相信大家都有這樣的經(jīng)驗,拍照的時候手抖了,照片很糊,拍照的時候光太強(qiáng)了,照片慘白,拍照的時候光太暗了,黑乎乎的,拍照的時候光也挺好,照的也清晰,照片歪了.....這些情況,拍出來的照片都不理想,根本到不了美顏那步就被pass了,換一張好看的,有木有!!舉手搶答^_^,曝光工藝做不好也可以pass掉沖做,因為光刻膠可以去掉,那就去掉后再重新涂膠,曝光,顯影,但是這些一定是不能發(fā)生在光刻工藝完成了,其他工藝也已經(jīng)做過了的前提下,切忌!一定是在光刻工藝結(jié)束的目檢前來返工重做。
看到這么美的景色,是不是心曠神怡啊!對的,光刻工藝的重中之重就是曝光,曝光做的好壞直接決定工藝的好壞成敗哦!下面我們開始詳細(xì)解說。
為了將曝光工藝講得容易懂一些,我們直接提出曝光的幾個關(guān)鍵問題:不同層次之間的對準(zhǔn)問題,對光刻分辨率有決定因素的光源,數(shù)值孔徑,對工藝穩(wěn)定性其重要作用的焦深。
(一)對準(zhǔn)問題:
首先是掩膜版的安裝,雖然這一步不容易出錯,但有的時候出現(xiàn)一定的誤差,也會導(dǎo)致當(dāng)前層次與前層的對位偏差,這個只要操作正確,機(jī)器不出故障,一般不會出問題;
第一次光刻,說明如下,這里偷個懶,反正都一樣,就截個圖看一下。
現(xiàn)在稍微先進(jìn)一點的工藝,都是用的ASML光刻機(jī),其最大的特點是先做一層0層,這一層沒有主圖形任何內(nèi)容,知識在圓片左右兩邊的位置設(shè)置了兩個對準(zhǔn)標(biāo)記,光刻后通過刻蝕,將該區(qū)域的硅刻下去一定深度(視光刻機(jī)對信號的分辨率決定),然后第二層對準(zhǔn)的時候就與這兩個zero mark去對準(zhǔn),來保證第二層對位的精度。
稍微落后一點的工藝會用到I-line或者G-line光刻機(jī),這2種光刻機(jī)其中的一個制造商是日本的Nikon公司,其特點是沒有像ASML這樣的0層,但是,第一層只是像上面說的簡單對準(zhǔn),但是第二層要與第一層進(jìn)行對位,就必須有一個臺階信號,這個臺階信號一定是越垂直于圓片越好,通常都會先長一層很厚的氧化層,然后把第一層位置打開,腐蝕掉打開位置的氧化層,并注入一層N型或者P型的離子,然后給圓片一個熱過程,同時生長另一厚度的氧化層,氧化層在生長的過程中會消耗襯底的硅,摻雜了離子的區(qū)域生長的速度更快,而被厚氧化層擋住的區(qū)域由于氧氣擴(kuò)散到硅與二氧化硅界面的速度非常慢,厚氧化層的位置實際增加的氧化層有限,即硅向下反應(yīng)的尺寸很小,而摻雜區(qū)域的硅則深入很多,完成這一過程之后,將表面的氧化層全部去除,摻雜區(qū)域與非摻雜區(qū)域就出現(xiàn)了一個臺階,根據(jù)要求,控制臺階深度滿足光刻對準(zhǔn)精度即可。
對比可知,ASML光刻機(jī)因為是用的0層,直接刻蝕到硅襯底的,臺階角度更垂直,而Nikon光刻機(jī)通過氧化層臺階差做對準(zhǔn)標(biāo)記,顯然對準(zhǔn)精度略差,畢竟氧化層臺階的垂直程度差一些,另外,光刻機(jī)內(nèi)部構(gòu)造也不同,ASML要比Nikon先進(jìn)一些,現(xiàn)在0.35um以下的工藝基本上被ASML所占領(lǐng)了絕對市場,甚至EUV一臺就要1億歐元,頂上小一點的FAB的整體造價了,可見光刻機(jī)的重要性和科技的絕對性。
