集成电路设计第8部分课件.ppt

2019年7月1日,2,主要内容,光刻胶的组成 曝光后光刻胶的反应 对比度曲线 光刻工艺 光刻胶的发展,2019年7月1日,3,光学光刻的辅助材料——光刻胶,在光学曝光过程中，在晶圆表面产生根据掩模制作的辐照图形 为了将掩模板上的图形转移到晶圆上去，光刻系统的辐照必须作用到光敏物质上，并且必须改变光敏物质的性质 在完成光刻工艺后，通过一定的工艺去掉没有反应的光敏物质，从而让掩模板的图形转移到晶圆上 这些光敏物质就是光刻胶，一般都是酚醛树脂基化合物2019年7月1日,4,光刻胶的类型,根据光刻胶在反应结束后的显影过程中的表现，可以分为：正性胶光刻；负性光刻胶 正性光刻胶曝过光的区域比没有曝过光的区域要快得多，正胶的分辨率高负性胶正好相反，在没有曝过光的区域溶解很快，曝光区域被保留 IC制造中用的光刻胶通常有三种成分：树脂或基体材料、感光化合物（PAC）、可控制机械性能并使其保持液体状态的溶剂2019年7月1日,5,感光化合物（PAC）,PAC在曝光前作为抑制剂，降低光刻胶在显影溶液中的溶解速度 正性光刻胶暴露于光线时有化学反应发生，使抑制剂变成了感光剂，增加了胶的溶解速率 理想情况下，抑制剂应完全阻止光刻胶的任何溶解，而增强剂则产生一个无限大的溶解速率。

2019年7月1日,6,光刻胶的性能,光刻胶的最实用性能是灵敏度和分辨率 灵敏度：是指发生化学反应所需最小光能量（mJ/cm2），灵敏度越高，曝光过程越快，对一个给定的曝光强度，所需的曝光时间将缩短 分辨率：是指光刻胶上能够再现的最小特征尺寸，分辨率对曝光设备和光刻胶自身的工艺有很强的依赖性，即使是固定曝光设备，指标也不确定2019年7月1日,7,有机材料和聚合物,与光刻胶相关的化合物有两类：芳香族环烃；长链聚合物 芳香族环烃由六个排列成平面六角结构的碳原子组成，苯是最简单的芳香族环烃 碳原子通过与其紧邻的碳原子之间的共价键获得两个电子，与氢结合获得一个电子，最后一个未配对电子参与形成非局域化键，该键形成围绕苯分子的一个环 高游离的非局域化π电子决定了芳香烃的特殊性质2019年7月1日,8,芳香族环烃,非局域化的π电子围绕核的环中,2019年7月1日,9,芳香族环烃（续）,基于苯环可以生成种类繁多的化合物： 甲基替换一个氢形成普通的甲苯（CH3），作为溶剂使用单个氢置换还可以产生苯酚（OH）、苯胺（NH3）、氯苯（CL）、苯乙烯（HC-CH2） 添加一个羧基（COOH）可以形成一种称为羧酸的有机酸，两个氢原子被甲基替换形成二甲苯类的溶剂，芳香族环烃可以直接互连，最简单的就是萘。

芳香族环烃的线性和二维矩阵组合可以形成大分子材料，如石墨2019年7月1日,10,芳香族环烃（续）,甲苯,氯苯,萘,单位置换,双位置换,芳香烃凝聚,2019年7月1日,11,聚合物,聚合物的分子很大，由许多重复单元组成，这种重复单元就是单体，一种聚合物的单体最少5个，多至几千 典型的聚合物有塑料、橡胶、树脂 碳易于和自身结合，许多聚合物都是碳基聚合物 最简单的就是聚乙烯，一长串的碳原子排列，每个碳原子与两个氢原子化合，单体为CH2 聚合物可以形成链的分支，这种分子很坚固，密度更高 聚合物可以发生交联——与自己或其他聚合物化合，可以进一步增强强度，降低聚合物分子在常用溶剂中的溶解能力反之，如果聚合物分解成短链，就易于溶解2019年7月1日,12,聚合物（续）,2019年7月1日,13,聚合物（续）,类似苯环，聚合物很多都是基本聚乙烯链的变形 每个碳原子上的一个氢原子被氯原子取代， 生成物即是聚氯乙烯（PVC），常用作管道工程的塑料管PVC可以可以软化，可以制造仿皮、雨衣 用苯环替代氢原子，生成物就是聚丙烯，也是常见塑料2019年7月1日,14,聚合物——〉光刻胶,一个长链聚合物的曝光作用是断裂聚合链。

