合化并稳定光刻胶 光刻胶流动填平针孔

热流动填平针孔

Pinhole PR PR

显影后烘

• • • • • 通常使用热板 也可在图形检查后用烘箱烘 温度: 100 到130 °C 时间大约是 1 到2 分钟 对于相同的光刻胶显影后烘的温度通常高于 匀胶后烘

Substrate

Substrate

显影后烘

• 烘烤不足

– 光刻胶未充分聚合化 – 低抗蚀性 – 低黏附性

光刻胶熔化

• 过烘会引起光刻胶过分熔化而影响分辨 率 PR Substrate Normal Baking PR Substrate Over Baking

• 过烘

– 光刻胶熔化，分辨率变差

图形检查

• 不合格的硅片将被去除光刻胶返工

– 光刻胶的图形是临时性的 – 刻蚀和注入后的图形是永久的.

检查

• 对准精度

– 放大, 缩小, 掩膜旋转, 硅片旋转, X方向漂移, Y方向漂移

• • • •

光刻是可以返工的 刻蚀和注入后不能返工 光学显微镜 扫描电子显微镜 (SEM)

• 关键尺寸 (CD) • 表面缺陷如，刮痕，针孔，污 点，污染物等

关键尺寸

PR Substrate PR Substrate PR Substrate

检查

• 如果硅片检查合格，将会流出光刻模块， 进入下一道工艺 • 刻蚀或离子注入

Good CD

CD Loss

Sloped Edge

轨道-步进系统

• 匀胶，曝光，显影集成在一个系统 • 机械手位于轨道中心 • 提高工艺成品率

硅片进入

热板 匀胶旋转台

步进光刻 机 轨道机械手

显影

热板

轨道

前烘和前处理

Hot Plate Spin Station

匀胶

Hot Plate Spin Station

Stepper Track Robot Track Robot

Stepper

Developer dispenser

Hot Plate

Track

Developer dispenser

Hot Plate

Track

匀胶后烘

Hot Plate Spin Station

对准曝光

Hot Plate Spin Station

Stepper Track Robot Track Robot

Stepper

Developer dispenser

Hot Plate

Track

Developer dispenser

Hot Plate

Track

曝光后烘 (PEB)

Hot Plate Spin Station

显影

Hot Plate Spin Station

Stepper Track Robot Track Robot

Stepper

Developer dispenser

Hot Plate

Track

Developer dispenser

Hot Plate

Track

显影后烘

Hot Plate Spin Station

硅片送出

Hot Plate

Animation

Spin Station

Stepper Track Robot Track Robot

Stepper

Developer dispenser

Hot Plate

Track

Developer dispenser

Hot Plate

Track

光刻图示

前处理腔 硅片 匀胶 冷却板

光刻

1、基本描述和过程 2、光刻胶 3、光刻机 4、光源 5、光刻工艺 6、技术改进和新技术

轨道机械手

步进机

冷却板

显影

热板

硅片运动 方向

未来趋势 技术改进：

1.6 1.4 1.5

Photolithography Maybe photolithography

0.8 0.5 0.35 0.25 0.18 0.13 01 90 04 65 45 07 10 32 22 14

• 相移掩膜 • OPC • 浸没式光刻

Feature Size (mm)

1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 84

1.0

Next Generation Lithography

88

90

93

95

98 Year

相移掩膜－1

Normal Mask Phase shift coating Total Light Intensity Phase Shift Mask Constructive Interference Total Light Intensity Destructive Interference PR Substrate Final Pattern PR Substrate Designed Pattern Substrate Designed Pattern PR

相移掩膜－2

Chrome pattern d nf Quartz substrate Phase shift coating

PR Substrate Final Pattern

d(nf − 1) = λ/2 nf : Refractive index of phase shift coating

相移掩膜－3

Chrome pattern d Quartz substrate Phase-shifting etch ng

Photolithography- OPC

• Optical Proximity Correction (OPC) can be used to compensate somewhat for diffraction effects. • Sharp features are lost because higher spatial frequencies are lost due to diffraction. These effects can be calculated and can be compensated for. This improves the resolution by decreasing k1.

d(ng − 1) = λ/2 ng: refractive index of the quartz substrate

浸没式光刻

• 是目前领域最有趣的问题 • 非常有前景 • 193 nm浸没式光刻技术已在 2006年投入 使用 • 模拟结果显示 193-nm浸没式光刻可曝相 互 22-nm half-pitch 线条 • 永远的光学!

浸没式原理

R = k1

• 分辨率: • • • •

λ

n NA

k1 系统常数, λ 是波长, NA 数值孔径 n 是物镜和硅片之间的材料的折射率 nwater = 1.46 在193 nm 时 nair ~ 1 利用水提高分辨率!

193 nm浸没式

• ArF分辨率:

NA 0.465 0.575 0.675 0.825 ½-pitch 90nm 65nm 45nm 32nm Gate-CD 60nm 45nm 25nm 18nm DOF 300nm 200nm 150nm 100nm

浸没式实现方法

• 喷淋vs浸泡 • 三个主要的光刻机生产商的主 要研发方向都是喷淋系统 • 在透镜和硅片之间有水 • 大约1 mm的间距 • 大约100 mm 的直径

浸没式实现方法

浸没式光刻

Exposure Field

Water Wafer

浸没式光刻

Exposure Field Exposed Field

浸没式光刻

Exposure Field Exposed Field

Water Wafer

Water Wafer

浸没式光刻 下一代技术（NGL）：

Exposure Field Exposed Field

超UV (EVU)， λ=10~14 纳米 X-ray (?), λ

Water Wafer

EUV

• λ = 10 -14 nm，更高的分辨率 • 材料的强烈吸收，其光学系统必须采用 反射形式 • 22 nm 和以下 • 计划应用于 ~ 2012 ?也许无法实现

Mask

X-ray 光刻

Beryllium

Wafer Mirror 2 Mirror 1

• λ

X-ray Gold

Photoresist Substrate

光学掩模和X-ray掩模

Glass

电子束光刻（EBL）

λ ~ 0.004 nm • 用于光掩膜的制造 • 已得到的最小几何尺寸: 0.014 μm • 可直接复制图形, 不需要掩膜

– 低产出

Beryllium Gold

Chromium 光学掩膜

X-ray 掩膜

离子束（IBL）光刻

λ小于0.0001纳米 • 能得到更高的分辨率

– 直接曝光（与EBL类似） – 直接离子注入和离子轰击刻蚀，减少工艺步 骤

安全

• • • • 化学的 机械的 电的 放射性

• • • •

效率低 几乎不可能用于大生产 可用于掩膜的修复 IC 器件缺陷的检查和修复

化学制品安全

• 湿法清洗 – 硫酸 (H2SO4): 强腐蚀性 – 双氧水 (H2O2): 强氧化剂 • 二甲苯 (负胶溶剂和显影液): 易燃易爆 • HMDS (前处理):易燃易爆 • TMAH （正胶显影溶剂): 有毒，有腐蚀性

化学制品安全

• 汞 (Hg, UV lamp) 蒸气

– 高毒性;

• 氯 (Cl2,受激准分子激光器)

– 有毒，有腐蚀性

• 氟 (F2,受激准分子激光器)

– 有毒，有腐蚀性

机械安全

• 活动部件 • 热表面 • 高压灯 • • • •

电安全

高压供电源 掉电 地面静电荷 标注清晰和锁紧