光刻工艺介绍

光刻技术发展

大多数IC模型从电路功能的定义开始。如果一个电路的作用很多很复杂的话，就可以将它分为多个方面的子功能。二级功能块放置在整体的布局和规划之中，为芯片分配空间以供未来规划。在这个阶段，设计人员应该建立芯片的高级功能作为模型，以执行功能检查和评估性能。然后，设计师使用客户设计必要的软件，并将预先设计的电路模块组合成芯片。这些单元的布局是根据设计和之前的布局，所有的规则都具有相对应的格式。这些规则是制造商和设计师之间的协议。对于每个布局层，布局设计规则指定了允许的最小特性大小、允许的最小空间、该层与其他层的最小覆盖范围以及下层图形的最小间距。所以一定要遵守这样的规则，制造商可以确保实现预期的芯片效果。设计完成后，遵循布局规则再次进行检查，以确保符合规则。最后，根据实际布局进行仿真。如果不符合要求，有必要将设计按照约定的规则进行修改，直至符合要求为止。

在微电子的生产制作的工艺中，光刻是非常繁琐，相对较难的一道流程，同时也是最为重要的一个流程。而且要想做好光刻，就需要投入更多的成本，并且其份额继续增长。市场上比较常见的硅片加工工艺都需要20块以上，甚至更多不同的掩模版，一些复杂的工艺可以有多达30个掩模。通常根据生产非常细的管线的能力来预测工艺性能。但是，评估光刻工艺的性能非常困难。制造商要求严格控制数千个硅芯片和硅芯片中超过10亿个晶体管的关键尺寸。根据设备研究人员的说法，50%的硅片性能在可接受范围内是可以接受的。

光刻过程基本可以分为两个阶段。第一阶段为通过曝光机将所需图形转移到硅片或者掩模版的表层光刻胶上；第二阶段为显影阶段，通过显影液与光刻胶的化学反应使第一阶段所产生的图形显现出来。

光刻机是集成电路制造的核心装备，评价光刻机性能主要有三个指标。即分辨率（resolution）、套刻精度(overlay)和产率（throughput）。分辨率一般有两种表示方式，分别为pitch分辨率（pitch resolution）和feature分辨率 (feature resolution)。pitch分辨率是指光刻工艺可以制作的最小周期的一半，即half-pitch(hp)。而feature分辨率是指光刻工艺可以制作的最小特征图像的尺寸，即特征尺寸（feature size），又称为关键尺寸（critical dimension，CD）.套刻精度一般指一套产品制定的对位坐标的位置差异，对于光刻机而言，套刻精度主要受限于对准系统的测量精度和工作台/掩模台的定位精度。产率一般指光刻机单位时间内曝光的产品数量，通常使用每小时曝光产品数量（wph）表示。

光刻胶特性

光刻胶又叫光致抗蚀剂，它是由光敏化合物、基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体。光刻胶受到特定波长光线的作用后，导致其化学结构发生变化，使光刻胶在某种特定溶液中的溶解特性改变，有正性和负性光刻胶之分。正性光刻胶曝光的部分可溶解于显影液中，负性光刻胶胶未曝光的部分可溶于显影液中。

光刻胶的两个最重要的特性是灵敏度和分辨率。灵敏度是指单位面积上照射的是光刻胶全部发生反应的最小光能量或最小电荷量（对电子束光刻胶）。分辨率是指在光刻胶中再现的最小特性的大小。分辨率在很大程度上取决于曝光设备和光刻胶本身。

就光刻胶的性能而言，分辨率是一个很重要的衡量标准，但它在很大程度上取决于曝光设备。因此，对比度通常用于描述光刻胶的特性[3]。测量光刻胶对比度的方法是：要先在相对应的硅片上进行光刻胶的工艺，这样能更方便地看出光刻胶的厚度是否均一，给光刻胶一个短暂的均一曝光，然后将硅盘浸入显影剂中固定时间，最后取硅盘，清洗并干燥，测量剩余的光刻胶厚度。如果光强度不太强，则光刻胶的厚度基本不变，光强度的剂量不断增加，并进行重复试验。然后，绘制出曝光能量与光刻胶厚度之间的对数曲线。该曲线有3个区域：非曝光区域，这里所有的光刻胶都基本能够保留下来；曝光区域，在这里光刻胶都会被显影液反应剥离掉；在这两个极端区域的中间区域是所谓的过渡区域。

对比度：

式中，Y为直线的斜率；

D100为所有光刻胶都被去掉时的曝光能量；

D0为开始化学反应时曝光的最低能量。

如图1所示，对比度是对数坐标下对比度曲线的斜率，标识光刻胶区分掩模上两区和暗区能力的大小。即对能量变化的敏感程度。对比度曲线越陡，D0与D100的间距就越小，则Y就越大，这样有助于得到图形轮廓清晰和分辨率高。一般光刻胶的对比度在0.9～2.0，对于亚微米图形，要求对比度大于1，同时正性胶的对比度高于负性胶。