聚合物在显影剂中就更容易溶解——正性胶行为 聚合物的作用是产生交联，曝光部分光刻胶在显影剂中的溶解就会变慢——负性胶行为 曝光过程中难以保证只有断链或者交联之一一种发生 可以改变聚合物的主要成分来增加溶解的可能性 添加易反应的侧链来促进交联作用2019年7月1日,15,DQN正胶的典型反应—基体材料,广泛用于g线和i线谱光设备的是DQN正胶，DQ代表感光化合物，N代表基体材料 DQN的基体材料是一种稠密的树脂– 酚醛树脂： 单体是带有两个甲基、一个OH基的芳香族环烃 用作黏合剂，易溶于含水的溶剂中，可以加入溶剂调节其黏度在晶圆上涂胶，黏度参数很重要 在曝光完成之前，大多数溶剂已经从胶中蒸发出去，对曝光，溶剂不起作用 正胶用的溶剂是芳香烃化合物的组合，二甲苯和各种醋酸盐2019年7月1日,16,酚醛树脂,偏甲氧基酚醛树脂,常用于g线、i线曝光 基本环结构可重复5到200次,2019年7月1日,17,DQN正胶的典型反应—感光化合物,光刻胶中最常用的感光化合物（PAC）是重氮醌（DQ） PAC作为抑制剂，以十倍或者更大倍数降低光刻胶在显影剂中的溶解速率——PVC和酚醛树脂在与显影剂接触的光刻胶表面进行化合而产生的结果。

为抑制这种效果，需要在涂胶之后增加软烘工艺2019年7月1日,18,重氮醌（DQ）,SO2以右的部分，两个芳香环族烃，不同厂商不一样，在曝光中只起到次要作用2019年7月1日,19,紫外曝光后DQ的光分解作用及反应,PAC中的氮分子（N2）化合键较弱，紫外光的作用是氮分子脱离碳环，留下一个高活性的碳位 Wolff 重组使其结构将环中的一个碳移到环外，氧原子与这个外部的碳原子形成共价键 添加水将发生最终的重组，重组过程中环与外部碳原子之间的双化学键被一单键和一个OH基所替代最终产物称为羧酸2019年7月1日,20,紫外曝光后DQ的光分解作用及反应（续）,乙烯酮,溶解增强剂,2019年7月1日,21,紫外曝光后DQ的光分解作用及反应（续）,初始材料不溶于基本溶液（PH7），在基体材料中加入PAC，混合比例大约为1：1，光刻胶在基本溶液中几乎不溶解 羧酸易于和基本溶液反应，并溶于其中： 树脂/羧酸混合物将迅速吸收水，反应中放出的氮使光刻胶起泡沫，促使其溶解 羧酸分裂为水溶的胺 基体材料酚醛树脂自身是水溶的，很容易溶解，显影继续进行，直到所有光刻胶都被移去 典型的显影液是水稀释的KOH或NaOH。

2019年7月1日,22,紫外曝光后DQ的光分解作用及反应（续）,正性光刻胶： 显影剂无法渗入光刻胶，光刻胶的未曝光部分在显影剂中基本不变 成像于正性胶上的亮区细条图形能够保持其线宽和形状 酚醛树脂是长链芳香烃聚合物，耐化学腐蚀能力强 光刻胶图形对后边的离子刻蚀工艺是一种很好的掩蔽膜材料2019年7月1日,23,紫外曝光后DQ的光分解作用及反应（续）,负性光刻胶： 通过交联聚合而起作用，在交联聚合过程中，大的树脂分子相互连接，变得不可溶 典型的负性光刻胶是叠氮感光胶如环化聚戊二烯 负性感光胶有很高的感光速度，不需压处理也能很好的黏附在晶圆表面 缺点是容易膨胀和形成针孔2019年7月1日,24,负性光刻胶的膨胀问题,膨胀是指在显影阶段图线线宽的展宽，展宽发生在有机溶剂中而不是水溶剂中 显影之后的烘烤通常会使线条返回到其原始尺寸，但膨胀-收缩行为会使线条变形 在膨胀阶段，靠近的线条可能会连在一起，除非是多层 工艺中极薄的图像层，负胶不适用2.0μm以下的特征线宽2019年7月1日,25,调制传输函数,曝光系统的分辨率一般就是条和间距的系列图像中讨论 定义图形调制传输函数（MTF）： MTF强烈依赖于衍射光栅的周期，光栅周期减小，MTF也减小。

