超大规模集成电路先进光刻理论与应用

内容简介

光刻技术是所有微纳器件制造的核心技术。在集成电路制造中，正是由于光刻技术的不断提高才使得摩尔定律得以继续。本书覆盖现代光刻技术的重要方面，包括设备、材料、仿真(计算光刻)和工艺。在设备部分，对业界使用的主流设备进行剖析，介绍其原理结构、使用方法、和工艺参数的设置。在材料部分，介绍了包括光刻胶、抗反射涂层、抗水涂层、和使用旋图工艺的硬掩膜等材料的分子结构、使用方法，以及必须达到的性能参数。本书按照仿真技术发展的顺序，系统介绍基于经验的光学邻近效应修正、基于模型的光学邻近效应修正、亚曝光分辨率的辅助图形、光源-掩模版共优化技术和反演光刻技术。如何控制套刻精度是光刻中公认的技术难点，本书有一章专门讨论曝光对准系统和控制套刻精度的方法。另外，本书特别介绍新光刻工艺研究的方法论、光刻工程师的职责，以及如何协调各方资源保证研发进度。

作者简介

2013年 – 至今: 中国科学院微电子研究所研究员、博士生导师;国家科技重大专项"300mm晶圆匀胶显影设备"首席科学家(沈阳芯源微电子设备公司)，2012年9月入选第八批千人计划。

