第九章基本光刻工藝第1頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗－2－第2頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗－3－負光刻膠顯影

當負性光刻膠經過曝光后，它會發生聚合，在聚合與未聚合之間有足夠高的分辨率，從而在顯影過程中聚合的區域只會失去很小部分光刻膠，而未聚合的區域則在顯影過程中分解，但由于兩個區域之間總是存在過渡區，過渡區是部分聚合的光刻膠，所以，顯影結束后必須及時沖洗，使顯影液很快稀釋，保證過渡區不被顯影，使顯影后的圖形得以完整。第3頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗－4－正光刻膠顯影

對于正性光刻膠，聚合與未聚合區域的溶解率約為1:4。這意味著在顯影中總會從聚合的區域失去一些光刻膠。使用過渡的顯影液或顯影時間過長都會導致光刻膠太薄而不能使用。通常要求不高的正光刻膠顯影使用減－水溶液和非離子溶液，對制造敏感電路使用疊氮化四甲基銨氫氧化物的溶液。正性光刻膠的顯影工藝比負性光刻膠更為敏感，影響的因素有：軟烘焙時間和溫度、曝光度、顯影液濃度、時間、溫度以及顯影方法。顯影工藝參數由所有變量的測試來決定。圖9.4顯示了一個特定的工藝參數對線寬的影響。第4頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗－5－

圖9.4顯影劑溫度和曝光關系與線寬變化的比較第5頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗－6－顯影方式

顯影方式分為：濕法顯影干法（等離子）顯影濕法顯影

沉浸噴射混凝沉浸顯影

最原始的方法。就是將待顯影的晶園放入盛有顯影液的容器中，經過一定的時間再放入加有化學沖洗液的池中進行沖洗。比較簡單，但存在的問題較多，比如：液體表面張力會阻止顯影液進入微小開孔區；溶解的光刻膠粘在晶園表面影響顯影質量；隨著顯影次數增加顯影液的稀釋和污染；顯影溫度對顯影率的影響等。噴射顯影

顯影系統如圖9.7所示。由此可見，顯影劑和沖洗液都是在一個系統內完成，每次用的顯影液第6頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗－7－

和沖洗液都是新的，所以較沉浸系統清潔，由于采用噴射系統也可大大節約化學品的使用。所以此工藝很受歡迎，特別是對負性光刻膠工藝。

對正性光刻膠工藝來說因為溫度的敏感性，當液體在壓力下從噴嘴噴出后很快冷卻，要保證溫度必須加熱晶園吸盤。從而增加了設備的復查性和工藝難度。

第7頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗－2－混凝顯影

雖然噴射顯影有很多有點，但對正性光刻膠顯影還存在一些問題，混凝顯影就是針對所存在地問題而改進的一種針對正性膠的光刻工藝，差別在于顯影化學品的不同。如圖所示，首先在靜止的晶園表面上覆蓋一層顯影液，停留一段時間（吸盤加熱過程），在此過程中，大部分顯影會發生，然后旋轉并有更多的顯影液噴到晶園表面并沖洗、干燥。第8頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗－9－干法顯影液體工藝的自動化程度不高，并且化學品的采購、存儲、控制和處理費用昂貴，取代液體化學顯影的途徑是使用等離子體刻蝕工藝，該工藝現已非常成熟。在此工藝中，離子從等離子體場得到能量，以化學形式分解暴露的晶園表面層。干法光刻顯影要求光刻膠化學物的曝光或未曝光的之一易于被氧等離子體去除。具體內容在第十章中介紹。9.2硬烘焙

硬烘焙的作用是蒸發濕法顯影過程中吸收在光刻膠中溶液，增加光刻膠和晶園表面的粘結能力，保證下一步的刻蝕工藝得以順利進行。第9頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗－10－硬烘焙方法在方法和設備上與前面介紹的軟烘焙相似。烘焙工藝

時間和溫度仍然是主要的工藝參數，一般是制造商推薦，工藝工程師精確調整。對一般使用的對流爐，溫度：130～200℃，時間：30分鐘。對其他方法溫度和時間各不相同。熱烘焙增加粘度的機理是光刻膠的脫水和聚合，從而增加光刻膠的耐蝕性。

烘焙溫度太低，脫水和聚合不徹底，溫度太高光刻膠容易變軟甚至流動（如圖9.9所示），所以溫度的控制極為嚴格。硬烘焙是在顯影后立即進行，或者在刻蝕前進行，工藝流程如圖9.10

所示。第10頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗－11－圖9.9光刻膠在高溫下的流動第11頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗－12－顯影檢驗

任何一次工藝過后都要進行檢驗，經檢驗合格的晶園流入下一道工藝，對顯影檢驗不合格的晶園可以返工重新曝光、顯影。工藝流程如圖所示。顯影檢驗的內容

圖形尺寸上的偏差，定位不準的圖形，表面問題（光刻膠的污染、空洞或劃第12頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗－13－第13頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗－14－

