一、光刻工藝概述

• 復(fù)制在一塊石英板(reticle)上鉻層的芯片專門層的圖形。依次使用reticle 來產(chǎn)生一個(gè)攜帶用于整個(gè)晶圓圖形的光掩模。
• relicle 可以使用步進(jìn)光刻機(jī)(stepper),直接用于晶圓表面層的圖形。
• 在圖形發(fā)生器中的電路層的信息(尺寸、形狀和對(duì)準(zhǔn)等)可以直接用于導(dǎo)引電子束或其他源到晶片表面(directwrite)。

第二次圖形轉(zhuǎn)移是從光刻膠層到晶圓層。當(dāng)刻蝕劑把晶圓表面沒有被光刻膠蓋住的部分去掉時(shí)，圖形轉(zhuǎn)移就發(fā)生了。光刻膠的化學(xué)性決定了它不會(huì)在化學(xué)刻蝕溶劑中溶解或是慢慢溶解;它們是抗刻蝕的(etchresistant),因此被稱為抗蝕劑(Resist)或是光致抗蝕劑(Photoresist)。

剛剛我們介紹了對(duì)光有負(fù)效應(yīng)的光刻膠，稱為負(fù)膠。同樣還有對(duì)光有正效應(yīng)的光刻膠稱為正膠。光可以改變正膠的化學(xué)結(jié)構(gòu)從不可溶到可溶。這種變化稱為光致溶解(photosolu-bilization)。下圖顯示了用正膠和亮場(chǎng)掩模版在晶圓表面產(chǎn)生島區(qū)的情況。

用正光刻膠和亮場(chǎng)掩模版轉(zhuǎn)移以產(chǎn)生島區(qū)

二、光刻工藝過程

光刻膠是光刻工藝的核心。準(zhǔn)備、烘焙、曝光、刻蝕和去除工藝會(huì)根據(jù)特定的光刻膠性質(zhì)和想達(dá)到的預(yù)期結(jié)果而進(jìn)行微調(diào)。光刻膠的選擇和光刻膠工藝的研發(fā)是一項(xiàng)非常漫長而復(fù)雜的過程。一旦一種光刻工藝被建立，是極少改變的。

1）化學(xué)性質(zhì)

光敏性和對(duì)能量敏感的聚合物:對(duì)光刻膠光敏性有影響的成分是一些對(duì)光和能量敏感的特殊聚合物。聚合物是由一組大而重的分子組成的，這些分子包括碳、氫和氧。塑料就是一種典型的聚合物。

溶劑:光刻膠中容量最大的成分是溶劑。溶劑使光刻膠處于液態(tài)，并且使光刻膠能夠通過旋轉(zhuǎn)的方法涂在晶圓表面形成一個(gè)薄層。光刻膠是和涂料相類似的，包含染色劑，這種染色劑在適當(dāng)?shù)娜軇┲袝?huì)被溶解。溶劑用于負(fù)膠的溶劑是一種芬芳的二甲苯(xylene)。在正膠中，溶劑是乙酸乙氧乙酯( ethoxyethyl acetate)或者是二甲氧基乙醛(2-methoxyethyl)。

光敏劑:光敏劑被加到光刻膠中用來限制反應(yīng)光的波譜范圍或者把反應(yīng)光限制到某一特定波長。在負(fù)膠中，一種稱為bis-aryldiazide 的混合物被加到聚合物中來提供光敏性。在正膠中，光敏劑是o-naphthaquinonediazide。

添加劑:不同類型的添加劑和光刻膠混合在一起來達(dá)到特定的結(jié)果。一些負(fù)膠包含染色劑，它在光刻膠薄膜中用來吸收和控制光線。正膠可能會(huì)有化學(xué)的抗溶解系統(tǒng)(dissolutioninhibitor system)。這些添加劑可以阻止光刻膠沒有被曝光的部分在顯影過程被溶解。

