光刻胶行业深度：破壁引光小流成海.docx

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1、图2 :光刻工艺中主流曝光方式光路示意图接触式接近式投影式资料来源：ECE 730 at Univ of Waterloo,对于接触式曝光而言，由于掩模版和和硅片上部界面之间没有间隙，因而不存在分辨率的的问题。然而接触会引发掩模版和光刻胶的磨损，增加缺陷发生的可能，因此产生了接近式曝光。接近式曝光避免了磨损带来的缺陷，但是由于空隙和光散射的存在，接近式曝光的分辨率在当时条件下被限制在了 3Hm以上。接近式曝光的理论分辨率极限是V dCD = k 2(g + ,其中k代表光刻胶参数，通常取值在12之间。CD (Critical Dimension)代表最小尺寸，一般对应最小能够分辨的周期线宽。人

2、是曝光使用的光源的波长。掩模版到光刻胶表面的距离用g表示，通常大于10 um。从公式可知，在使用当时主流的450nm光源下，极限分辨率在3 um,而接触式曝光下，这一极限为0.7 um。当前主流的投影式曝光的诞生,弥补了接触式曝光与接近式曝光的不足，突破缺陷与分辨率的双重限制。光学透镜组被引入到光刻胶与掩模版之间，这种情况下，投影式曝光方式中，光学分辨率可以有著名的瑞利公式决定：ACD = k _丽其中CD与人和上文公式中对应的变量意义相同；ki是一个与光刻过程本身相关的系数，业内目前关于ki可以达到的极小值是0.25； NA是投影/扫描装置的数值孔径，如果介质是空气或者真空，那么NA在数值上

3、就等于其物镜在像空间的最大半张角的正弦值。NA反映了光学组件对光的收集能力。NA = nsin0提高系统分辨率的方式有三种，使用波长更短的光源，增大数值孔径，以及减小工图3 :光谱波长频段对应关系VISIBLE LIGHTRADIOWAVESGAMMAWSXMYS UV INFRARED ra0AR TV FM AM111TI一 r,丁-0；0901 nmC01 rm10 nm ；8)nn C,ClorIm 130 m图4 :光刻光源随晶圆制程的演进过程10000r 一1 |O$Q 1985 199019952000 2005 20102015 2020生产年份艺系数ki。其中改变光源的波长最

4、为容易，随着制程的推进，光刻系统的光源从高压汞灯，演进为准分子激光光源（KrF、ArF）与最新的基于激光诱导等离子（LPP）极深紫外光源（EUV）。增大数值孔径通常需要改变光学组件的直径或者改变介质的折射率。IMWWWVWVWWV/i | I 71 i | i I i I11 I 11400 rwSCO rmGWcm700 nm%源波长/nm曝光类型| |同程|汞灯（g-line）436接触/接近式3.0-0.6 u m汞灯(i-line)365接触/接近式0.6-0.25 y mKrF248扫描投影式0.18-0.13 u mArF193步进投影式-干式130-65nm浸没步进式45-7nm

5、EUV (LPP)13.5反射扫描步进式Sub 7nm资料来源：4SML公司宜网,表1:光刻机发展历程及其应用制程简述资料来源：纳米集成电路制造工艺,摩尔定律描述的晶圆制造工艺是持续迭代演进的过程，而演进中技术路线的分歧点会催生新的行业龙头。光刻工艺的演进并不是一帆风顺的，对行业影响最深远的一次技术分歧是DUV时代中157nm干法光刻与193nm浸没式光刻的岔路口。基于分子激光的光源微缩至ArF的193nm时，尼康为首的光刻机制造商主推基于F2的157nm光源。这种光源可以提高20%左右的分辨率，但是存在下列缺点镜组使用的光学材料在157nm时均为高吸收态，吸收激光辐射后升温膨胀，产生形变造成

6、球面像差。因此必须使用CaF2制造镜组。然而CaF2镜组使用寿命短，且核心技术在尼康手中，产能较低，无法满足大规模应用的要求。由于ArF的使用的光刻胶在157nm均有强吸收，光刻胶需要重新进行开发，投入产出比较低。此时，台积电工程师林本坚提出基于现有193nm ArF浸入式光刻的概念。由于这一理念是基于现有设备加以改造，对于光源与透镜组系统的改动较小，ASML第一个响应了林本坚与台积电的这一提案。ASML的这一决定为其在45nm以下时代取得了市场先发优势，为期在先进制程的统治地位奠定了基础。图5 ：干式光刻与浸入式光刻光路原理图资料来源：微信公众号Opf/ca/Note.图6 ： ASML浸入

7、式光刻系统资料来源：4SML公司官网,随着制程推进至7nm以下，伴随EUV时代的来临，已知光学材料对极深紫外均有强吸收。EUV光刻机中光学组件不再使用基于透射式的光路设计，而是改为使用反射镜搭建光路。图7 : ASML NXE3400 EUV光刻系统光路示意图资料来源：ASML公司官方网站,1.2光刻工艺流程光刻工艺在集成电路、显示面板、PCB制造等微图纹结构的形成中有着广泛的应用,典型的光刻工艺核心步骤包括：表面处理、涂胶、曝光前烘焙、对准和曝光、曝光后烘焙、显影、显影后烘焙、测量。气体硅片表面预处理：光刻前，硅片会经历湿法清洗与去离了水淋洗，以去除表面污染物。在湿法清洗的过程中使用的清洗液

