基本光刻工艺流程

第八章基本光刻工艺流程-表面准备到曝光概述最重要的光刻工艺是在晶圆表面建立图形。

这一章是从解释基本光刻工艺十步法和讨论光刻胶的化学性质开始的。

我们会按照顺序来介绍前四步（表面准备到对准和曝光）的目的和执行方法。

目的完成本章后您将能够：1．勾画出基本的光刻工艺十步法制程的晶圆截面。

2．解释正胶和负胶对光的反应。

3．解释在晶圆表面建立空穴和凸起所需要的正确的光刻胶和掩膜版的极性。

4．列出基本光刻十步法每一步的主要工艺选项。

5．从目的4的列表中选出恰当的工艺来建立微米和亚微米的图形。

6．解释双重光刻，多层光刻胶工艺和平整化技术的工艺需求。

7．描述在小尺寸图形光刻过程中，防反射涂胶工艺和对比增强工艺的应用。

8．列出用于对准和曝光的光学方法和非光学方法。

9．比较每一种对准和曝光设备的优点。

介绍光刻工艺是一种用来去掉晶圆表面层上的所规定的特定区域的基本操作（图8.1）。

Photolithography是用来定义这个基本操作的术语。

还有其它术语为Photomasking, Masking, Oxide或者Metal Removal （OR,MR）和Microlithography。

光刻工艺是半导体工艺过程中非常重要的一道工序，它是用来在不同的器件和电路表面上建立图形（水平的）工艺过程。

这个工艺过程的目标有两个。

首先是在晶圆表面建立尽可能接近设计规则中所要求尺寸的图形。

这个目标被称为晶圆的分辨率（resolution）。

图形尺寸被称为电路的特征图形尺寸（feature size）或是图像尺寸（image size）。

第二个目标是在晶圆表面正确定位图形（称为Alignment或者Registration）。

整个电路图形必须被正确地定位于晶圆表面，电路图形上单独的每一部分之间的相对位置也必须是正确的（图8.2）。

请记住，最终的图形是用多个掩膜版按照特定的顺序在晶圆表面一层一层叠加建立起来的。

图形定位的的要求就好像是一幢建筑物每一层之间所要求的正确的对准。

很容易想象，如果建筑物每一层和每一层不能很好地对准，那么它会对电梯以及楼梯带来什么样的影响。

同样，在一个电路中，如果每层和它的上一层不能很好地对准可能会导致整个电路的失效。

因为在光刻蚀工艺过程中的每一步都会有变异，所以对特征图形尺寸和缺陷水平的控制是很难的。

光刻的过程是一个权衡的过程（请看光刻工艺每一步的介绍）。

除了对特征图形尺寸和图形对准的控制，在工艺过程中的缺陷水平的控制同样也是非常重要的。

光刻操作步骤的数目之多和光刻工艺层的数量之大可以看出光刻工艺在半导体工艺过程中是一个主要的缺陷来源。

图8.1 基本光刻工艺Wafer 晶圆Surface layer 表面层Patterned layer 图形层图8.2 五层掩膜的硅栅二极管Gate mask 栅掩膜Well mask 阱掩膜Contact mask 接触掩膜Metal mask 金属掩膜Pad mask PAD掩膜光刻蚀工艺概述光刻蚀工艺是和照相、蜡纸印刷比较接近的一种多步骤的图形转移过程。

首先是在掩膜版上形成所需要的图形，之后通过光刻工艺把所需要的图形转移到晶圆表面的每一层。

图形转移是通过两步来完成的。

首先，图形被转移到光刻胶层（图8.3）。

光刻胶是和正常胶卷上所涂的物质比较相似的一种感光物质。

曝光后会导致它自身性质和结构的变化。

如图8.3所示，光刻胶被曝光的部分由可溶性物质变成了非溶性物质。

这种光刻胶类型被称为负胶，这种化学变化称为聚合（polymerization）。

通过化学溶剂（显影剂）把可以溶解的部分去掉，在光刻胶层就会留下一个孔，这个孔就是和掩膜版不透光的部分相对应的。

图8.3 第一次图形转移－掩膜/图形到光刻胶层Process Step 工艺步骤Purpose 目的Alignment and exposure 对准和曝光（目的是掩膜版和图形在晶圆上的精确对准，和光刻胶的曝光。

负胶是聚合的）Development 显影（目的是去除非聚合的光刻胶）Mask/Reticle 掩膜/图形Resist 光刻胶Oxide layer氧化层Wafer 晶圆第二次图形转移是从光刻胶层到晶圆层（图8.4）。

当刻蚀剂把晶圆表面没有被光刻胶盖住的部分去掉的时候，图形转移就发生了。

光刻胶的化学性决定了它不会在化学刻蚀溶剂中溶解或是慢慢溶解；它们是抗刻蚀的（etch resistant），因此它们称作Resist或是Photoresist。

在图8.3和图8.4的例子中，晶圆表面形成了空穴。

空穴的形成是由于在掩膜版上那一部分是不透光的。

如果掩膜版的图形是由不透光的区域决定的，称为亮场掩膜版（clear field mask）（图8.5）。

而在一个暗场掩膜版中，在掩膜版上图形是用相反的方式编码的。

如果按照同样的步骤，就会在晶圆表面留下凸起（图8.6）。

刚刚我们介绍了对光有负效应的光刻胶，称为负胶。

同样还有对光有正效应的光刻胶，称为正胶。

光可以改变正胶的化学结构从不可溶到可溶。

这种变化称为光溶解（photosolubilization）。

图8.7显示了用正胶和亮场掩膜版在晶圆表面建立凸起的情况。

图8.4 第二次图形转移－从光刻胶层到晶圆层Process Step 工艺步骤Etch 刻蚀（目的是将晶圆顶层通过光刻胶的开口去除）Purpose 目的Photoresist removal（strip）光刻胶去除（目的是从晶圆上去除光刻胶层）Oxide layer 氧化层Resist 光刻胶Wafer 晶圆图8.5 掩膜/图形的极性Light field 亮场Dark field 暗场图8.6 光刻中的空穴和凸起Photomasking Hole 光刻的空穴Phtomasking island 光刻的凸起图8.8显示了用不同极性的掩膜版和不同极性的光刻胶相结合而产生的结果。