傷），以及污點和其他的表面不規則等。檢驗方法

人工檢驗自動檢驗人工檢驗

下圖是一個典型的人工檢驗次序和內容第14頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗－15－自動檢驗

隨著晶園尺寸增大和元件尺寸的減小，制造工藝變得更加繁多和精細，人工檢驗的效力也到了極限。可探測表面和圖形失真的自動檢驗系統成了在線和非在線檢驗的選擇。詳細內容在第14章中介紹。9.4刻蝕

在完成顯影檢驗后，掩膜版的圖形就被固定在光刻膠膜上并準備刻蝕。經過刻蝕圖形就永久留在晶園的表層。刻蝕工藝分為兩大類：濕法和干法刻蝕。

無論那一種方法，其目的都是將光刻掩膜版上的圖形精確地轉移到晶園表面。同時要求一致性、邊緣輪廓控制、選擇性、潔凈度都符合要求。第15頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗－16－光刻膠被刻蝕材料(a)有光刻膠圖形的襯底(b)刻蝕后的襯底光刻膠被保護層第16頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗－17－濕法各向同性化學腐蝕層（各向同性刻蝕是在各個方向上以同樣的速度進行刻蝕）襯底膜膠第17頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗－18－具有垂直刻蝕剖面的各向異性刻蝕（各向異性刻蝕是僅在一個方向刻蝕）ResistSubstrateFilm第18頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗－19－濕法刻蝕

最原始的刻蝕工藝，就是將晶園沉浸于裝有刻蝕液的槽中經過一定的時間，再傳送到沖洗設備中除去殘余的酸（刻蝕液）在進行最終的沖洗和甩干。此工藝只能用于特征尺寸大于3μm的產品，小于3μm的產品由于控制和精度的需要一般使用干法刻蝕了。

刻蝕的一致性和工藝控制由附加的加熱和攪動設備來提高，常用的是帶有超聲波的刻蝕槽。刻蝕液的選擇要求具有良好的選擇性，即在刻蝕時要有均勻去掉晶園表層而又不傷及下一層的材料。

刻蝕時間是一個重要的工藝參數，最短時間是保證徹底、干凈的均勻刻蝕；而最長時間受限于光刻膠在晶園表面的粘結時間。第19頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗－20－刻蝕工藝中容易出現的問題：過刻蝕、內切、選擇性和側邊的各向異性/各向同性刻蝕。不完全刻蝕

是指表面層刻蝕不徹底，如圖所示。

產生的原因：太短的刻蝕時間；薄厚不均勻的待刻蝕層；過低的刻蝕溫度。過刻蝕和底切

與不完全刻蝕相反，不過通常是有意識的過刻蝕，因為恰到好處是很難做到的。理想的刻蝕應該是形成垂直的側邊（如圖所示），產生這種理想結果的刻蝕技術叫做各向異性刻蝕。然而，刻蝕總是在各個方向同時進行的，這樣就避免不第20頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗－21－

了在側面形成一個斜面，這種現象稱為底切（如圖所示）。刻蝕的目標是把這種底切控制在一個可以接受的范圍內。由于這種底切的存在，在電路設計時必須考慮（即各器件之間留有余量以防止電路短路）。徹底解決底切的方法是采用等離子體刻蝕。第21頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗－22－產生底切的原因

除了各向同性刻蝕以外，產生底切的原因有：時間過長、溫度過高、刻蝕液濃度太高、光刻膠和晶園表面的粘結力較弱、開孔邊緣粘結力失效等。選擇性

理想的刻蝕特性是：既要把該刻蝕的徹底、干凈地刻蝕掉，又要把不該刻蝕的原樣保留。這就是刻蝕的選擇性。盡管不能完全做到，但在刻蝕液的選擇上盡量保證。同一種刻蝕液對不同的材料刻蝕速度是不同的，通常用刻蝕速率來描寫。比如：SiO2/Si的選擇性從20～40。高選擇性意味著下表層很少或沒有被刻蝕。第22頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗－23－不同材料的刻蝕其工藝略有不同，不同材料的不同刻蝕工藝見9.54～9.510節。9.6干法刻蝕

對于小尺寸濕法刻蝕的局限性前面已經提到，主要包括：局限于3μm以上的圖形尺寸；各向同性刻蝕導致邊側形成斜坡；要求沖洗和干燥步驟；潛在地污染；光刻膠粘結力失效導致底切。

基于這些原因，干法刻蝕主要用于先進電路的小尺寸精細刻蝕中。干法刻蝕是指以氣體為主要媒體的刻蝕技術，晶園不需要液體化學品或沖洗，刻蝕過程在干燥的狀態進出系統。刻蝕方法見下圖。第23頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗－24－干法刻蝕與濕法刻蝕相比的優點：刻蝕剖面是各向異性，具有非常好的惻壁剖面控制；好的CD控制；最小的光刻膠脫落或黏附問題；好的片內、片間、批次間的刻蝕均勻性；較低的化學制品使用和處理費用。第24頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗－25－等離子體

