光刻工艺介绍

光刻工艺介绍

一、定义与简介

光刻是所有四个基本工艺中最关键的，也就是被称为大家熟知的photo，lithography，photomasking, masking, 或microlithography。在晶圆的制造过程中，晶体三极管、二极管、电容、电阻和金属层的各种物理部件在晶圆表面或表层内构成，这些部件是预先做在一块或者数块光罩上，并且结合生成薄膜，通过光刻工艺过程，去除特定部分，最终在晶圆上保留特征图形的部分。

光刻其实就是高科技版本的照相术，只不过是在难以置信的微小尺寸下完成，现在先进的硅12英寸生产线已经做到22nm，我们这条线的目标6英寸砷化镓片上做到0.11um。光刻生产的目标是根据电路设计的要求，生成尺寸精确的特征图形，并且在晶圆表面的位置正确且与其它部件的关联正确。

二、光刻工艺流程介绍

光刻与照相类似，其工艺流程也类似：

实际上，普通光刻工艺流程包括下面的流程：

1)Substrate Pretreatment 即预处理，目的是改变晶圆表面的性质，

使其能和光刻胶（PR）粘连牢固。主要方法就是涂HMDS，在密闭腔体内晶圆下面加热到120℃，上面用喷入氮气加压的雾状HMDS，使得HMDS和晶圆表面的-OH健发生反应已除去水汽和亲水健结构，反应充分后在23℃冷板上降温。该方法效果远比传统的热板加热除湿好。

2)Spin coat即旋转涂光刻胶，用旋转涂布法能提高光刻胶薄膜的

均匀性与稳定性。光刻胶中主要物质有树脂、溶剂、感光剂和其它添加剂，感光剂在光照下会迅速反应。一般设备的稳定工作最高转速不超过4000rpm，而最好的工作转速在2000～3000rpm。

3)Soft Bake(Pre-bake)即软烘，目的是除去光刻胶中溶剂。一般是

在90℃的热板中完成。

4)Exposure即曝光，这也是光刻工艺中最为重要的一步，就是用

紫外线把光罩上的图形成像到晶圆表面，从而把光罩上面的图形转移到晶圆表面上的光刻胶中。这一步曝光的能量(Dose)和成像焦点偏移(Focus offset)尤为重要.

5)Post Exposure Bake(PEB)即后烘，这是非常重要的一步。在

I-line光刻机中，这一步的目的是消除光阻层侧壁的驻波效应，

使侧壁平整竖直；而在DUV光刻机中这一步的目的则是起化学放大反应，DUV设备曝光时，光刻胶不会完全反应，只是产生部分反应生成少量H+离子，而在这一步烘烤中H+离子起到类似催化剂的作用，使感光区光刻胶完全反应。这一步主要控制的也是温度与时间，而对于温度的均匀性要求也非常高，通常DUV的光阻要求热板内温度偏差小于0.3℃。

6)Develop即显影，就是把光刻胶光照后的可溶部分除去，留下想

要的图形。光刻胶有正胶和负胶两种，正胶就是光照部分可溶于显影液，而负胶就是未光照部分可溶。一般来说正胶可以得到更高的分辨率，而负胶则更耐腐蚀。显影和清洗都在显影槽中完成，每一步的转速和时间都至为重要，对最后图形的均匀性和质量影响很大。

有的光刻工艺在显影完成后还有一步hard bake即硬烘来除去光刻胶在显影槽中清洗而残留的水分。而有的工艺流程中，在光刻下一工序前会有一道坚膜来除去水分，hard bake就可以不要了。

7)显影完成后光刻工艺应该算基本完成，不过在将产品送到下一工

序前我们还是需要验证确认光刻工艺质量，不合格的产品可以除去光刻胶来返工。显影后检查首先就是ADI（Afer Develop

Inspection）,也就是在显微镜下检查晶圆表面有无异常。光刻中常见的问题有失焦(defocus),图形倒塌(peeling), 异常颗粒

(particle)，刮伤等等。

8)CD measurement即线宽测量，目的是检查光刻得到的线宽是不

是符合设计的要求，同时要检查整片晶圆上线宽的均匀性。

9)Overlay即套刻精度测量，现在IC部件都是很多层光罩套刻累加

形成的，不同层之间需要对准，而Overlay就是专门测量不同层

之间对准精度的。

三、光刻设备介绍

在以上的工序中ADI，CD和OVL都有专门的量测设备，Exposure 是在光刻机中完成，而Pretreatment, Spin coater，Soft bake, PEB 和Develop都是在track设备中完成的，为了提高效率，track和光刻机通常是集成在一起的。在我们采购的ASML 光刻机和TEL track 都是自动化相当高的设备，手动条件下也只需要放上要做的产品片盒后选好程序就行，而自动条件下只要放上片盒，自动化系统会自行选择要用的程序。一般情况下ASML光刻机的产能可以做到每小时

60~90片。

就Track而言，目前高端市场占有率最高的是TEL，其次就是DNS，在产能和稳定性方面，TEL占有较大优势。不管是DNS还是TEL，其设备都是把spin coat, Develop, 热板，冷板以及洗边的模块堆叠起来，通过中间的机械手来传送晶圆。

就Scanner而言，目前在高端市场上，ASML在分辨率，稳定性和产能方面都占有绝对优势，将其竞争者（Nikon，Canon）远远甩在后面。ASML光刻机是一个非常负责的系统，一般来说包括以下几