从物理概念：MTF是实像上光学反差的度量，MTF越高，光学反差越好Imax辐照图形的最大强度 Imix辐照图形的最小强度,2019年7月1日,26,调制传输函数（续）,归一化光强度： Imax=5.0 Imix=1.0 MTF=0.67,2019年7月1日,27,光学曝光与光刻胶,光刻胶有理想响应： 曝光量强度Dcr处于一条线所接受能量大于Dcr的光刻胶区域，在显影处理时会全部溶解，接受曝光能量小于Dcr区域，显影时不会被侵蚀 当线条和间距的宽度减小时，衍射只造成线条和间距的宽度的少量变化，直到Imin乘以曝光时间大于Dcr或者Imax乘以曝光时间小于Dcr2019年7月1日,28,光学曝光与光刻胶（续）,,实际光刻胶响应模型： 光刻胶出现两个临界曝光能量密度当DD100时，光刻胶在显影时完全溶解在阴影区（D0DD100）,图形将部分显影 随着特征尺寸线宽的减小，MTF下降，实像光强度很快进入衍射光栅不能完美复制到晶圆上的区域，这种情况的点取决于D0和D100值，从而取决于光刻胶性能 一般系统，MTF小于0.5左右，图像不能被复制2019年7月1日,29,对比度曲线,分辨率描述光刻胶的性能，依赖于曝光系统。

一般直接用对比度函数描述光刻胶特性 对比度测量方法： 假定用正胶，在晶圆上涂一层光刻胶，测量胶的厚度 短时间的均匀曝光，曝光剂量则恰好是光强乘以时间 晶圆进入显影液中浸泡一个固定时间 取出晶圆，漂洗，干燥，测量光刻胶的剩余厚度 不断增加剂量，重复试验 归一化所剩胶的厚度，描出光刻胶厚度随入射光剂量变化的对数曲线就是对比度曲线2019年7月1日,30,对比度曲线（续）,,,,,低曝光区,过渡曝光区,高曝光区,低曝光区,过渡曝光区,高曝光区,高区：所有光刻胶都去掉；低区：几乎所有光刻胶都保留2019年7月1日,31,对比度曲线（续）,由曲线可得： 即为对比度定义 对比度是光刻胶区分亮区和暗区的能力的衡量标准，辐照强度条和间距的边缘附近平滑的变化，光刻胶的对比度越大，线条边缘越陡 一种光刻胶的对比度曲线不固定，取决于显影过程、软烘和曝光后烘烤过程、曝光辐照的波长、晶圆表面反射率等等2019年7月1日,32,对比度曲线（续）,光刻的一个任务就是调节光刻胶工艺过程，使其对比度最大而光刻速度维持在一个可以接受的水平几种光刻胶不同波长时的对比度,2019年7月1日,33,对比度曲线（续）,常用光刻胶，低曝光剂量小于50mJ/cm2，光刻胶的剖面分布主要取决于对比度曲线的低曝光区和过渡区。

曝光产生小角度的光刻胶剖面，剖面分布较少依赖于实像的质量 曝光量大于150mJ/cm2时，曝光区通常远大于D100，光刻胶剖面主要取决于光学图像及光在胶中的散射和吸收，剖面分布十分陡峭 大剂量曝光，图像清晰，但曝光时间长，产率低适用IC工艺一般采用在中度或高度曝光区域2019年7月1日,34,临界调制传输函数,临界调制传输函数可以从对比度中得到，意义是近似获得图形所必须的最小光调制传输函数：,利用对比度公式：,ＣＭＴＦ的典型值大约为０．４2019年7月1日,35,临界调制传输函数（续）,临界调制传输函数ＣＭＴＦ象对比度一样提供光刻胶的分辨率数值 ＭＴＦ小于ＣＭＴＦ，图像不能被分辨 ＭＴＦ大于ＣＭＴＦ，图像有可能被分辨2019年7月1日,36,光刻工艺中的工序,2019年7月1日,37,光刻胶的涂覆与显影,正性胶，在涂胶之前对晶圆进行预处理，以便获得平坦而均匀的光刻胶涂层，且使胶与晶圆之间黏附良好 预处理： 脱水烘烤，在真空或干燥氮气的气氛中以１５０～２００℃烘烤，除去晶圆表面吸附的水分，该温度下能够保留一个单分子层的水 涂一层六甲基二硅亚胺（ＨＭＤＳ）增黏剂 蒸汽涂布法，将晶圆悬挂在一个高蒸汽压ＨＭＤＳ溶液容器之上，使蒸汽涂布在晶圆表面。

旋转涂布法，滴一滴ＨＭＤＳ在晶圆上，高速旋转晶圆，形成涂层 涂层一边与晶圆紧密结合，另一侧易于和光刻胶结合2019年7月1日,38,光刻胶的涂覆与显影（续）,旋转法涂胶： 利用真空吸盘将晶圆固定 事先确定剂量的光刻胶滴在晶圆表面 吸盘转矩快速升至最大旋转速度，通常2000～6000r／min。