光刻

光刻

一、概述：

光刻工艺是半导体制造中最为重要的工艺步骤之一。主要作用是将掩膜板上的图形复制到硅片上，为下一步进行刻蚀或者离子注入工序做好准备。光刻的成本约为整个硅片制造工艺的1/3，耗费时间约占整个硅片工艺的40~60%。

光刻机是生产线上最贵的机台，5～15百万美元/台。主要是贵在成像系统（由15～20个直径为200～300mm的透镜组成）和定位系统（定位精度小于10nm）。其折旧速度非常快，大约3～9万人民币/天，所以也称之为印钞机。光刻部分的主要机台包括两部分：轨道机（Tracker），用于涂胶显影；扫描曝光机（Scanning）。

光刻工艺的要求：光刻工具具有高的分辨率；光刻胶具有高的光学敏感性；准确地对准；大尺寸硅片的制造；低的缺陷密度。

二、光学基础：

光的反射（reflection）。光射到任何表面的时候都会发生反射，并且符合反射定律：入射角等于反射角。在曝光的时候，光刻胶往往会在硅片表面或者金属层发生反射，使不希望被曝光的光刻胶被曝光，从而造成图形复制的偏差。常常需要用抗反射涂层（ARC，Anti-Reflective Coating）来改善因反射造成的缺陷。

光的折射（refraction）。光通过一种透明介质进入到另一种透明介质的时候，发生方向的改变。主要是因为在两种介质中光的传播速度不同（λ=v/f）。直观来说是两种介质中光的入射角发生改变。所以我们在90nm工艺中利用高折射率的水为介质（空气的折射率为1.0，而水的折射率为1.47），采用浸入式光刻技术，从而提高了分辨率。而且这种技术有可能将被沿用至45nm工艺节点。

光的衍射或者绕射（diffraction）。光在传播过程中遇到障碍物（小孔或者轮廓分明的边缘）时，会发生光传播路线的改变。曝光的时候，掩膜板上有尺寸很小的图形而且间距很窄。衍射会使光部分发散，导致光刻胶上不需要曝光的区域被曝光。衍射现象会造成分辨率的下降。

光的干涉（interference）。波的本质是正弦曲线。任何形式的正弦波只要具有相同的频率就能相互干涉，即相长相消：相位相同，彼此相长；相位不同，彼此相消。在曝光的过程中，反射光与折射光往往会发生干涉，从而降低了图形特征复制的分辨率。

调制传输函数（MTF, Modulation Transfer Function）。用于定义明暗对比度的参数。即分辨掩膜板上明暗图形的能力，与光线的衍射效应密切相关。MTF=(Imax-Imin)/(Imax+Imin)，好的调制传输函数，就会得到更加陡直的光刻胶显影图形，即有高的分辨率。临界调制传输函数（CMTF,Critical Modulation Transfer Function）。主要表征光刻胶本身曝光对比度的参数。即光刻胶分辨透射光线明暗的能力。一般来说光路系统的调制传输函数必须大于光刻胶的临界调制传输函数，即MTF>CMTF。

数值孔径（NA, Numerical Aperture）。透镜收集衍射光（聚光）的能力。NA=n*sinθ=n*（透镜半径/透镜焦长）。一般来说NA大小为0.5~0.85。提高数值孔径的方法：1、提高介质折射率n，采用水代替空气；2、增大透镜的半径；

分辨率（Resolution）。区分临近最小尺寸图形的能力。R=kλ/(NA)=0.66/(n*sinθ) 。提高分辨率的方法：1、减小光源的波长；2、采用高分辨率的光刻胶；3、增大透镜半径；4、采用高折射率的介质，即采用浸入式光刻技术；5、优化光学棱镜系统以提高k（0.4~0.7）值（k是标志工艺水平的参数）。

焦深（DOF，Depth of Focus）。表示焦点周围的范围，在该范围内图像连续地保持清晰。焦深是焦点上面和下面的范围，焦深应该穿越整个光刻胶层的上下表面，这样才能够保证光刻胶完全曝光。DOF=kλ/(NA)2。增大焦深的方法：1、增大光源的波长；2、采用小的数值