回到正題,一般套標(biāo)記圖形有如下圖,黑色圖形對白色框,測量黑色實體4邊距離白色框的4邊距離,就可以知道是否對準(zhǔn);
而對位異常時有時候容易看出來,如下圖集中嚴(yán)重的對準(zhǔn)異常情況,當(dāng)對準(zhǔn)位置輕微偏出時,則需要測量對準(zhǔn)尺寸,一般FAB廠會設(shè)置類似游標(biāo)卡尺一樣的游標(biāo)來讀取套刻偏差。
(二)認(rèn)識光源: 光源對最小分辨率及產(chǎn)出能力有決定性作用 ,因此一定要對光源有本質(zhì)的認(rèn)識。
兩種常用紫外光源:汞燈和準(zhǔn)分子激光
下圖是高強(qiáng)度汞燈發(fā)射光譜,我們選擇不同波長作為光刻機(jī)的光源,對應(yīng)的光刻機(jī)分別稱之為G-line,H-line,I-line,DUV,波長越長,工藝能力越差,做出來的最小尺寸越大,工藝越落后,所以,6寸常用G-line和I-line,8寸和12寸FAB則主要用DUV和準(zhǔn)分子激光,對比準(zhǔn)分子激光和其他G-line,I-line光源,可以發(fā)現(xiàn)248nm的DUV的光源強(qiáng)度非常低,這對于生產(chǎn)效率會是大大的降低,因為強(qiáng)度不夠,就只能增加曝光時間,從而降低了單位時間的產(chǎn)出,因此,進(jìn)入納米時代,光源基本用的都是248nm的KrF準(zhǔn)分子激光,或者193nm的ArF激光。
(三)數(shù)值孔徑與分辨率:光通過狹縫會發(fā)生衍射,透鏡能夠俘獲一些衍射光,透鏡收集衍射光的能力叫做透鏡的數(shù)值孔徑(NA)。
可見,當(dāng)透鏡的直徑增大,透鏡對衍射光的俘獲能力增強(qiáng),而光刻機(jī)的分辨率計算公式如下:
R=kλ/NA
K表示特殊應(yīng)用因子范圍是0.6-0.8
λ是光源波長
NA是曝光系統(tǒng)的數(shù)值孔徑
因此,增大數(shù)值孔徑可以減小光刻機(jī)最小分辨的尺寸,是有利方向,但是NA是機(jī)器的參數(shù),會受到空間的限制,一般做到0.6也就差不多了,帶入K=0.6,λ=193nm,NA=0.6,可以算出R=193nm,即最小尺寸是193nm,遠(yuǎn)大于我們常見的幾十納米工藝的水平,因為在此基礎(chǔ)上,又發(fā)展出了各種增強(qiáng)分辨率的技術(shù),如,相移掩膜版(PSM),光學(xué)臨近修正(OPC),甚至現(xiàn)在的浸潤光刻,以及在32nm以下工藝用spacer作為hard mask的新方法,還有對關(guān)鍵層進(jìn)行2次光刻的方法等等,都使得光刻的分辨率在193nm準(zhǔn)分子激光光源的基礎(chǔ)上做到了32nm以下的分辨率,這些新工藝方法,以后有機(jī)會再做討論。
(四)焦深(DOF):焦點周圍的一個范圍,在這個范圍內(nèi),圖像連續(xù)保持清晰,示意圖如下,計算公式也列在了里面,可見,波長越短,焦深越小,對于光刻膠越厚的工藝越難做,這個就是我們常說的Focus,調(diào)整foucs位置,會對光刻膠的形貌產(chǎn)生影響,如果焦深不足,調(diào)整的foucs過大的時候很可能會造成圖形畸變,從而導(dǎo)致套刻精度降低,甚至因為圖形異常而失效。
以上是光刻的基本概念,需要有一個初步的概念,然后才能更深入的理解光刻中常見問題及處理異常問題的手段 。