1、光刻工藝介紹一、定義與簡介光刻是所有四個(gè)基本工藝中最關(guān)鍵的，也就是被稱為大家熟知的 photo,lithography,photomasking，masking，或 microlithography。 在晶圓的制造過程中，晶體三極管、二極管、電容、電阻和金屬層的 各種物理部件在晶圓表面或表層內(nèi)構(gòu)成,這些部件是預(yù)先做在一塊或 者數(shù)塊光罩上，并且結(jié)合生成薄膜，通過光刻工藝過程，去除特定部 分，最終在晶圓上保留特征圖形的部分。光刻其實(shí)就是高科技版本的照相術(shù)，只不過是在難以置信的微小 尺寸下完成，現(xiàn)在先進(jìn)的硅12英寸生產(chǎn)線已經(jīng)做到22nm，我們這 條線的目標(biāo)6英寸碑化鎵片上做到0.11um。光刻生產(chǎn)的

2、目標(biāo)是根據(jù) 電路設(shè)計(jì)的要求，生成尺寸精確的特征圖形，并且在晶圓表面的位置 正確且與其它部件的關(guān)聯(lián)正確。光刻工藝流程介紹光刻與照相類似，其工藝流程也類似:工藝流程圖 wafer相紙，（表而處理）-I. HMD& |前處也|（上感光物質(zhì)）resist止銀膠（相紙）:-P“光罩4底片（曝光系統(tǒng)）Exposure曝光,（顯影化學(xué)刑） developing.一顯血一ETCH 4 Inspection檢砂隊(duì)實(shí)際上，普通光刻工藝流程包括下面的流程:Substrate Pretreatment即預(yù)處理，目的是改變晶圓表面的性質(zhì)， 使其能和光刻膠(PR)粘連牢固。主要方法就是涂HMDS，在 密閉腔體內(nèi)晶圓下面加

3、熱到120對(duì)，上面用噴入氮?dú)饧訅旱撵F狀 HMDS，使得HMDS和晶圓表面的-OH健發(fā)生反應(yīng)已除去水汽 和親水健結(jié)構(gòu)，反應(yīng)充分后在23對(duì)冷板上降溫。該方法效果遠(yuǎn)比 傳統(tǒng)的熱板加熱除濕好.Spin coat即旋轉(zhuǎn)涂光刻膠，用旋轉(zhuǎn)涂布法能提高光刻膠薄膜的 均勻性與穩(wěn)定性。光刻膠中主要物質(zhì)有樹脂、溶劑、感光劑和其 它添加劑,感光劑在光照下會(huì)迅速反應(yīng)。一般設(shè)備的穩(wěn)定工作最高 轉(zhuǎn)速不超過4000rpm，而最好的工作轉(zhuǎn)速在20003000rpm.Soft Bake(Pre-bake )即軟烘，目的是除去光刻膠中溶劑。一般 是在90C的熱板中完成。Exposure即曝光，這也是光刻工藝中最為重要的一步，就是用

4、紫 外線把光罩上的圖形成像到晶圓表面，從而把光罩上面的圖形轉(zhuǎn) 移到晶圓表面上的光刻膠中。這一步曝光的能量(Dose )和成像 焦點(diǎn)偏移(Focus offset)尤為重要.Post Exposure Bake(PEB )即后烘，這是非常重要的一步。在 I-line光刻機(jī)中，這一步的目的是消除光阻層側(cè)壁的駐波效應(yīng)，使側(cè) 壁平整豎直；而在DUV光刻機(jī)中這一步的目的則是起化學(xué)放大 反應(yīng)，DUV設(shè)備曝光時(shí),光刻膠不會(huì)完全反應(yīng)，只是產(chǎn)生部分反 應(yīng)生成少量H+離子，而在這一步烘烤中H+離子起到類似催化劑的 作用，使感光區(qū)光刻膠完全反應(yīng)。這一步主要控制的也是溫度與時(shí) 間，而對(duì)于溫度的均勻性要求也非常高，通常

5、DUV的光阻要求 熱板內(nèi)溫度偏差小于0.3C.6）Develop即顯影，就是把光刻膠光照后的可溶部分除去，留下想 要的圖形。光刻膠有正膠和負(fù)膠兩種，正膠就是光照部分可溶于 顯影液，而負(fù)膠就是未光照部分可溶.一般來說正膠可以得到更高 的分辨率，而負(fù)膠則更耐腐蝕。顯影和清洗都在顯影槽中完成， 每一步的轉(zhuǎn)速和時(shí)間都至為重要，對(duì)最后圖形的均勻性和質(zhì)量影 響很大。有的光刻工藝在顯影完成后還有一步hard bake即硬烘來除 去光刻膠在顯影槽中清洗而殘留的水分。而有的工藝流程中，在 光刻下一工序前會(huì)有一道堅(jiān)膜來除去水分,hard bake就可以不要 了.7）顯影完成后光刻工藝應(yīng)該算基本完成，不過在將產(chǎn)品送