2009年 – 2013年: 美国格罗方德纽约研发中心光刻经理。

2007年 – 2008年: 美国安智公司新泽西研发中心，高级科学家(Senior Staff Scientist)。

2001年 – 2007年: 德国英飞凌公司美国纽约研发中心，高级工程师(Senior/Staff Engineer)。

1998年 – 2001年: 美国能源部橡树岭国家实验室，博士后

目录

前言

第1章光刻技术概述

1.1半导体技术节点

1.2集成电路的结构和光刻层

1.3光刻工艺

1.4曝光系统的分辨率和聚焦深度

1.4.1分辨率

1.4.2聚焦深度

1.4.3调制传递函数

1.5对设计的修正和版图数据流程

1.6光刻工艺的评价标准

1.7去胶返工

1.8光刻工艺中缺陷的检测

1.8.1旋涂后光刻薄膜中缺陷的检测

1.8.2曝光后图形的缺陷检测

1.9光刻工艺的成本

1.10现代光刻工艺研发各部分的职责和协作

1.10.1晶圆厂光刻内部的分工以及各单位之间的交叉和牵制

1.10.2先导光刻工艺研发的模式

1.10.3光刻与刻蚀的关系

参考文献

第2章匀胶显影机及其应用

2.1匀胶显影机的结构

2.2匀胶显影流程的控制程序

2.3匀胶显影机内的主要工艺单元

2.3.1晶圆表面增粘处理

2.3.2光刻胶旋涂单元

2.3.3烘烤和冷却

2.3.4边缘曝光

2.3.5显影单元

2.4清洗工艺单元

2.4.1去离子水冲洗

2.4.2晶圆背面清洗

2.5匀胶显影机中的子系统

2.5.1化学液体输送系统

2.5.2匀胶显影机中的微环境和气流控制

2.5.3废液收集系统

2.5.4数据库系统

2.6匀胶显影机性能的监测

2.6.1胶厚的监测

2.6.2旋涂后胶膜上颗粒的监测

2.6.3显影后图形缺陷的监测

2.6.4热盘温度的监测

2.7集成于匀胶显影机中的在线测量单元

2.7.1胶厚测量单元

2.7.2胶膜缺陷的检测

2.7.3使用高速相机原位监测工艺单元内的动态

2.8匀胶显影机中的闭环工艺修正

2.9匀胶显影设备安装后的接收测试

2.9.1颗粒测试

2.9.2增粘单元的验收

2.9.3旋涂均匀性和稳定性的验收

2.9.4显影的均匀性和稳定性测试

2.9.5系统可靠性测试

2.9.6产能测试

2.9.7对机械手的要求

2.10匀胶显影机的使用维护

参考文献

第3章光刻机及其应用

3.1投影式光刻机的工作原理

3.1.1步进一扫描式曝光

3.1.2光刻机曝光的流程

3.1.3曝光工作文件的设定

3.1.4双工件台介绍

3.2光刻机的光源及光路设计

3.2.1光刻机的光源

3.2.2投影光路的设计

3.2.3193nm浸没式光刻机

3.3光照条件

3.3.1在轴与离轴照明

3.3.2光刻机中的照明方式及其定义

3.3.3光照条件的设置和衍射光学元件

3.3.4像素化和可编程的光照

3.3.5偏振照明

3.4成像系统中的问题

3.4.1波前畸变的Zemike描述

3.4.2对成像波前的修正

3.4.3投影透镜的热效应

3.4.4掩模版形状修正

3.4.5掩模热效应的修正

3.4.6曝光剂量修正

3.5聚焦系统

3.5.1表面水平传感系统

3.5.2晶圆边缘区域的聚焦

3.5.3气压表面测量系统

3.5.4聚焦误差的来源与聚焦稳定性的监控

3.6光刻机的对准系统

3.6.1掩模的预对准和定位

3.6.2晶圆的预对准和定位

3.6.3掩模工件台与晶圆工件台之间的对准

3.6.4掩模与晶圆的对准

3.6.5对准标识的设计

3.7光刻机性能的监控

3.7.1激光输出的带宽和能量的稳定性

3.7.2聚焦的稳定性

3.7.3对准精度的稳定性

3.7.4光刻机停机恢复后的检查

3.7.5与产品相关的测试

参考文献

第4章光刻材料

4.1增粘材料

4.2光刻胶

4.2.1用于I-线(365nm波长)和G-线(436nm波长)的光刻胶

4.2.2用于248nm波长的光刻胶

4.2.3用于193nm波长的光刻胶

4.2.4用于193nm浸没式光刻的化学放大胶

4.2.5193nm光刻胶的负显影工艺

4.2.6光刻胶发展的方向

4.2.7光刻胶溶剂的选取

4.3光刻胶性能的评估

4.3.1敏感性与对比度

4.3.2光学常数与吸收系数

4.3.3光刻胶的Dill参数

4.3.4柯西系数

4.3.5光刻胶抗刻蚀或抗离子注入的能力

4.3.6光刻胶的分辨率

4.3.7光刻胶图形的粗糙度

4.3.8光刻胶的分辨率、敏感性及其图形边缘粗糙度之间的关系

4.3.9改善光刻胶图形边缘粗糙度的工艺

4.3.10光刻胶旋涂的厚度曲线

4.3.11Fab对光刻胶的评估

4.4抗反射涂层

4.4.1光线在界面处的反射理论

4.4.2底部抗反射涂层

4.4.3顶部抗反射涂层

4.4.4可以显影的底部抗反射涂层

4.4.5旋涂的含Si抗反射涂层

4.4.6碳涂层

4.5用于193nm浸没式光刻的抗水涂层

4.5.1抗水涂层材料的分子结构

4.5.2浸出测试和表面接触角

4.5.3与光刻胶的兼容性

4.6有机溶剂和显影液

4.7晶圆厂光刻材料的管理和规格要求

4.7.1光刻材料的供应链

4.7.2材料需求的预报和订购

4.7.3光刻材料在匀胶显影机上的配置

4.7.4光刻材料供应商必须定期提供给Fab的数据

4.7.5材料的变更

参考文献

……

第5章掩模版及其管理

第6章对准和套刻误差控制

第7章光学邻近效应修正与计算光刻

第8章光刻工艺的设定与监控

第9章晶圆返工与光刻胶的清除

第10章双重和多重光刻技术

第11章极紫外(EUV)光刻技术

中英文光刻术语对照

彩图

【Technews科技新报】近期，中国半导体厂开始积极迎接先进的光刻机时代到来。就在日前，中国最大晶圆代工厂中芯国际斥资 1.2 亿美元，自荷商阿斯麦（ASML）买来中国首台极紫外线光刻机的消息曝光之后，以生产 NAND Flash 为主的长江存储，也在日前传出，同样向阿斯麦采购，价值 7,200 万美元的 193 纳米沉浸式光刻机，用于 20~14 纳米的 3D NAND Flash 生产，也同样运抵武汉。最新的是，华虹集团旗下的上海华力集成电路，也迎接了他们的首台 193 纳米双沉浸式的光刻机，以用于先进制程的晶圆制造生产。

事实上，中国在政府的政策支持下，发展半导体产业不遗余力已经不是新闻。不论是式在晶圆代工制造、DRAM、NAND Flash 等领域，过去企图透过并购、挖角以获得先进技术。但是，在制程的过程中，关键的技术设备在过去难以取得，也是阻碍中国半导体发展的原因之一。如今，似乎这样的限制正逐渐地被打开中。在相关的半导体生产中，中国厂商也开始逐渐导入先进的制程设备，以方面往更先进的制程。

