詳解半導(dǎo)體的光刻工藝全過程

光刻工藝是半導(dǎo)體制造中最為重要的工藝步驟之一。主要作用是將掩膜板上的圖形復(fù)制到硅片上，為下一步進(jìn)行刻蝕或者離子注入工序做好準(zhǔn)備。光刻的成本約為整個(gè)硅片制造工藝的1/3，耗費(fèi)時(shí)間約占整個(gè)硅片工藝的40～60%。

***是生產(chǎn)線上最貴的機(jī)臺(tái)，5～15百萬美元/臺(tái)。主要是貴在成像系統(tǒng)（由15～20個(gè)直 徑為200～300mm的透鏡組成）和定位系統(tǒng)（定位精度小于10nm）。其折舊速度非?？欤蠹s3～9萬人民幣/天，所以也稱之為印鈔機(jī)。光刻部分的主 要機(jī)臺(tái)包括兩部分：軌道機(jī)（Tracker），用于涂膠顯影；掃描曝光機(jī)（Scanning )

光刻工藝的要求：光刻工具具有高的分辨率；光刻膠具有高的光學(xué)敏感性；準(zhǔn)確地對(duì)準(zhǔn)；大尺寸硅片的制造；低的缺陷密度。

光刻工藝過程

一般的光刻工藝要經(jīng)歷硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻膠、軟烘、對(duì)準(zhǔn)曝光、后烘、顯影、硬烘、刻蝕、檢測(cè)等工序。

1、硅片清洗烘干（Cleaning and Pre-Baking）

方法：濕法清洗＋去離子水沖洗＋脫水烘焙（熱板150～2500C,1～2分鐘，氮?dú)獗Ｗo(hù)）

目的：a、除去表面的污染物（顆粒、有機(jī)物、工藝殘余、可動(dòng)離子）；b、除去水蒸氣，是基底表面由親水性變?yōu)樵魉裕鰪?qiáng)表面的黏附性（對(duì)光刻膠或者是HMDS-〉六甲基二硅胺烷）。

2、涂底（Priming)

方法：a、氣相成底膜的熱板涂底。HMDS蒸氣淀積，200～2500C,30秒鐘；優(yōu)點(diǎn)：涂底均勻、避免顆粒污染；b、旋轉(zhuǎn)涂底。缺點(diǎn)：顆粒污染、涂底不均勻、HMDS用量大。

目的：使表面具有疏水性，增強(qiáng)基底表面與光刻膠的黏附性。

3、旋轉(zhuǎn)涂膠（Spin-on PR Coating）

方法：a、靜態(tài)涂膠（Static）。硅片靜止時(shí)，滴膠、加速旋轉(zhuǎn)、甩膠、揮發(fā)溶劑（原光刻膠的溶劑約占65～85%,旋涂后約占10～20%）；

b、動(dòng)態(tài)（Dynamic）。低速旋轉(zhuǎn)（500rpm_rotation per minute）、滴膠、加速旋轉(zhuǎn)（3000rpm）、甩膠、揮發(fā)溶劑。

決定光刻膠涂膠厚度的關(guān)鍵參數(shù)：光刻膠的黏度（Viscosity），黏度越低，光刻膠的厚度越??；旋轉(zhuǎn)速度，速度越快，厚度越?。?/p>

影響光刻膠厚度均運(yùn)性的參數(shù)：旋轉(zhuǎn)加速度，加速越快越均勻；與旋轉(zhuǎn)加速的時(shí)間點(diǎn)有關(guān)。

一般旋涂光刻膠的厚度與曝光的光源波長(zhǎng)有關(guān)（因?yàn)椴煌?jí)別的曝光波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)不同的光刻膠種類和分辨率）：

I-line最厚，約0.7～3μm；KrF的厚度約0.4～0.9μm；ArF的厚度約0.2～0.5μm。

4、軟烘（Soft Baking）

方法：真空熱板，85～120℃,30～60秒；

目的：除去溶劑（4～7%）；增強(qiáng)黏附性；釋放光刻膠膜內(nèi)的應(yīng)力；防止光刻膠玷污設(shè)備；

邊緣光刻膠的去除（EBR，Edge Bead Removal）。光刻膠涂覆后，在硅片邊緣的正反兩面都會(huì)有光刻膠的堆積。邊緣的光刻膠一般涂布不均勻，不能得到很好的圖形，而且容易發(fā)生剝離（Peeling）而影響其它部分的圖形。所以需要去除。

方法：a、化學(xué)的方法（Chemical EBR）。軟烘后，用PGMEA或EGMEA去邊溶劑，噴出少量在正反面邊緣出，并小心控制不要到達(dá)光刻膠有效區(qū)域；b、光學(xué)方法（Optical EBR）。即硅片邊緣曝光（WEE，Wafer Edge Exposure）。在完成圖形的曝光后，用激光曝光硅片邊緣，然后在顯影或特殊溶劑中溶解