个子系统：

1)晶圆处理系统(wafer handling)，就是晶圆传送和预对准系统，

通过CCD侦测晶圆边缘的预对准精度能达到40微米以下。

2)光罩处理系统（(reticle handling)，就是光罩传送和预对准系统。

3)对准系统(Alignment), 就是做晶圆和载片台（wafer stage）间

对准，载片台和光罩之间对准，载片台和光罩载物台间对准。

ASML设备有不同的对准光源，主要是He-Ne激光和曝光用紫

外线。单就设备能力而言，光刻后图形的对准精度一般可以做

到特征线宽的1/10左右，例如I-line stepper 100B的特征线宽

可以做到0.5um，设备对准精度就可以做到0.05um。

4)成像系统（Imaging），光刻机成像系统包括光源，光罩，投

影镜头组。由于现在工艺的发展，线宽越来越小，即便是紫外

线在通过光罩时，也会发生衍射，而投影镜就是收集衍射后的

光线并用凹凸镜成像。一般stepper（步进式光刻机）成像都

是光罩的1/5，而scanner则是1/4.

5)找平系统（Leveling）,光刻机成像系统包括光源，光罩，投影

镜头组，载片台和晶圆，其中任何一个有微小偏差，都会导致

成像面和晶圆不在一个平面上。leveling系统就是在曝光前测

量晶圆表面与成像面是否平行，从而在曝光时可以调整载片台的表面，使晶圆表面与成像面平行，得到最佳的光刻图形。

Leveling系统的侦测与调整都是在ppm或um的数量级内进行的。

6)照明系统（Illumination），就是把光源发出的光传送到光罩表

面的系统，在传送的过程中要滤波长与要求不符和的（I-line波长365nm，DUV KrF是248nm，而ArF则是193nm），并且要使光束达到均匀一致，光束的大小也要符合曝光区域的要求。

通常ASML光束不均匀性可以做到1.5%以下，而曝光范围精

度可以控制在100um以下。

7)环境控制系统（C&T），主要分成温度控制和洁净度两部分。

温度控制主要通过循环冷却水和热交换机来实现，而洁净度由downflow鼓入干净空气和向外的强排风来实现。光刻机内部可以达到class 1的环境。

四、光刻参数介绍

光刻工艺中重要的参数很多，例如数值孔径（NA），空间相干系数（Sigma），能量（dose）,焦点偏移（Focus offset），对准偏差补值（OVL offset），曝光平面旋转等等，其中最为重要的就是NA。下面是光刻工艺中最为重要的两个公式：

λ是指曝光所用光源的波长

Resolution就是分辨率，也就是我们表征光刻机能力最重要的一个参数，分辨率越小表明设备能做到的线宽越小，设备越先进；DOF即景深，是有效成像对应的Focus范围，也是表征设备性能的重要参数，DOF越大表明设备工艺容忍度越高，设备越先进。而

K1、K2是两个与系统相关的系数，由这两个公式我们可以看到λ与resolution成正比，由此光刻机曝光光源由紫外线像深紫外线发展，目前最先进的是ArF激光产生的193nm光源。而NA则是与分辨率成反比，从下面stepper和scanner的NA发展中就可发现。但是我们在要求分辨率越来越小的同时也希望尽量增加DOF，这要求减小NA增加λ。所以NA的变化不能太大，好在随着光刻胶与光罩技术的发展，对DOF的要求越来越小，I-line光刻机要求的DOF一般在0.6um以上，而ArF光刻机在0.2um就可以了。

NA，Sigma这些参数极为重要，在产品工艺建立初期，我们就需要通过模拟软件算出最佳设定，并通过实验来验证，在以后的工艺维护中不会轻易更改。而验证这些设定方法就是看不同设定下工艺窗口的大小，表征工艺窗口的两个主要指标就是DOF和EL（有效能量范围），工艺窗口越大表明工艺越稳定。后期工艺维护中就在在DOF与EL的范围内来调整focus offset和dose。

OVL补值是和不同层之间对准相关的设定，由于工艺和光罩，晶圆的偏差，我们不一定要求光刻机在对得最好的位置曝光，而是

在一定偏移下曝光才能得到对得最好的图形。OVL补值关系到当层和前层工艺、设备、光刻胶等等条件，比较难控制，一般在OVL要求很高的工艺中，把相关因素都编在一个自动补值的软件中，让软件来自动计算补值才相对准确。如果OVL要求不是特别高，我们在做好不同设备间OVL一致性检查和补值后，通过抽检产品来监控有无异常即可。

五、光刻在GaAs中的应用

光刻工艺在GaAs中的应用会有所不同，一方面有普通意义上的光刻，对光刻胶形成的图形侧壁要求85?以上。光刻在GaAs工艺中另外一个应用就是lift－off，光刻胶要做成倒梯形，在垂直方向长金属后，可以用去胶溶液将光刻胶除去，留下想要图形。这与用光刻胶直接留下想要的图形的传统意义光刻是很不一样的。Lift－off 光刻工艺中的重点就是结合光刻胶的特性，设置合适的focus offset。

总之光刻是IC电子元器件形成的重要工序，光刻工艺的发展才使得线宽越来越小，集成度越来越高，我们所用的电子产品才能越来越小巧精致。