图1 对比度曲线

光刻工艺流程

光刻技术是一种将掩模图案转换为硅光盘表面光阻的技术。因为元件和电路设计都通过蚀刻和离子注入将光敏电阻中定义的图案转移到硅片表面，而光敏电阻的图案是通过光刻技术确定的。因此，光刻在IC制造中起着非常重要的作用，如图2所示。

图2典型的工艺流程

图2 显示光刻是IC制造的核心。从硅片到芯片成品，即便最基本的芯片也需要5次光刻过程，而高端芯片更是多达30多个光刻过程。制造集成电路非常耗时。通常，用硅片制作成品芯片需要至少6～8周的时间，而光刻在整个生产过程中基本占据40%～50%的生产时间。

光刻技术的主要评价因素是高灵敏度，高分辨率，低故障率和精确对准。随着光刻分辨率的增加，光刻的最小尺寸减小，同时硅芯片中的芯片数量增加。

光刻工艺可分为3个主要阶段：耐光涂层、对准和曝光以及显影。为了获得高分辨率，光刻技术还使用了一些烘烤和冷却步骤。从光刻工艺的流程来看，它主要包括几个工艺步骤，如图3所示。

图3 光刻工艺的基本流程

气相成膜

气相成膜阶段又分为产品清洗，烘干及成膜3个阶段：

清洗主要是为了去除产品表面的有机和无机污染物、颗粒等。通过湿法的清洗来提高产品表面的洁净度来增加光刻胶涂布的附着力。去除有机和无机化合物。硅片表面上的颗粒会导致光敏电阻出现孔洞，有机和无机杂质会导致光阻粘附问题以及元件和电路故障。

烘干为了去除产品清洗后表面的水汽来增加光刻胶在产品表面的附着力。

成膜是在硅片表面涂上了一层六甲基二硅氮烷（HMDS）提高光刻胶与硅片表面的附着力。

旋转涂胶

在产品表面涂上光刻胶，光刻胶涂布主要有旋涂和刮涂两种涂胶方式。

软烤

软烤是指在90～120℃的温度下，在热板加热烘烤2～3 min。它用于去除耐光性中的溶剂，并固定耐光性的特性。显影剂耐光性的溶解速度主要取决于耐光性中溶剂的浓度。通常，短烘烤时间或低温会增加胶水在显影剂中的溶解速度，并增加灵敏度。然而，这会降低曝光的对比度。

曝光

曝光是光刻工艺中最关键的步骤，曝光决定了掩模的集成电路设计模型能否成功地转换到产品表面的光刻胶上。

曝光后烘烤

曝光后烘烤可降低耐光性的驻波效应，并激活化学强化效应，并激活化学强化效应，使化学反应更加的充分。典型烘烤条件为110~130℃，烘烤时间为几十秒到两分钟不等。

显影

显像出光刻在硅片/掩模版上的图形。

坚膜烘烤

坚膜烘烤可以去除光刻胶中残留的显影液和水分，坚固光刻胶，进一步提高光刻胶在产品表面的附着力。

显影检查

显影检查为了在该阶段找出光刻及显影不合格品，避免后续蚀刻对原材料造成报废，检查中的合格品将进行蚀刻等处理，不合格品将进行去胶清洗继续进行气相成底膜加工。

掩模版光刻胶涂布胶厚均匀性影响因素

涂胶机主轴的旋转速度对胶厚均匀性的影响

涂胶机的主轴转速与薄胶厚度的形状密切相关。一般来说转速越高，产品中心光刻胶越薄，边缘光刻胶越厚。图4所示，在3 000 r/min转速下，整个产品表面光刻胶厚度相对均一。在实际生产中，我们还根据产品实际测量的光刻胶厚度分布的形状调整速度。然而，涂胶机转速也有一个上限，通常不能够高于5 000 r/min。由于高速旋转，向下位移增加。当速度足够高，排气量超过CUP设备设置的排气量时，气流反向流动，反而不利于得到预期的光刻胶厚度。

图4 胶厚形状与转速关系

光刻胶温度对胶厚均匀性的影响

如图5所示，光刻胶的温度对光刻胶涂布的厚度均匀性也存在影响，温度越高产品中心的胶厚越厚，温度越低产品中心胶厚越薄。因此在生产过程中需要将光刻胶进行回温处理，使其温度基本与净化房的室温保持一致（23℃左右），因为此时，光刻胶厚度均匀性也是最佳的。但在实际生产中还要依据做出的胶厚分布形状来调整温度。