5、對(duì)準(zhǔn)并曝光（Alignment and Exposure）

對(duì)準(zhǔn)方法：a、預(yù)對(duì)準(zhǔn)，通過硅片上的notch或者flat進(jìn)行激光自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)；b、通過對(duì)準(zhǔn)標(biāo)志（Align Mark），位于切割槽（Scribe Line）上。另外層間對(duì)準(zhǔn)，即套刻精度（Overlay），保證圖形與硅片上已經(jīng)存在的圖形之間的對(duì)準(zhǔn)。

曝光中最重要的兩個(gè)參數(shù)是：曝光能量（Energy）和焦距（Focus）。如果能量和焦距調(diào)整不好，就不能得到要求的分辨率和大小的圖形。表現(xiàn)為圖形的關(guān)鍵尺寸超出要求的范圍。

曝光方法：a、接觸式曝光（Contact Printing）。掩膜板直接與光刻膠層接觸。曝光出來的圖形與掩膜板上的圖形分辨率相當(dāng)，設(shè)備簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：光刻膠污染掩膜板；掩膜板的磨損，壽命很低（只能使用5～25次）；1970前使用，分辨率〉0.5μm。

b、接近式曝光（Proximity Printing）。掩膜板與光刻膠層的略微分開，大約為10～50μm?？梢员苊馀c光刻膠直接接觸而引起的掩膜板損傷。但是同時(shí)引入了衍射效應(yīng)，降低了分辨率。1970后適用，但是其最大分辨率僅為2～4μm。

c、投影式曝光（Projection Printing）。在掩膜板與光刻膠之間使用透鏡聚集光實(shí)現(xiàn)曝光。一般掩膜板的尺寸會(huì)以需要轉(zhuǎn)移圖形的4倍制作。優(yōu)點(diǎn)：提高了分辨率；掩膜板的制作更加容易；掩膜板上的缺陷影響減小。

投影式曝光分類：掃描投影曝光（Scanning Project Printing）。70年代末～80年代初，〉1μm工藝；掩膜板1：1，全尺寸；

步進(jìn)重復(fù)投影曝光（Stepping-repeating Project Printing或稱作Stepper）。80年代末～90年代，0.35μm（I line）～0.25μm（DUV）。掩膜板縮小比例（4：1），曝光區(qū)域（Exposure Field）22×22mm（一次曝光所能覆蓋的區(qū)域）。增加了棱鏡系統(tǒng)的制作難度。

掃描步進(jìn)投影曝光（Scanning-Stepping Project Printing）。90年代末～至今，用于≤0.18μm工藝。采用6英寸的掩膜板按照4：1的比例曝光，曝光區(qū)域（Exposure Field）26×33mm。優(yōu)點(diǎn)：增大了每次曝光的視場(chǎng)；提供硅片表面不平整的補(bǔ)償；提高整個(gè)硅片的尺寸均勻性。但是，同時(shí)因?yàn)樾枰聪蜻\(yùn)動(dòng)，增加了機(jī) 械系統(tǒng)的精度要求。

在曝光過程中，需要對(duì)不同的參數(shù)和可能缺陷進(jìn)行跟蹤和控制，會(huì)用到檢測(cè)控制芯片/控片 （Monitor Chip）。根據(jù)不同的檢測(cè)控制對(duì)象，可以分為以下幾種：a、顆粒控片（Particle MC）：用于芯片上微小顆粒的監(jiān)控，使用前其顆粒數(shù)應(yīng)小于10顆；b、卡盤顆?？仄–huck Particle MC）：測(cè)試***上的卡盤平坦度的專用芯片，其平坦度要求非常高；c、焦距控片（Focus MC）：作為***監(jiān)控焦距監(jiān)控；d、關(guān)鍵尺寸控片（Critical Dimension MC）：用于光刻區(qū)關(guān)鍵尺寸穩(wěn)定性的監(jiān)控；e、光刻膠厚度控片（PhotoResist Thickness MC）：光刻膠厚度測(cè)量；f、光刻缺陷控片（PDM，Photo Defect Monitor）：光刻膠缺陷監(jiān)控。

舉例：0.18μm的CMOS掃描步進(jìn)光刻工藝。

光源：KrF氟化氪DUV光源（248nm） ；數(shù)值孔徑NA：0.6～0.7；焦深DOF：0.7μm

分辨率Resolution：0.18～0.25μm

（一般采用了偏軸照明OAI_Off- Axis Illumination和相移掩膜板技術(shù)PSM_Phase Shift Mask增強(qiáng)）；

套刻精度Overlay：65nm；產(chǎn)能Throughput：30～60wafers/hour（200mm）；視場(chǎng)尺寸Field Size：25×32mm；