2）光刻膠性能的要素

光刻膠的選擇是一個(gè)復(fù)雜的過程。主要的決定因素是晶圓表面對(duì)尺寸的要求及在刻蝕過程中阻擋刻蝕的功能。另外，光刻膠必須能和晶圓表面很好地黏結(jié)，否則刻蝕后的圖形就會(huì)發(fā)生扭曲，就像是如果在印刷過程中蠟紙沒有和表面貼緊的話，就會(huì)得到一個(gè)濺污的圖形。以上那些，連同工藝緯度和階梯覆蓋能力，都是光刻膠性能的要素。在光刻膠的選擇過程中，工藝師通常會(huì)在不同的性能因素中做出權(quán)衡。

• 分辨率

在光刻膠層能夠產(chǎn)生的最小圖形或其間距通常被作為對(duì)光刻膠分辨率(resolutioncapability)的參考。在晶圓上最關(guān)鍵的器件和電路的尺寸(CD)是圖形化工藝的目標(biāo)。產(chǎn)生的圖形或其間距越小，說明分辨率越高。一種特定光刻膠的分辨率，實(shí)際是指特定工藝的分辨率，它包括曝光源和顯影工藝。改變其他的工藝參數(shù)會(huì)改變光刻膠固有的分辨率?？傮w來說，越細(xì)的線寬需要越薄的光刻膠膜來產(chǎn)生。然而，光刻膠膜必須要足夠厚來實(shí)現(xiàn)阻擋刻蝕的功能，并且保證不能有針孔。光刻膠的選擇是這兩個(gè)目標(biāo)的權(quán)衡。

用深寬比(aspectratio)來衡量光刻膠與分辨率和光刻膠厚度相關(guān)的特殊能力。深寬比是光刻膠厚度與圖形開口尺寸的比值。

隨著業(yè)界要求更小的圖形，圖形密度和形狀因子開始在光刻膠設(shè)計(jì)方面產(chǎn)生影響。對(duì)于一種給定的光刻膠，孤立圖形，小接觸孔和高密度圖形的區(qū)域，由于反射效果和化學(xué)反應(yīng)因素，整個(gè)曝光和顯影都不同。從而，有專門用于這些情況而設(shè)計(jì)的光刻膠。正膠比負(fù)膠有更高的深寬比，也就是說，對(duì)于先進(jìn)的高密度甚大規(guī)模集成電路，更合適選用正膠。

• 黏結(jié)能力

作為刻蝕阻擋物，光刻膠層必須和晶圓表面層黏結(jié)得很好，才能夠忠實(shí)地把光刻膠層的圖形轉(zhuǎn)移到晶圓表面層。缺乏黏附性將導(dǎo)致圖形畸變。在半導(dǎo)體生產(chǎn)過程中，對(duì)于不同的表面，光刻膠的黏結(jié)能力是不同的。在光刻膠工藝中,有很多步驟是特意為了增加光刻膠對(duì)晶圓表面的自然黏結(jié)能力而設(shè)計(jì)的。負(fù)膠通常比正膠有更強(qiáng)的黏結(jié)能力。

• 針孔

針孔是光刻膠層尺寸非常小的空洞。針孔是有害的，因?yàn)樗鼤?huì)允許刻蝕劑滲過光刻膠層進(jìn)而在晶圓表面層刻蝕出小孔。針孔是在涂膠工藝中由環(huán)境中的微粒污染物造成的，也可以由光刻膠層結(jié)構(gòu)上的空洞造成。光刻膠層越薄，針孔越多。因此，光刻膠厚膜上的針孔比薄膜上的針孔要少,但是它卻降低了光刻膠的分辨率。這兩個(gè)因素是光刻膠厚度選擇過程中的一個(gè)典型的權(quán)衡。正膠的一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)就是有更高的深寬比，這個(gè)特性能夠允許正膠用更厚的光刻膠膜，以達(dá)到想要的圖形尺寸并且針孔更少。