孔径；3、利用CMP进行表面平坦化。由于前两种方法会降低分辨率，而分辨率是芯片制造所努力提升的重要参数，因此我们需要在看上去相互矛盾的两个方面做出某种平衡。一般在保证基本的焦深要求下不降低分辨率，即以分辨率为主。所以，现在一般采用CMP平坦化技术保证足够的焦深。

三、掩膜板/光罩（Photo Mask/Reticle）

硅片上的电路元件图形都来自于版图，因此掩膜板的质量在光刻工艺中的扮演着非常重要的角色。

1、掩膜板的分类：

光掩膜板（Photo Mask）包含了整个硅片的芯片图形特征，进行1：1图形复制。这种掩膜板用于比较老的接近式光刻和扫描对准投影机中。

投影掩膜板（Reticle）。只包含硅片上的一部分图形（例如四个芯片），一般为缩小比例（一般为4：1）。需要步进重复来完成整个硅片的图形复制。一般掩膜板为6X6inch（152mm）大小，厚度约为0.09”~0.25”（2.28mm~6.35mm）。投影掩膜板的优点：1、投影掩膜板的特征尺寸较大（4×），掩膜板制造更加容易；2、掩膜板上的缺陷会缩小转移到硅片上，对图形复制的危害减小；3、使曝光的均匀度提高。

2、掩膜板的制造：

掩膜板的基材一般为熔融石英（quartz），这种材料对深紫外光（DUV，KrF-248nm，ArF-193nm）具有高的光学透射，而且具有非常低的温度膨胀和低的内部缺陷。

掩膜板的掩蔽层一般为铬（Cr，Chromium）。在基材上面溅射一层铬，铬层的厚度一般为800~1000埃，在铬层上面需要涂布一层抗反射涂层（ARC，Anti-Reflective Coating）。

制作过程：a、在石英表面溅射一层铬层，在铬层上旋涂一层电子束光刻胶；b、利用电子束（或激光）直写技术将图形转移到电子束光刻胶层上。电子源产生许多电子，这些电子被加速并聚焦（通过磁方式或者电方式被聚焦）成形投影到电子束光刻胶上，扫描形成所需要的图形；c、曝光、显影；d、湿法或者干法刻蚀（先进的掩膜板生产一般采用干法刻蚀）去掉铬薄层；e、去除电子束光刻胶；d、粘保护膜（Mount Pellicle）。保护掩膜板杜绝灰尘（Dust）和微小颗粒（Particle）污染。保护膜被紧绷在一个密封框架上，在掩膜板上方约5~10mm。保护膜对曝光光能是透明的，厚度约为0.7~12μm（乙酸硝基氯苯为0.7μm；聚酯碳氟化物为12μm）。

3、掩膜板的损伤和污染

掩膜板是光刻复制图形的基准和蓝本，掩膜板上的任何缺陷都会对最终图形精度产生严重的影响。所以掩膜板必须保持“完美”。

使用掩膜板存在许多损伤来源：掩膜板掉铬；表面擦伤，需要轻拿轻放；静电放电（ESD），在掩膜板夹子上需要连一根导线到金属桌面，将产生的静电导出。另外，不能用手触摸掩膜板；灰尘颗粒，在掩膜板盒打开的情况下，不准进出掩膜板室（Mask Room），在存取掩膜板时室内最多保持2人。

因为掩膜板在整个制造工艺中的地位非常重要。在生产线上，都会有掩膜板管理系统（RTMS，Reticle Management System）来跟踪掩膜板的历史（History）、现状（Status）、位置（Location）等相关信息，以便于掩膜板的管理。

四、光刻胶（Photo Resist）

光刻胶是一种有机化合物，它受紫外光曝光后，在显影液中的溶解度会发生变化。一般光刻胶以液态涂覆在硅片表面上，曝光后烘烤成固态。

1、光刻胶的作用：a、将掩膜板上的图形转移到硅片表面的氧化层中；b、在后续工序中，保护下面的材料（刻蚀或离子注入）。

2、光刻胶的物理特性参数：