6、到下一工 序前我們還是需要驗(yàn)證確認(rèn)光刻工藝質(zhì)量，不合格的產(chǎn)品可以除 去光刻膠來返工。顯影后檢查首先就是ADI （ Afer Develop Inspection ），也就是在顯微鏡下檢查晶圓表面有無異常.光刻中 常見的問題有失焦（defocus ）,圖形倒塌（peeling）,異常顆 粒（particle）,刮傷等等。8）CD measurement即線寬測(cè)量，目的是檢查光刻得到的線寬是不 是符合設(shè)計(jì)的要求，同時(shí)要檢查整片晶圓上線寬的均勻性.9）Overlay即套刻精度測(cè)量，現(xiàn)在IC部件都是很多層光罩套刻累加 形成的，不同層之間需要對(duì)準(zhǔn)，而Overlay就是專門測(cè)量不同層之間對(duì)準(zhǔn)精度的。三、光

7、刻設(shè)備介紹在以上的工序中ADI ,CD和OVL都有專門的量測(cè)設(shè)備Exposure 是在光刻機(jī)中完成，而 Pretreatment, Spin coater,Soft bake，PEB 和 Develop都是在track設(shè)備中完成的，為了提高效率，track和光刻機(jī) 通常是集成在一起的。在我們采購的ASML光刻機(jī)和TEL track都是 自動(dòng)化相當(dāng)高的設(shè)備，手動(dòng)條件下也只需要放上要做的產(chǎn)品片盒后選 好程序就行，而自動(dòng)條件下只要放上片盒啟動(dòng)化系統(tǒng)會(huì)自行選擇要用 的程序一般情況下ASML光刻機(jī)的產(chǎn)能可以做到每小時(shí)6090片。就Track而言，目前高端市場占有率最高的是TEL,其次就是DNS , 在產(chǎn)

8、能和穩(wěn)定性方面，TEL占有較大優(yōu)勢(shì).不管是DNS還是TEL，其 設(shè)備都是把spin coat, Develop,熱板，冷板以及洗邊的模塊堆疊起 來，通過中間的機(jī)械手來傳送晶圓。就Scanner而言,目前在高端市場上，ASML在分辨率，穩(wěn)定性和 產(chǎn)能方面都占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，將其競爭者(Nikon , Canon )遠(yuǎn)遠(yuǎn)甩在 后面。ASML光刻機(jī)是一個(gè)非常負(fù)責(zé)的系統(tǒng)，一般來說包括以下幾個(gè) 子系統(tǒng)：Operator Control UnitScanning Reticle StageAirmounts Scanning WaferStageLaserIlluminatorWafer z Transpor

9、tSystemBeam DeliveryProjection lens”- AWL晶圓處理系統(tǒng)(wafer handling)，就是晶圓傳送和預(yù)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)， 通過CCD偵測(cè)晶圓邊緣的預(yù)對(duì)準(zhǔn)精度能達(dá)到40微米以下.光罩處理系統(tǒng)(reticle handling)，就是光罩傳送和預(yù)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)。對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)(Alignment)，就是做晶圓和載片臺(tái)(wafer stage) 間對(duì)準(zhǔn)，載片臺(tái)和光罩之間對(duì)準(zhǔn)，載片臺(tái)和光罩載物臺(tái)間對(duì)準(zhǔn)。ASML設(shè)備有不同的對(duì)準(zhǔn)光源，主要是He-Ne激光和曝光用紫 外線。單就設(shè)備能力而言，光刻后圖形的對(duì)準(zhǔn)精度一般可以做 到特征線寬的1/10左右，例如Iline stepper 10

10、0B的特征線寬 可以做到0.5um，設(shè)備對(duì)準(zhǔn)精度就可以做到0。05um。成像系統(tǒng)(Imaging)，光刻機(jī)成像系統(tǒng)包括光源，光罩，投影鏡 頭組。由于現(xiàn)在工藝的發(fā)展，線寬越來越小，即便是紫外線在 通過光罩時(shí),也會(huì)發(fā)生衍射，而投影鏡就是收集衍射后的光線并 用凹凸鏡成像。一般stepper(步進(jìn)式光刻機(jī))成像都是光罩的 1/5，而 scanner 則是 1/4.找平系統(tǒng)(Leveling)，光刻機(jī)成像系統(tǒng)包括光源光罩，投影鏡 頭組,載片臺(tái)和晶圓，其中任何一個(gè)有微小偏差，都會(huì)導(dǎo)致成像 面和晶圓不在一個(gè)平面上leveling系統(tǒng)就是在曝光前測(cè)量晶圓表面與成像面是否平行，從而在曝光時(shí)可以調(diào)整載片臺(tái)的表面，