• 微粒和污染水平

光刻膠，和其他工藝化學(xué)品一樣,必須在微粒含量、鈉和微量金屬雜質(zhì)，以及水含量方面能達(dá)到嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。

• 臺(tái)階覆蓋度

晶圓在進(jìn)行光刻工藝之前，晶圓表面已經(jīng)有了很多層。隨著晶圓生產(chǎn)工藝的進(jìn)行，晶圓表面得到了更多的層。為了使光刻膠有阻擋刻蝕的作用，它必須在以前層上面保有足夠的膜厚。光刻膠用足夠厚的膜覆蓋晶圓表面層的能力是一個(gè)非常重要的參數(shù)。

• 熱流程

在光刻工藝過程中有兩個(gè)加熱的過程。第一個(gè)稱為軟烘焙(sofbake)，用來把光刻膠里的溶劑蒸發(fā)掉。第二個(gè)稱為硬烘焙(hardbake),它發(fā)生在圖形在光刻膠層被顯影之后。硬烘焙的目的是為了增加光刻膠對(duì)晶圓表面的黏結(jié)能力。然而，光刻膠作為像塑料一樣的物質(zhì)，在硬烘焙工藝中會(huì)變軟和流動(dòng)。流動(dòng)的量會(huì)對(duì)最終的圖形尺寸有重要的影響。在烘焙的過程中光刻膠必須保持它的形狀和結(jié)構(gòu)，或者說在工藝設(shè)計(jì)中必須考慮到熱流程帶來的尺寸變化。

• 正膠、負(fù)膠的比較

使用負(fù)膠和正膠時(shí)圖形尺寸的變化

(a)亮場(chǎng)掩模版和負(fù)膠組合，圖形尺寸變小;

對(duì)于大多數(shù)掩模版來說,圖形大部分都是空洞。用正膠和暗場(chǎng)掩模版組合還可以在晶圓表面得到附加的針孔保護(hù)(見下圖)。亮場(chǎng)掩模版在玻璃表面會(huì)傾向于有裂紋。這些裂紋稱為玻璃損傷(glass damage),它會(huì)擋住曝光源而在光刻膠表面產(chǎn)生不希望的小孔,結(jié)果就會(huì)在晶圓表面刻蝕出小孔。那些在光刻膠透明區(qū)域上的污垢也會(huì)造成同樣的結(jié)果。在暗場(chǎng)掩模版上，大部分都被鉻覆蓋住了，所以不容易有針孔出現(xiàn)。因此，晶圓表面也就會(huì)有比較少的孔洞。對(duì)于非常小的圖形面積，正膠是唯一的選擇。

(a)有污垢和玻璃損傷裂紋的亮場(chǎng)掩模版

(b)顯影后在負(fù)膠上的結(jié)果

去除光刻膠也是一個(gè)因素?？傮w來說，去除正膠會(huì)比去除負(fù)膠要容易，它發(fā)生在那些受環(huán)境影響比較小的化學(xué)品中。生產(chǎn)器件和電路的制造領(lǐng)域，對(duì)于那些圖形尺寸大于2μm的工藝還是在用負(fù)膠。下圖顯示了這兩種類型光刻膠屬性的比較。

3）光刻膠的物理屬性

• 固體含量

光刻膠是一種液體，它通過旋轉(zhuǎn)的方式涂到晶圓表面。光刻膠留在晶圓表面的厚度是由涂膠工藝的參數(shù)和光刻膠的屬性--固體含量(solid content)和黏度( viscosity)來決定的。光刻膠是由聚合物、光敏劑和添加劑混合在溶劑中構(gòu)成的。不同的光刻膠會(huì)包含有不同數(shù)量的固體物。這個(gè)數(shù)量指的是光刻膠的固體含量，它是由光刻膠中質(zhì)量百分比來表示的。固體含量的范圍通常在20%~40%之間。