通常来讲我们是根据尺寸控制的要求和缺陷保护的要求来选择光刻胶和掩膜版极性，从而使电路工作的。

这些问题会在这一章的工艺部分讨论。

光刻十步法把图像从掩膜版上转移到晶圆表面是由多个步骤来完成的（图8.9）。

特征图形尺寸、对准容忍度、晶圆表面情况和光刻层数都会影响到特定光刻工艺的难易程度和每一步骤的工艺。

许多光刻工艺都被定制成特定的工艺条件。

然而，大部分都是基本光刻十步法的变异或选项。

我们所演示的这个工艺过程是一个亮场掩膜版和负胶相作用的过程。

从第1步到第7步发生了第一次图形转移。

在第8, 9, 10步中，图形被转移到了晶圆表面层（第二次图形转移）。

图8.7 图形用正光刻胶和亮场掩膜版转移以建立凸起图8.8 掩膜版和光刻胶极性的结果Mask Polarity 掩膜版极性Clear field亮场Dark field 暗场Negative 负Positive 正Hole 空穴Island 凸起Photoresist Polartity 光刻胶极性通过把基本光刻十步法列出来，并且根据不同类型的掩膜版和不同极性的光刻胶的组合把相应的截面图出来，就会很容易理解本光刻十步法的工艺过程。

本书强烈建议读者，一定在精通基本光刻十步工艺之后再去学习先进的光刻工艺过程。

基本的光刻胶化学光刻胶被应用在印刷工业上已经超过了一个世纪。

在二十世纪二十年代，人们才发现它在印刷电路板领域可以有广泛的应用。

半导体工业采纳这种技术来生产晶圆是在二十世纪五十年代。

在二十世纪五十年代末，Eastman Kodak和Shipley 公司分别设计出适合半导体工业需要的正胶和负胶。

光刻胶是光刻工艺的核心。

准备、烘焙、曝光、刻蚀和去除工艺会根据特定的光刻胶性质和想达到的预期结果而进行微调。

光刻胶的选择和光刻胶工艺的研发是一项非常漫长而复杂的过程。

一旦一种光刻工艺被建立，是极不情愿改变的。

很少有光刻工程师会冒着失去整个工艺的风险去试用一种新的光刻胶来达到某种仅仅是边际的收获。

光刻胶的组成光刻胶的生产既是为了普通的需求，也是为了特定的需求。

它们会根据不同的光的波长和不同的曝光源而进行调试。

光刻胶具有特定的热流程特点，用特定的方法配制而成来与特定的表面结合。

这些属性是由光刻胶里不同化学成分的类型、数量以及混合过程来决定的。

在光刻胶里面有四种基本的成份：聚合物、溶剂、感光剂和添加剂（图8.10）。

具光敏性和对能量敏感的聚合物。

对光刻胶光敏性有影响的成分是一些对光和能量敏感的特殊聚合物。

聚合物是由一组一组大而且重的分子组成的，这些分子里面包括碳、氢和氧。

塑料就是一种类型的聚合物。

普通应用的光刻胶被设计成与紫外线和激光反应。

它们称为光学光刻胶（optical resist）。

还有其它光刻胶可以与X射线或者电子束反应。

在一个负胶中，聚合物曝光后会由非聚合状态变为聚合状态。

实际上这些聚合物形成了一种相互连结的物质，它是抗刻蚀的物质（图8.11）。

在大多数负胶里面，聚合物是聚异戊二烯类型。

早期的负胶是基于橡胶类型的聚合物。

Hunt 公司研发了第一个人工合成的聚异戊二烯聚合物结构。

当光刻胶被正常光照射也会发聚合反应。

为了防止意外曝光，负胶的生产是在黄光的条件下进行的。

正胶的基本聚合物是苯酚-甲醛聚合物，同样也称为苯酚-甲醛Novolak树脂（图8.12）。

在光刻胶中，聚合物是相对不可溶的。

在用适当的光能量曝光后，光刻胶转变成更为可溶状态。

这种反应称为光溶解反应（photosolubilization）。

光刻胶中光溶解部分会在显影工艺中用溶剂去掉。

图8.10 光刻胶成份图8.11 负胶化学（a）.Double-bond: 双键（b）.Unpolymerized：未聚合的Polymerized: 聚合的Energy: 能量图8.12 苯酚-甲醛Novolak树脂结构（由: W.S. Deforest, Photoresist: Material and Processes, McGraw-Hill New York, 1975）Ortho position （2 and 6）: 邻位（2和6）Meta position （3 and 4）: 间位（3和4）Para position （4）: 对位（4）Meta-cresol: 间甲酚Formaldehyde: 甲醛光刻胶会和许多形式的能量反应。

这些形式的能量通常是指（光能，热能等等），或者是指电磁光谱中具体的某一部分光（如UV, DUV, I-Line等）（参见曝光源部分）。

在对准和曝光的章节中，会对曝光能量有详细的说明。

有很多策略是专门用来实现小图形曝光的（参见正胶和负胶的比较一节）。

一种是用狭波（或单波）曝光源。

传统的基于Novolak的正胶已经被微调过了可以用在I-Line 曝光源上。

然而，在DUV曝光源上，这种光刻胶却不能很好的工作。