11、使晶圓表面與成像面平行，得到最佳的光刻圖形。Leveling 系統(tǒng)的偵測(cè)與調(diào)整都是在ppm或um的數(shù)量級(jí)內(nèi)進(jìn)行的。6）照明系統(tǒng)（Illumination）,就是把光源發(fā)出的光傳送到光罩表面 的系統(tǒng)，在傳送的過程中要濾波長與要求不符和的（I-line波長 365nm，DUV KrF 是 248nm，而 ArF 則是 193nm），并且要 使光束達(dá)到均勻一致，光束的大小也要符合曝光區(qū)域的要求。 通常ASML光束不均勻性可以做到1.5%以下，而曝光范圍精 度可以控制在100um以下。7）環(huán)境控制系統(tǒng)（C&T），主要分成溫度控制和潔凈度兩部分。 溫度控制主要通過循環(huán)冷卻水和熱交換機(jī)來實(shí)現(xiàn)，而潔凈度由

12、downflow鼓入干凈空氣和向外的強(qiáng)排風(fēng)來實(shí)現(xiàn)。光刻機(jī)內(nèi)部可 以達(dá)到class 1的環(huán)境。四、光刻參數(shù)介紹光刻工藝中重要的參數(shù)很多，例如數(shù)值孔徑（NA），空間相干 系數(shù)（Sigma ），能量（dose ），焦點(diǎn)偏移（Focus offset），對(duì)準(zhǔn) 偏差補(bǔ)值（OVL offset），曝光平面旋轉(zhuǎn)等等，其中最為重要的就是 NA。下面是光刻工藝中最為重要的兩個(gè)公式：ResolutionR = kr NADepth of FocusDOI=k:一一（N府入是指曝光所用光源的波長Resolution就是分辨率，也就是我們表征光刻機(jī)能力最重要的 一個(gè)參數(shù)，分辨率越小表明設(shè)備能做到的線寬越小，設(shè)備越先進(jìn)

13、； DOF即景深，是有效成像對(duì)應(yīng)的Focus范圍，也是表征設(shè)備性能的 重要參數(shù)，DOF越大表明設(shè)備工藝容忍度越高，設(shè)備越先進(jìn)。而K1、 K2是兩個(gè)與系統(tǒng)相關(guān)的系數(shù)，由這兩個(gè)公式我們可以看到入與 resolution成正比，由此光刻機(jī)曝光光源由紫外線像深紫外線發(fā)展， 目前最先進(jìn)的是ArF激光產(chǎn)生的193nm光源。而NA則是與分辨率 成反比，從下面stepper和scanner的NA發(fā)展中就可發(fā)現(xiàn)。但是我 們?cè)谝蠓直媛试絹碓叫〉耐瑫r(shí)也希望盡量增加DOF，這要求減小 NA增加入.所以NA的變化不能太大，好在隨著光刻膠與光罩技術(shù)的 發(fā)展，對(duì)DOF的要求越來越小,Iline光刻機(jī)要求的DOF 一般在

14、0.6um以上，而ArF光刻機(jī)在0.2um就可以了。Stepper Tool SpecificationsSpecifications722/too/200/250/300Wavelength (mn)Resolution (nm)3&57003&54003&5350365300248250NA rangeD.400.48 0.60D.4S 0.600.48-0.6。0.40-0.57Scanner Tool Specificat.LOOSSpecifications/400B/550D/700D/800Wavelenli (ntn)Resolution (nm) NA range3砧30。0

15、.48 0.6524G0.48 - 0.6324S0.SO- 0.7024S1200.55 O.SONA , Sigma這些參數(shù)極為重要，在產(chǎn)品工藝建立初期，我們就 需要通過模擬軟件算出最佳設(shè)定，并通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證，在以后的工 藝維護(hù)中不會(huì)輕易更改。而驗(yàn)證這些設(shè)定方法就是看不同設(shè)定下工 藝窗口的大小，表征工藝窗口的兩個(gè)主要指標(biāo)就是DOF和EL （有 效能量范圍），工藝窗口越大表明工藝越穩(wěn)定。后期工藝維護(hù)中就 在在DOF與EL的范圍內(nèi)來調(diào)整focus offset和dose.OVL補(bǔ)值是和不同層之間對(duì)準(zhǔn)相關(guān)的設(shè)定，由于工藝和光罩， 晶圓的偏差，我們不一定要求光刻機(jī)在對(duì)得最好的位置曝光，而是在 一定偏移下曝光才能得到對(duì)得最好的圖形。OVL補(bǔ)值關(guān)系到當(dāng)層和 前層工藝、設(shè)備、光刻膠等等條件，比較難控制，一般在OVL要求 很高的工藝中，把相關(guān)因素都編在一個(gè)自動(dòng)補(bǔ)值的軟件中，讓軟件 來自動(dòng)計(jì)算補(bǔ)值才相對(duì)準(zhǔn)確。如果OVL要求不是特別高，我們?cè)谧?好不同設(shè)備間OVL 致性檢查和補(bǔ)值后，通過抽檢產(chǎn)品來監(jiān)控有無 異常即可。五、光刻在GaAs中的應(yīng)用光刻工藝在GaAs中的應(yīng)用會(huì)有所不同，一方面有普通意義上 的光