半导体制造工艺之光刻工艺(一)

半导体工艺与设备 2022-12-09 07:00

光刻工艺:与小时候玩的日光照相原理相似,光刻包括曝光装置、感光材料的光刻胶、有版图的掩膜版,还包括涂胶显影工艺。


1、光刻工艺的流程

光刻的工艺流程主要如图1所示,首先,在准备刻蚀的薄膜上面涂上光刻胶,

该工序使用涂胶装置(涂胶机)。为了去除光刻胶中含有的溶剂,在70 ~ 90°C的温度下进行前烘(Pre -Bake)。在曝光装置上绘制掩膜图形。接下来进行显影,只留下必要的光刻胶。之后,为了完全去除显影液和清洗液成分,增强与刻蚀物的附着性,在100℃左右进行后烘(Past Bake)。有时候,前烘被称为较烘,后烘被称为硬烘。这是系列化的光刻流程。


如上所述,光刻只是创建光刻胶的图形。从这个意义来说,光刻与草图或素插相当,刻蚀和灰化是实际绘画的过程。

接触式曝光:将掩膜版与晶圆接触进行曝光,光学系统简单、价格较低,缺点是晶圆上的灰尘会黏到掩膜版上以及硅片会划伤掩膜版。此外,接触式曝光需要掩膜版覆盖晶圆的全部区域,曝光图形是11复制,因此,曝光精度不高,一般在微米量级。


2、接触式曝光示意图


缩小投影:为解决接触式曝光的问题,开发了缩小投影曝光的方法,该方法已经实用化。使用光学系统将掩膜版图案缩小复制到晶圆上,因此不会有灰尘黏附以及刮伤掩膜版的问题。由于光刻图形通常缩小到1/4或者1/5,因此可以大大提高光刻的精度。


但不能像接触式曝光一样,晶圆和掩膜版固定不动,投影式曝光晶圆与掩膜版都会移动,有步进、重复曝光、扫描晶圆的方法。

3、缩小投影曝光示意图

电子束曝光:该方法式将图形转换为数据,使用电子束曝光设备直接将图案复制到光刻胶上,光刻精度很高,但是价格昂贵、耗时较长,难以量产。


推动微细化的曝光技术的演变


未来推进微细化,光的波长需要变短,因此需要开发相应的光学系统以及光刻胶。


分辨率:

λ:曝光波长

NA:镜头光圈(Numerical Aperture

k:取决于工艺参数

为了提高分辨率

1、 λ短波长光源;

2NA增大镜头系统的改进

3k因子改进光刻胶改进和其它超分辨技术


焦深:可以看成是对焦的深度,焦深较大时,在焦深范围内,即使晶圆表面有台阶,在台阶上下转移图形也不会有差异;但如果焦深较小,则存在问题。


为了提高分辨率,应减小λNA增大时,焦深变小。焦深变小,会导致有台阶的图形曝光异常,因此,CMP技术也很重要。


光源和曝光设备的历史:

为了提高分辨率,曝光波长的变短是必要的。分辨率的提高依赖于光源、光刻胶、光学系统的开发。在1um到亚微米之间,高压汞灯的G线(G-line)被使用。半微米到亚半微米之间,统同一高压水银灯的I线(I-Line)被使用。


4、曝光光源的历史


之后,0.35um0.25um以下使用KrF准分子激光的246nm光源,从0.1um以下的90nm节点开始使用ArF准分子激光器的193nm光源,而且进入ArF浸液和双重图形的时代。


掩膜版和防尘薄膜


掩膜版:掩膜版微电子制造过程中的图形转移母版,掩膜版的作用是将设计者的电路图形通过曝光的方式转移到下游行业的基板或晶圆上,从而实现批量化生产。作为光刻复制图形的基准和蓝本,掩膜版是连接工业设计和工艺制造的关键,掩膜版的精度和质量水平会直接影响最终下游制品的优品率。

掩膜基板材料:合成石英为主,原材料主要依靠进口。


5、自动化产线使用的光刻掩膜版


光刻是将掩膜版上的图形精确地转移到光刻胶上,所以如果掩膜版上有缺陷,也会全部转移到光刻胶上。掩膜版是在透光的石英基板上用铬(Cr)作为遮光材料,形成一定的图形。如果铬膜有缺陷、划痕、灰尘或颗粒,都会导致图形缺陷,降低半导体器件的成品率。掩膜版的制造、检查和管理是前段制程生产线的重要课题。随着微细化的发展,相移掩膜和OPC等掩膜版的结构也变得越来越复杂。

相移掩膜(PSM,Phase Shift Mask):在掩膜板上,周期性地在相邻的图形、中,每隔一个图形特征对掩膜板的结构(减薄或者加厚)进行改变,使相邻图形的相位相差180度,从而可以达到提升分辨率的目的,相移掩膜板技术使掩膜板的制作难度和成本大幅增加。

6、掩膜版与相移掩膜版


OPC(Optical Proximity Effect Correction)的缩写,光学临近效应矫正。在曝光过程中,往往会因为光学临近效应使最后的图形质量下降:线宽的变化;转角的圆化;线长的缩短等。因此,需要在掩膜版上形成用于矫正图形的辅助图案,以以制光的临近效应并提高分辨率。


防尘薄膜:防尘薄膜是为了防止光学掩模版上的颗粒造成图形缺陷的薄膜,在掩膜版上几mm的位置上,在边框上粘一层薄薄的透明膜,这样即使有颗粒,在防尘膜上也不会对曝光图形造成影响。因为掩膜版与防尘膜是分开的,一般保护膜距离基板距离为6 mm,而光刻机的焦深最多100~200 nm,当颗粒投影到晶圆表面时会失焦(defocus),在晶圆表面形成一个模糊的像,对晶圆表面条纹影响较小。


7、掩膜版和防灰薄膜的关系

半导体工艺与设备 1、半导体工艺研究、梳理和探讨。 2、半导体设备应用、研发和进展。 3、建华高科半导体设备推广,包括:曝光机、探针台、匀胶机和切片机。 4、四十五所半导体设备推广,包括:湿化学设备、先进封装设备、电子元器件生产设备等。
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