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 半导体的光刻工艺全过程,技术讲解


光刻技术是半导体设备中更为关键的加工工艺流程之一。关键功效是将掩膜板上的图型拷贝到单晶硅片上,为下一步开展离子注入或是离子注入工艺流程做好充分的准备。光刻技术的成本费约为全部单晶硅片生产制造加工工艺的1/3,消耗時间约占全部单晶硅片加工工艺的40~60%。
光刻技术是生产流水线较贵的机器设备,5~15万美元/台。主要是重在显像系统软件(由15~20个直 径为200~300mm的镜片构成)和手机定位系统(精度等级低于10nm)。其折旧费速率十分快,大概3~9万RMB/天,因此也称作提款机。光刻技术一部分的主 要机器设备包含两一部分:路轨机(Tracker),用以点胶显影液;扫描仪曝光机(Scanning )





光刻技术的规定:光刻技术专用工具具备高的屏幕分辨率;光刻技术具备高的电子光学敏感度;精确地指向;大容量单晶硅片的生产制造;低的缺点相对密度。
 
光刻技术全过程
 
一般的光刻技术要历经单晶硅片表层清理烘干处理、涂底、旋涂光刻技术、软烘、指向曝出、后烘、显影液、硬烘、离子注入、检验等工艺流程。
1、硅片清洗烘干处理(Cleaning and Pre-Baking)
 
 
方式 :湿式清理+双蒸水清洗+脱干蛋糕烘焙(发热板150~2500C,1~2分钟,N2维护)
目地:a、去除表层的空气污染物(颗粒物、有机化合物、加工工艺残留、移动正离子);b、去除水蒸汽,是底材表层由吸水性变成憎水,提高表层的粘附(对光刻技术或是是HMDS-〉六羟基二硅胺烷)。
2、涂底(Priming)
方式 :a、液相成底膜的发热板涂底。HMDS蒸汽淀积,200~2500C,三十秒钟;优势:涂底匀称、防止颗粒物环境污染;   b、转动涂底。缺陷:颗粒物环境污染、涂底不匀称、HMDS使用量大。
目地:使表层具备疏水性,提高底材表层与光刻技术的粘附。
3、转动点胶(Spin-on PR Coating)
 
 
方式 :a、静态数据点胶(Static)。单晶硅片静止不动时,滴胶、加快转动、甩胶、蒸发有机溶剂(原光刻技术的有机溶剂约占65~85%,旋涂后约占10~20%);
b、动态性(Dynamic)。低速档转动(500rpm_rotation per minute)、滴胶、加快转动(3000rpm)、甩胶、蒸发有机溶剂。
决策光刻技术点胶薄厚的重要主要参数:光刻技术的粘度(Viscosity),粘度越低,光刻技术的薄厚越薄;转动速率,速率越快,薄厚越薄;
危害光刻技术薄厚均运性的主要参数:转动瞬时速度,加快越来越快越匀称;与转动加快的时间点相关。
一般旋涂光刻技术的薄厚与曝出的灯源光波长相关(由于不一样等级的曝出光波长相匹配不一样的光刻技术类型和屏幕分辨率):
I-line更厚,约0.7~3μm;KrF的薄厚约0.4~0.9μm;ArF的薄厚约0.2~0.5μm。
4、软烘(Soft Baking)
方式 :真空泵发热板,85~120℃,30~60秒;
 
 
目地:去除有机溶剂(4~7%);提高粘附;释放出来光刻技术膜内的地应力;避免 光刻技术沾污机器设备;
边沿光刻技术的除去(EBR,Edge Bead Removal)。光刻技术涂敷后,在单晶硅片边沿的正反面都是会有光刻技术的沉积。边沿的光刻技术一般施胶不匀称,不可以获得非常好的图型,并且非常容易产生脱离(Peeling)而危害其他一部分的图型。因此必须 除去。
方式 :a、有机化学的方式 (Chemical EBR)。软烘后,用PGMEA或EGMEA去边有机溶剂,喷出来小量在正反两面边沿出,并当心操纵不必抵达光刻技术合理地区;b、电子光学方式 (Optical EBR)。即单晶硅片边沿曝出(WEE,Wafer Edge Exposure)。在进行图型的曝出后,用激光器曝出单晶硅片边沿,随后在显影液或独特有机溶剂中融解
5、指向并曝出(Alignment and Exposure)
 