等離子體是一種中性、高能量、離子化的氣體，包括中性原子或分子、帶電離子和自由電子。當從中性原子中去除一個價電子時，形成正離子和自由電子。例如，當原子結構內的原子和電子數目相等時氟是中性的，當一個電子從它的核內分離出去后氟就離子化了（見下圖）。在一個有限的工藝腔內，利用強直流或交流磁場或用某些電子源轟擊氣體原子都會導致氣體原子的離子化。

第25頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗－26－等離子體刻蝕離子的形成

F+9離子是質子（＋）與電子（－）數不等地原子電子從主原子中分離出來.少一個電子的氟原子到原子失去一個電子時產生一個正離子

F+9具有質子（＋9）和電子（－9）數目相等地中性粒子是原子氟原子總共有7個價電子價層環最多能有8個電子價層電子（－）內層電子（－）在原子核中的質子（未顯示電子）第26頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗－27－硅片的等離子體刻蝕過程

8) 副產物去除

1) 刻蝕氣體進入反應室襯底刻蝕反應室

2)

電場使反應物分解

5) 反應離子吸附在表面

4) 反應正離子轟擊表面

6) 原子團和表面膜的表面反應排氣氣體傳送RF發生器副產物

3) 電子和原子結合產生等離子體

7) 副產物解吸附陰極陽極電場ll各向異性刻蝕各向同性刻蝕第27頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗－28－等離子體刻蝕反應器園桶式等離子體刻蝕機

早期的離子體系統被設計成圓柱形的（如圖），在0.1～1托的壓力下具有幾乎完全的化學各向同性刻蝕，硅片垂直、小間距地裝在一個石英舟上。射頻功率加在圓柱兩邊的電極上。第28頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗－29－平板（平面）等離子體刻蝕機

平板（平面）等離子體刻蝕機有兩個大小和位置對稱的平行金屬板，一個硅片背面朝下放置于接地的陰極上面，RF信號加在反應器的上電極。由于等離子體電勢總是高于地電勢，因而是一種帶能離子進行轟擊的等離子體刻蝕模式。相對于桶形刻蝕系統，具有各向異性刻蝕的特點，從而可得幾乎垂直的側邊。另外，旋轉晶園盤可增加刻蝕的均勻性。該系統可設計成批量和單個晶園反應室設置。單個晶園系統因其可對刻蝕參數精密控制，以得到均勻刻蝕而受到歡迎。

第29頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗－30－平板等離子體刻蝕第30頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三粒子束刻蝕

粒子束刻蝕也是干法刻蝕的一種，與化學等離子體刻蝕不同的是粒子束刻蝕是一個物理工藝。如圖所示，晶園在真空反應室內被置于固定器上，并且向反應室導入氬氣流。氬氣進入反應室便受到從一對陰陽極來的高能電子束流的影響。電子將氬原子離子化成帶正電荷的高能狀態。由于晶園位于接負極的固定器上，從而氬離子便被吸向固定器。在移動的同時被加速以提高能量。在晶園表面上它們轟擊進入暴露的晶園層并從晶園表面炸掉一小部分從而達到刻蝕的目的。

第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗－31－第31頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗－32－優點：刻蝕的方向性非常好（屬于各向異性），非常適合高精度的小開口區域刻蝕缺點：選擇性差，存在離子化形成的輻射損害。粒子束轟擊示意圖第32頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗－33－干法刻蝕中光刻膠的影響

對于濕法和干法刻蝕兩種工藝，圖形保護層是光刻膠層。在濕法刻蝕中對光刻膠層幾乎沒有來自刻蝕劑的刻蝕。然而在干法刻蝕中，殘余的氧氣會刻蝕光刻膠層。因此光刻膠層必須保證足夠的厚度以應付刻蝕劑的刻蝕而不至于變薄出現空洞。另一個與光刻膠相關的干法刻蝕問題是光刻膠烘焙。在干法刻蝕反應室內，溫度可升到200℃，這樣的溫度可把光刻膠烘焙到一個難于從晶園表面去除的狀態，還有就是高溫下光刻膠的流動傾向會使圖形變差。第33頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗－34－9.7光刻膠的去除

刻蝕工藝完成后，作為刻蝕阻擋層的光刻膠已經完成任務，必須從表面去掉。傳統的方法是用濕法化學工藝去除，盡管有一些問題，濕法去除在前線工藝還是經常采用的一種方法（特別是硅片表面和MOS柵極暴露并易于受到等離子體中氧氣離子的損傷）。另一種是干法的等離子體去除，在后線工藝中經常采用（此時硅片和MOS柵極已經被絕緣和金屬層覆蓋）。

濕法去除有許多不同的化學品被由于去除工藝，其選擇依據是晶園表層、產品考慮、光刻膠極性和光刻膠的狀態（見下圖）。第34頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三第九章基本光刻工藝------從曝光到最終檢驗－35－濕法光刻膠去除表優點：成本有效性好；可有效去除金屬離子；低溫工藝并且不會將晶園暴露于可能的損傷性輻射。第35頁，共39頁，2023年，2月20日，星期三第九章基本光刻工藝-----