光刻是半导体工艺中很关键的一环,比如热门的几纳米工艺就是以光刻的分辨率而定。光刻成为IC工艺中卡脖子的一环,牵涉到精度更高的光刻机设备,因此也有现在的ASML称霸一时。
但是普通芯片其实也用不到这么高的精度,几百纳米的工艺能力也是可以,因为不需要设计那么小的芯片,不需要那么小的尺寸。3nm的间距,你可以设计成300nm,说不定用用步进光刻都能搞定。
最近设备刚开机,在做芯片光刻时,总是出现光刻效果不好的现象,不是边缘花了,就是个别图案脏污变形了。
捋一捋光刻过程寻找一下原因。
上图是一款常用的光刻板的照片,UP就是正面的意思。一般会在边缘做一些辨识符号,防止光刻板放置反。
上图是光刻之后,做膜层的刻蚀,也叫图形的转移过程。转移之后的图形才是实际芯片用的图形。
光刻过程分为三个大工序:涂胶、曝光、显影
这三个工序里面又分很多步骤:
涂胶:
涂胶前需要对wafer表面做一下处理,第一是清理一下表面的脏污,去一下水分,第二也要考虑是否需要涂增粘剂,也叫疏水层。
如何去除脏污,就需要根据wafer的材质和芯片对wafer的要求来定义。可以参照硅片的标准清洗工艺,一般就是酸洗、碱洗、然后有机洗,之后DI水清洗,氮气吹干。之后考虑去除表面水分,涂增粘剂。
如上图,先烤一下水分,100℃以上,一般设定120℃,1分钟即可。去除wafer表面的残留水分。冷却到室温后,上涂胶设备,涂HMDS,也就是增粘剂,然后再烤去除HMDS膜里面的水分,冷却后备用。当然也有wafer不需要涂HMDS,但是有一些SiO2膜,在涂正胶时,如果不涂HMDS,后续工艺中很容易脱胶,光刻胶和SiO2膜的粘附性不好。但是在使用HMDS过程中一定要做好防护。因为HMDS的挥发物中含有可致癌物质,可能导致不孕疾病,特别是在烘烤时,一定要在密闭,有排除管道的独立设备中进行。也因此很多单位不希望用HMDS。我用过美国有一家公司的光刻胶确实可以直接在SiO2上涂胶,且粘附效果很好,感兴趣的可以留言讨论。
然后就是涂胶,这个感觉光刻胶的参数,设定旋转条件即可。涂胶完成之后进行软烤,也就是softbake,至于为啥叫软烤,应该是英语直译吧,也有人叫前烘的,相对应的有硬烤和后烘。
软烤的时间比较短,主要是去掉光刻胶中90%以上的水分,但是又不能烤太干,也不能烤不到火候,要不然会黏光刻板。一般100℃烤30～60s。
光刻涂好之后,送入光刻机中进行光刻,放置后光刻板,对准好Pattern标记,开始UV光曝光,根据光刻胶的性质和厚度,有一个曝光剂量的要求,在这里就有正光刻胶和负光刻胶的效果区别了。
如下图:
区别就是: 正胶是盖住的留下来,负胶是照到的留下来。
同一个图案的话,正负胶效果是互补的。
一般正胶比较稀,涂覆的膜层比较薄,厚度均匀性也比较好,负胶比较厚,正胶的分辨率高于负胶,刻蚀工艺常用正胶、负胶做lift-off工艺较多。一般负胶也比同级别的正胶贵上不少。因此能用正胶的地方还是用正胶比较好。
光刻这一步就牵涉到光刻分辨率的问题,如上图,光是从光刻胶上表面照射进光刻胶内部,有一个穿透力的问题,同时上下表面光刻胶接受到的光剂量也不同。厚度越大,上下光刻胶接收到的剂量差越大,分辨率也就越低。因此如果想要更好的分辨率,光刻胶厚度可以降低一些。
显影也是很关键的一部,显影液和光刻胶是接触式的反应,也是从上而下的作用。常用浸泡式和喷洒式。浸泡式的有个罐子就行,喷洒式需要专用的显影机。相对而言喷洒式的显影效果要好,更均匀,显影的也更彻底。浸泡式的也不能丢进去不动,反应过后的显影液显影效果就会大打折扣,需要不停的晃动或者提起wafer。
显影之后,二次烘烤,也就是硬烤,也叫后烘。通常温度比前烘温度高。不过也有负胶是在显影前硬烤。
显影液通常是一种弱碱性水溶液,可以快速溶于水中,因此从显影液中出来的wafer需要用清水清洗,如果冲洗不干净,烘烤之后,可能会残留光刻胶在wafer表面。
光刻之后的wafer必须做光学显微镜观察测量。
观察目的1是查看图案是否有偏离,错误等。
目的2是表面是否有缺陷。比如显影不干净、中途落有粉尘颗粒、图案边线是否清晰等,如果有错误就要返工重新光刻。
同时也要测试最小线宽CD。每一个芯片的设计都会有最小尺寸的部位,同时也是精度要求最高的地方,重点测试该区域的尺寸,如果最小线宽区域尺寸正确,其他大也就不用测试,一般也不会出错。