6、后烘（PEB，Post Exposure Baking）

方法：熱板，110～1300C,1分鐘。

目的：a、減少駐波效應(yīng)；b、激發(fā)化學(xué)增強(qiáng)光刻膠的PAG產(chǎn)生的酸與光刻膠上的保護(hù)基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)并移除基團(tuán)使之能溶解于顯影液。

7、顯影（Development）

方法：a、整盒硅片浸沒式顯影（Batch Development）。缺點(diǎn)：顯影液消耗很大；顯影的均勻性差；

b、連續(xù)噴霧顯影（Continuous Spray Development）/自動(dòng)旋轉(zhuǎn)顯影（Auto-rotation Development）。一個(gè)或多個(gè)噴嘴噴灑顯影液在硅片表面，同時(shí)硅片低速旋轉(zhuǎn)（100～500rpm）。噴嘴噴霧模式和硅片旋轉(zhuǎn)速度是實(shí)現(xiàn)硅片間溶 解率和均勻性的可重復(fù)性的關(guān)鍵調(diào)節(jié)參數(shù)。

c、水坑（旋覆浸沒）式顯影（Puddle Development）。噴覆足夠（不能太多，最小化背面濕度）的顯影液到硅片表面，并形成水坑形狀（顯影液的流動(dòng)保持較低，以減少邊緣顯影速率的變 化）。硅片固定或慢慢旋轉(zhuǎn)。一般采用多次旋覆顯影液：第一次涂覆、保持10～30秒、去除；第二次涂覆、保持、去除。然后用去離子水沖洗（去除硅片兩面的 所有化學(xué)品）并旋轉(zhuǎn)甩干。優(yōu)點(diǎn)：顯影液用量少；硅片顯影均勻；最小化了溫度梯度。

顯影液：a、正性光刻膠的顯影液。正膠的顯影液位堿性水溶液。KOH和NaOH因?yàn)闀?huì)帶來可 動(dòng)離子污染（MIC，Movable Ion Contamination），所以在IC制造中一般不用。最普通的正膠顯影液是四甲基氫氧化銨（TMAH）（標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量濃度為0.26，溫度 15～250C）。在I線光刻膠曝光中會(huì)生成羧酸，TMAH顯影液中的堿與酸中和使曝光的光刻膠溶解于顯影液，而未曝光的光刻膠沒有影響；在化學(xué)放大光刻 膠（CAR，Chemical Amplified Resist）中包含的酚醛樹脂以PHS形式存在。CAR中的PAG產(chǎn)生的酸會(huì)去除PHS中的保護(hù)基團(tuán)（t-BOC），從而使PHS快速溶解于TMAH顯 影液中。整個(gè)顯影過程中，TMAH沒有同PHS發(fā)生反應(yīng)。

b、負(fù)性光刻膠的顯影液。二甲苯。清洗液為乙酸丁脂或乙醇、三氯乙烯。

顯影中的常見問題：a、顯影不完全（Incomplete Development）。表面還殘留有光刻膠。顯影液不足造成；b、顯影不夠（Under Development）。顯影的側(cè)壁不垂直，由顯影時(shí)間不足造成；c、過度顯影（Over Development）。靠近表面的光刻膠被顯影液過度溶解，形成臺(tái)階。顯影時(shí)間太長(zhǎng)。

8、硬烘（Hard Baking）

方法：熱板，100～1300C（略高于玻璃化溫度Tg），1～2分鐘。

目的：a、完全蒸發(fā)掉光刻膠里面的溶劑（以免在污染后續(xù)的離子注入環(huán)境，例如DNQ酚醛樹脂 光刻膠中的氮會(huì)引起光刻膠局部爆裂）；b、堅(jiān)膜，以提高光刻膠在離子注入或刻蝕中保護(hù)下表面的能力；c、進(jìn)一步增強(qiáng)光刻膠與硅片表面之間的黏附性；d、進(jìn) 一步減少駐波效應(yīng)（Standing Wave Effect）。

常見問題：a、烘烤不足（Underbake）。減弱光刻膠的強(qiáng)度（抗刻蝕能力和離子注入中 的阻擋能力）；降低針孔填充能力（Gapfill Capability for the needle hole）；降低與基底的黏附能力。b、烘烤過度（Overbake）。引起光刻膠的流動(dòng)，使圖形精度降低，分辨率變差。

另外還可以用深紫外線（DUV，Deep Ultra-Violet）堅(jiān)膜。使正性光刻膠樹脂發(fā)生交聯(lián)形成一層薄的表面硬殼，增加光刻膠的熱穩(wěn)定性。在后面的等離子刻蝕和離子注入（125～2000C）工藝中減少因光刻膠高溫流動(dòng)而引起分辨率的降低。