 
指向方式 :a、预指向,根据单晶硅片上的notch或是flat开展激光器全自动指向;b、根据指向标示(Align Mark),坐落于激光切割槽(Scribe Line)上。此外固层指向,即套刻精密度(Overlay),确保图型与单晶硅片上早已存有的图型中间的指向。
 
 
曝出中最重要的2个主要参数是:曝出动能(Energy)和镜头焦距(Focus)。假如动能和镜头焦距调节不太好,就不可以获得规定的屏幕分辨率和尺寸的图型。主要表现为图型的重要规格超过规定的范畴。
曝出方式 :a、容栅曝出(Contact Printing)。掩膜板立即与光刻技术层触碰。曝出出去的图型与掩膜板上的图型屏幕分辨率非常,机器设备简易。缺陷:光刻技术环境污染掩膜板;掩膜板的损坏,使用寿命很低(只有应用5~25次);1970前应用,屏幕分辨率〉0.5μm。
b、贴近式曝出(Proximity Printing)。掩膜板与光刻技术层的稍微分离,大概为10~50μm。能够防止与光刻技术直接接触而造成的掩膜板损害。可是与此同时引进了透射效用,减少了屏幕分辨率。1970后可用,可是其较大屏幕分辨率仅为2~4μm。
c、投射式曝出(Projection Printing)。在掩膜板与光刻技术中间应用镜片集聚光完成曝出。一般掩膜板的规格会以必须 迁移图型的4倍制做。优势:提升了屏幕分辨率;掩膜板的制做更为非常容易;掩膜板上的缺点危害减少。
投射式曝出归类:
扫描仪投射曝出(Scanning Project Printing)。70年代末~八十年代初,〉1μm加工工艺;掩膜板1:1,全规格;
步进电机反复投射曝出(Stepping-repeating Project Printing或称之为Stepper)。八十年代末~90年代,0.35μm(I line)~0.25μm(DUV)。掩膜板变小占比(4:1),曝出地区(Exposure Field)22×22mm(一次曝出能够遮盖的地区)。提升了三棱镜系统软件的制做难度系数。
扫描仪步进电机投射曝出(Scanning-Stepping Project Printing)。90年代末~迄今,用以≤0.18μm加工工艺。选用6英寸的掩膜板依照4:1的占比曝出,曝出地区(Exposure Field)26×33mm。优势:扩大了每一次曝出的视场;给予单晶硅片表层不整平的赔偿;提升全部单晶硅片的规格匀称性。可是,与此同时由于必须 往复运动,提升了机 械系统软件的精密度规定。
在曝出全过程中,必须 对不一样的主要参数和很有可能缺点开展追踪和操纵,会采用检验操纵集成ic/控片 (Monitor Chip)。依据不一样的检验操纵目标,能够分成下列几类:a、颗粒物控片(Particle MC):用以集成ic上细微颗粒物的监管,应用前其颗粒物数应低于10颗;b、液压卡盘颗粒物控片(Chuck Particle MC):检测光刻技术上的液压卡盘平整度的专用型集成ic,其平整度规定十分高;c、镜头焦距控片(Focus MC):做为光刻技术监管镜头焦距监管;d、重要规格控片(Critical Dimension MC):用以光刻技术区重要规格可靠性的监管;e、光刻技术薄厚控片(PhotoResist Thickness MC):光刻技术薄厚精确测量;f、光刻技术缺点控片(PDM,Photo Defect Monitor):光刻技术缺点监管。
举例说明:0.18μm的CMOS扫描仪步进电机光刻技术。
灯源:KrF氟化氪DUV灯源(248nm) ;数值孔径NA:0.6~0.7; 相对孔径DOF:0.7μm
屏幕分辨率Resolution:0.18~0.25μm
(一般选用了偏轴照明灯具OAI_Off- Axis Illumination和相位掩膜板技术性PSM_Phase Shift Mask提高);
套刻精密度Overlay:65nm;生产能力Throughput:30~60wafers/hour(200mm);
视场规格Field Size:25×32mm;
6、后烘(PEB,Post Exposure Baking)
方式 :发热板,110~1300C,1分钟。
目地:a、降低驻波比效用;b、激起有机化学提高光刻技术的PAG造成的酸与光刻技术上的维护官能团产生反映并清除官能团使之能融解于显影液。
7、显影液(Development)
方式 :a、大盒单晶硅片浸入式显影液(Batch Development)。缺陷:显影液耗费非常大;显影液的匀称能力差;
b、持续喷雾器显影液(Continuous Spray Development)/翻转显影液(Auto-rotation Development)。一个或好几个喷头喷撒显影液在单晶硅片表层,与此同时单晶硅片低速档转动(100~500rpm)。喷头喷雾器方式和单晶硅片转动速率是完成单晶硅片间溶 解率和匀称性的精确性的重要调整主要参数。
c、水洼(旋覆浸入)式显影液(Puddle Development)。喷覆充足(不可以过多,降到最低反面环境湿度)的显影液到单晶硅片表层,并产生水洼样子(显影液的流动性维持较低,以降低边沿显影液速度的变 化)。单晶硅片固定不动或渐渐地转动。一般选用数次旋覆显影液:第一次涂敷、维持10~三十秒、除去;第二次涂敷、维持、除去。随后用双蒸水清洗(除去单晶硅片双面的 全部化工品)并转动脱水。优势:显影液使用量少;单晶硅片显影液匀称;降到最低了温度场。
显影液:a、正性光刻技术的显影液。正胶的显影液位偏碱溶液。KOH和NaOH由于会产生可 动正离子环境污染(MIC,Movable Ion Contamination),因此在IC生产制造中一般无需。最一般的正胶显影液是四羟基氢氧化铵(TMAH)(规范当量浓度为0.26,溫度 15~250C)。在I线光刻技术曝出中会转化成羧基,TMAH显影液中的碱与酸中合使曝出的光刻技术融解于显影液,而未曝出的光刻技术沒有危害;在有机化学变大光刻技术 胶(CAR,Chemical Amplified Resist)中包括的脲醛树脂以PHS方式存有。CAR中的PAG造成的酸会除去PHS中的维护官能团(t-BOC),进而使PHS迅速融解于TMAH显 影液中。全部显影液全过程中,TMAH沒有同PHS产生反映。
b、负性光刻技术的显影液。二甲苯。清洁液为甲酸丁脂或酒精、三氯乙烯。
 