图5 光刻胶温度与胶厚形状关系

排气压力对胶厚均匀性的影响

排气压力也是光刻胶涂布厚度的均匀性重要的影响因素，尤其是在产品边缘。必须选择正确的排气压力，以获得具有高均匀性和较小的缺陷。排气压力太小会造成边缘去除剂在产品上的喷雾形成针孔，从而导致光刻胶粘附缺陷，最终导致产品光刻出的图形存在缺陷。排气压力大会使旋转盘边缘气流太大而影响光刻胶的厚度。这主要是由于在涂胶粘合过程中是从涂胶设备腔体边缘排风口进行排风，导致产品边缘排气压力较大。当排气压力到达一定程度后产品边缘光刻胶表面的溶剂迅速挥发并干燥，产品边缘光刻胶内部溶剂未能够充分挥发，然而产品中心区域光刻胶表面和内部溶剂含量变化较小，从而形成了产品边缘胶厚、中心胶薄的分布形态，这种形态在日常生产中经常出现，如图6所示。

图6 排风结构图

涂胶机冷板温度对胶厚均匀性的影响

冷板的温度对产品上的胶厚均匀性的影响也是非常明显的。如图7所示，当温度越高整个产品边缘的胶厚就越厚，但相对于边缘的胶厚来说，中心区域的胶厚相对比较薄。因此涂胶机的产品冷板尽量使其与光刻胶温度保持一致，这样在实际的生产过程中才能够涂布出理想的胶厚。

图7 冷板温度与胶厚图

胶厚均匀性问题的分析

1 片内均匀性

单张产品片内胶厚均匀性不良主要有3个原因。

（1）在产品边缘极端的变薄。掩模版边缘极度变薄的一个可能原因是，后冲洗产生的后溅导致大量溶剂积聚在设备腔体（CUP）底，从而冷却掩模版的背面。因为温度对胶厚的影响是非常大的。掩模版边缘极度变薄的另一种情况是衬底边缘未进行光刻胶的涂抹工艺。这主要是由于HMDS过多，会导致掩模版表面上的应力过大，并导致光阻向掩模版中心收缩[7]。

（2）产品中心的胶厚不均一。有时，掩模版中心的薄胶厚度状况不佳，这通常可能是由于喷嘴前端光刻胶硬化或喷嘴不在中心。由于喷嘴不在掩模版中心，光刻胶不会落入掩模版中心就旋转离开。这个问题可以根据胶厚的程度将光刻胶喷嘴的位置进行校正或者清洁，这样可以减轻胶厚不均的现象。

（3）胶厚成平滑的单边下降型。出现此问题的原因通常是掩模版在预烘烤时有异物导致加热不均一。有时，这种现象也是由于放置掩模版的支撑臂位置不佳造成的。对于一些温度敏感的光刻胶，虽然薄胶厚度没有很大的影响，但它会影响光刻胶的灵敏度。最后，光刻精度会受到影响。因此，必须调整或清洁预烘烤烤盘。

2 批生产片间均匀性

除了实现单个产品片内涂胶厚度均一的目标外，还要求批生产片间的涂胶厚度均一。

（1）胶厚逐步减少。当观察到一批产品中的胶厚在涂布后逐渐减小时，设备腔体（CUP）温度和湿度控制器的风量可能不足，或者反冲洗（BACK RINSE）-吸收的溶剂将流回涂胶（COATER）模块。使用高挥发性溶剂时有时会出现此问题。随着制造更多的掩模版，废气减少或设备腔体（CUP）中溶剂的成分增加，从而影响胶膜的厚度。此时我们需要检查风速，如果风速相对较低，则必须再次调整，或者减少反冲洗（BACK RINSE）流量并调整反冲洗（BACK RINSE）的位置。

（2）胶厚循环性的波动。有时在生产中片间的胶厚出现循环的波动，这很可能是由设备腔体（CUP）湿度波动引起。这就要求在生产工艺过程中不断的对设备腔体（CUP）湿度进行测量，如果胶厚的变化和湿度的变化一致，就可以明确是因为涂胶腔体（CUP）的湿度变化引起的光刻胶厚的变化。

（3）第一张或前面两张的产品胶厚比较厚。在一个批次生产中常常是第一张或前两张产品的胶厚要比后面产品的厚，此时就需检查涂胶机冷板。往往是涂胶前的冷板运行的时间太短。造成了产品冷却不充分，使得产品在涂布时温度偏高影响到胶厚。而后面的产品因为冷板运行时间充分，温度达到稳定状态，这样徒步的光刻胶厚度较前两张均匀性好。正常生产中等到冷板的温度稳定后方可对产品进行涂布。因此只要增加设定的工艺时间就可以很好的解决问题。

结束语

为获得表面平坦且厚度均匀的光刻胶涂层，需要管控好各种影响因素。通过对影响光刻胶涂胶厚度均匀性的4个关键因素的测试和分析，对每个因素造成胶厚不均匀的原因有了一定的了解和认知，同时对造成片内厚度均匀性和片间厚度均匀性低劣的原因进行了详细的介绍，对于以后在涂胶生产过程中出现胶厚不均匀问题的解决提供了很好的帮助及指导意义。

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