8、中添加的亲水表面活性剂会使硅片表面变为亲水，同时硅片在湿法过程中表面羟基数量增加后也将变得更为亲水。大部分基于树脂/有机高分子聚合物的光刻胶在亲水表面的附着力较差，所以晶圆表面需要使用六甲基二硅胺烷(Hexamethyl Disilazane, HMDS)进行疏水化处理，硅表面的亲水基团Si-OH在这一过程中被置换为疏水的-OSi(CH3)3。图8 ： HMDS作用下硅表面亲水基团疏水化过程示意图Hydrophobic资料来源:智于博客,图9 :晶圆疏水预处理设备基本结构图口输气资料来源：纳米集成电路制造工艺P152,图10 : HMDS处理前（左）后（右）水在TEOS表面的接触角资料来源：E

9、nergy Procedia 69:226-232,旋涂光刻胶、抗反射层：气体预处理后，光刻胶将被均匀的涂布在晶圆表面。涂胶最常用的工艺为旋涂法。体枳为几毫升的光刻胶通过专用的管路，输运到晶圆中心。之后硅片会按照设定的程序加速旋转到预定转速。光刻胶在晶圆表面形成的覆膜厚度取决于光刻胶本身的流动特性与最终旋转速度有关。涂胶过程中，膜厚的均匀度与涂胶相关的缺陷数是该工序中最为关心的两个问题。由于光刻胶的粘度会随着温度而变化，可以通过分区改变光刻胶或者晶圆表面的温度，实现晶圆表面不同区域中可变调节光刻胶膜的厚度。通过线宽随光刻胶厚度的规律，可以确定光刻胶图层的最佳厚度，以节省机时与原料。表2 :涂胶

10、过程中造成缺陷升高的因素环节缺陷升高的影响因素光刻胶自 不含颗粒性物质，光刻胶需要进行过滤身属性光刻胶不得混入空气，气泡会影响曝光时的光路，造成缺陷一涂胶碗的结构必须防止甩出的光刻胶溅回涂胶设备 光刻胶的泵运系统必须能在输送完成后将喷口多余的光刻胶吸回，避免光刻胶凝固后在下一次涂胶中产生颗粒缺陷硅片边缘去胶所使用的溶剂需要加以控制。硅片旋涂过程中，由于光刻胶的表面张力，会在硅片边缘形成一圈圆珠型光刻胶残留，乂称边缘胶滴。胶滴干了其他试剂 后会剥离形成颗粒掉落在设备中引起缺陷升高。同时进入硅片背面的光刻胶会的使用污染硅片平台，导致硅片吸附不良。相关数据表面，90%以上的光刻胶都在旋涂中被甩出晶圆

11、。丙二醇甲醛醋酸酯的加入会在光刻胶界面产生化学冲击，使用不当也会导致缺陷升高。其他环节 保持显影模块的排风压力，防止显影过程中显影液回溅造成缺陷。资料来源:纳米集成电路制造工艺,图12 :光刻胶成膜厚度与转速关系图0.80.6图11 :光刻胶旋涂设备结构示意简图50015002500350045005500Spin (RPM)资料来源：imicromaterials.图13 :光刻胶旋涂过程中胶膜形态的变化波动形成阶段冠状彩态阶段平衡阶段（静止）冠状历态阶段资料来源：Dr. R.B. Darling: Photolithography lecture notes.曝光前烘焙：光刻胶旋涂在晶圆表

12、面之后，需要经过前烘，又称为软烘。这一步的目的在于去除光刻胶中易挥发的部分溶剂，同时使得旋涂后的光刻胶更加致密。通常使用的温度在80100。，持续时间为3045s。前烘结束后，晶圆将会从热板上转移至冷板上，降温到环境温度后再进行后续工序。图14 :前烘温度与分解速率的对应关系分解速度,nm/s400300200 1000 -50烘焙温度,460708090100甩干(spin dry)硅片高速旋转甩干残留去离子水。资料来源：Dr. R.B. Darling: Photolithography lecture notes,对准与曝光：这一过程是光刻工艺的核心环节，掩模版将被移动到硅片上预先定义的

13、大致位置，或者相对于上一道光罩已形成的图形上确定的位置。在第二层及以后的曝光过程中光刻机需要对准前一层曝光所留下的对准记号，将本层的掩模版套印在已有的图形上。套刻精度通常为最小期器件尺寸的30%左右，以65nm节点为例，套刻精度通常为1620nm。曝光后烘焙：曝光完成之后，涂有光刻胶的晶圆需要再次进行烘焙(PostExposure Baking, PEB)。这一烘焙工序的目的是利用加热的方式，加快化学反应的进行。曝光过程中光敏组分的引发的化学反应会在加热条件下发生扩散，与光刻胶发生反应后，形成可溶于显影液与不溶于显影液的组分。由于曝光后形成的图形与掩模版上的图形一致，但是没有显现出来，因此这些

14、图形又被称为潜像(Latent Image)显影：后烘之后的晶圆会经过显影步骤去除指定区域中已产生化学反应的光刻胶。光化学反应后的光刻胶通常显酸性，因此显影液的基础配方通产显碱性，早期显影液会使用钾或者钠的氢氧化物溶液或者对应的硼酸、碳酸盐，但由于金属离子的残留会影响到器件本身的电性能，现在显影液一般使用体积比为2.38%的四甲基氢氧化钱溶液(TMAH)o表3 :晶圆曝光后显影的核心工序预喷淋(pre-wet)显影步骤工序过程晶圆表面喷淋去离子水，以改善显影液在晶圆表面的附着能力显影喷淋(developer将显影液输运到晶圆表面，使得硅片表面尽可能接触到相同量的显影液。dispense)_ 一喷淋后的显影液需要在晶网表面停留一段时间，通常为几十秒到显影液表面停留(puddle)“八 - 人一两分钟，以保证反应完全。去除显影液并清洗(rinse)显影液与曝光后的光刻胶反应完全后，显影液将被高速旋转的晶圆甩出，同时晶圆表面将通过去离子水淋进行冲淋分解速度,nm/s400300200 1000