 
显影液中的疑难问题:a、显影液不彻底(Incomplete Development)。表层还残余有光刻技术。显影液不够导致;b、显影液不足(Under Development)。显影液的外壁不竖直,由显影液時间不够导致;c、过多显影液(Over Development)。挨近表层的光刻技术被显影液过多融解,产生阶梯。显影液時间过长。
8、硬烘(Hard Baking)
方式 :发热板,100~1300C(稍高于热膨胀系数Tg),1~2分钟。
目地:a、彻底挥发掉光刻技术里边的有机溶剂(以防在环境污染事后的离子注入自然环境,比如DNQ脲醛树脂 光刻技术中的氮会造成光刻技术部分崩裂);b、坚膜,以提升光刻技术在离子注入或离子注入中维护下表层的工作能力;c、进一步提高光刻技术与单晶硅片表层中间的粘附;d、进 一步降低驻波比效用(Standing Wave Effect)。
疑难问题:a、烤制不够(Underbake)。变弱光刻技术的抗压强度(抗离子注入工作能力和离子注入中 的阻拦工作能力);减少针眼添充工作能力(Gapfill Capability for the needle hole);减少与底材的粘附工作能力。b、烤制过多(Overbake)。造成光刻技术的流动性,使图型精密度减少,屏幕分辨率下降。
此外还能够用深紫外线(DUV,Deep Ultra-Violet)坚膜。使正性光刻技术环氧树脂产生化学交联产生一层薄的表层壳子,提升光刻技术的耐热性。在后面的低温等离子离子注入和离子注入(125~2000C)加工工艺中降低因光刻技术高溫流动性而造成屏幕分辨率的减少。



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