据了解，在 5 月 21 日上午运抵上海浦东新区康桥工业园南区的阿斯麦双沉浸式光刻机，是由上海华宏集团旗下的华力集成电路所采购，预计将安装于兴建产线中的 12 寸晶圆厂──华虹六厂中使用。该部双沉浸式光刻机的型号为 NXT 1980Di，可用于 10 纳米级 （ 14~20 纳米）的晶圆生产，它也是中国装备的最先进的沉浸式光刻设备。

而根据市场调查研究单位 IC Insights 的资料指出，上海华虹在 2017 年的营收排名全球第八，虽然仍落后龙头台积电很大的距离。但是，其金额却仅次于中芯国际，而且年成长率高达 18%，为该年度全球成长最大的厂商。而上海华虹旗下的 12 寸晶圆厂──华虹六厂是该公司第 2 座 12 寸晶圆厂。预计产线完成建置，并正式投入生产后，最大产能可达每月 4 万片。而开始设计的制程技术为 28 纳米，最终将以 14 纳米制程作为生产标准制程技术。

激光刻蚀技术原理

激光刻蚀的基本原理是将高光束质量的小功率激光束（一般为紫外激光、光纤激光）聚焦成极小光斑，在焦点处形成很高的功率密度，使材料在瞬间汽化蒸发，形成孔、逢、槽。其加工工艺包括激光微纳切割、划片、刻蚀、钻孔等。

激光刻蚀技术特点

激光刻蚀的特点是利用激光具有的无接触加工、柔性化程度高、加工速度快、无噪声、热影响区小、可聚焦到激光波长级的极小光斑等优越的加工性能，获得良好的钻孔、划片、刻蚀和切割尺寸精度和加工质量，尤其是与某些材料（如聚酰亚胺）相互作用是属于“光化学作用”的“冷加工”，可获得无碳化效果，在电子半导体材料加工中应用十分广泛。

元禄光电激光刻蚀参数表

紫外激光刻蚀技术典型应用

1）薄膜激光刻蚀应用

优点：

高重复率，高功率快速材料去除率无化学腐蚀对环境的污染

ITO镀膜激光刻蚀机是由激光对ITO Glass和ITO Film上的ITO镀膜实施电极刻蚀加工的精密设备。可在玻璃、PET基底上ITO镀膜、多晶膜和其他氧化物薄膜上大范围内进行各种图案，各种尺寸的精密、高速刻蚀，加工多种电极。尤其适用于手机触摸屏的电极刻蚀。

ITO玻璃激光刻蚀

2)太阳能电池激光划片应用

优点：

整机结构合理、划片速度快、精度高、功能全、合项性能指标稳定可靠，故障率低非接触加工加工成品率高，适用面广

操作简单方便，能24小时长期连续工作，节能环保

采用图形化用户界面（GUI），友好的人机界面，可实时显示切割轨迹，操作简单直观

可选配图像自动识别处理和定位功能

太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。薄膜太阳能电池生产的流程：准备基板（TCO导电玻璃）——玻璃磨边——玻璃清洗——1064激光划线——二次清洗——装夹具升温预热——PECVD沉积非晶硅膜——冷却卸夹具——635激光划线——PVD磁控溅射AL——635激光划线——测试——老化——激光清边——三次清洗——焊电极线——层压——装边框。对薄膜太阳能电池进行激光划片，热影响区小，划线质量优越。无接触式加工避免刀片加工产生的应力，可以有效提高硅片改片的优等品率，同时对电池片划线质量也有很大的改善。可选配CCD图像处理系统，实现特殊规格电池片的精密划线。

光伏太阳能电池激光刻蚀

3)激光清边

优点：

不需使用任何化学药剂和清洗液，绿色环保

非接触式清洗，无机械作用力，无变形，效率高，节省时间

可达到常规清洗无法达到的清洁度

还可在不损伤材料表面的情况下有选择性地清洗材料表面的污染物

激光清边速度快并且无污染，通过界面友好的专用控制软件，可完成多路激光同时工作。可用于非晶硅薄膜太阳能电池板周边镀膜的刻线绝缘、扫除和清理。

推荐产品：ITO激光刻蚀机http://www.whlasers.com/index.php/Index/productDetail/id/37.html