• 黏度

黏度是液體流動(dòng)數(shù)量上的測(cè)量。高黏度液體流動(dòng)較慢，如拖拉機(jī)油。低黏度液體比較容易流動(dòng)，如水。對(duì)于這兩種情況,流動(dòng)的機(jī)理是一樣的。當(dāng)液體被灌注時(shí),液體中的分子之間相互滾動(dòng)。當(dāng)分子滾動(dòng)時(shí)，它們之間存在一種引力。這種引力起到了一種類似于內(nèi)部摩擦力的作用。黏度就是這種摩擦力的度量。

黏度可以通過幾種不同的技術(shù)方法來測(cè)量。大多光刻膠生產(chǎn)商是通過在光刻膠中轉(zhuǎn)動(dòng)葉片來測(cè)量黏度的。黏度越高，在恒定速度下轉(zhuǎn)動(dòng)葉片所需要的力就越大。旋轉(zhuǎn)葉片的測(cè)量方法說明了黏度的力相關(guān)性。

• 表面張力

光刻膠表面張力也會(huì)影響涂膠工藝的結(jié)果。表面張力是液體表面吸引力的測(cè)量(見下圖)。具有高表面張力的液體在一個(gè)平面上不易流動(dòng)。表面張力會(huì)使液體在表面或管子中拉成一個(gè)球面。

• 折射系數(shù)

光刻膠的光學(xué)性質(zhì)會(huì)在曝光系統(tǒng)中產(chǎn)生作用。一個(gè)性質(zhì)是折射(refaction)，或者說光通過一個(gè)透明或半透明介質(zhì)時(shí)會(huì)被彎曲。物體在水中的實(shí)際位置與從水表面所看到的位置是不同的，這種現(xiàn)象就是折射。這是由于光線被物質(zhì)減慢而造成的。折射系數(shù)(indexofrefraction)是光在物質(zhì)中速度相對(duì)于光在空氣中的速度的測(cè)量(見下圖)它是反射角度和入射角度的比值。對(duì)于光刻膠，它的折射率和玻璃比較接近，大約是1.45。

折射率 (a)90°人射光;(b)斜入射光在透明薄膜中折射

• 黏性敏感度

黏性的控制對(duì)于良好的膜厚控制是最基本的。要想保持光刻膠的黏性，光刻膠在使用之前必須保持密封狀態(tài)。打開瓶子會(huì)使光刻膠里的溶劑蒸發(fā)，光刻膠里的固體含量就會(huì)相應(yīng)增加，進(jìn)而光刻膠的黏性就會(huì)增強(qiáng)。如果光刻膠從塑料管中噴灑出來，那么這種塑料物質(zhì)必須經(jīng)過測(cè)試以保證光刻膠不會(huì)從這種物質(zhì)中滲出可塑劑?？伤軇?huì)增加光刻膠的黏性。光刻膠還可以存儲(chǔ)在密封的真空袋中。光刻膠在存儲(chǔ)和運(yùn)輸過程中都要受到保護(hù)。在使用過程中，光刻膠噴灑時(shí)，密封袋連續(xù)塌進(jìn)，以保證空氣不會(huì)到達(dá)光刻膠表面。

• 保存期

光刻膠容器都有推薦的保存期。問題在于光刻膠自身的聚合和光致溶解。隨著時(shí)間的推移，光刻膠里的聚合物會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)光刻膠用于生產(chǎn)時(shí)它的性能就會(huì)受到影響。

• 清潔度

不用說，所有用來噴灑光刻膠的設(shè)備都保持在盡可能潔凈的條件下。除了系統(tǒng)中顆粒污染物的影響，干化的光刻膠也會(huì)累積在光刻膠管內(nèi)進(jìn)而污染光刻膠，所以光刻膠管必須定期清洗。清洗代理商必須核實(shí)它和光刻膠的兼容性。例如，三氯乙烯(TCE)不能用于負(fù)膠，因?yàn)樗茉诠饪棠z中產(chǎn)生氣泡。

參考文獻(xiàn)：

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