光刻工艺中的常见问题及解决方法在线视频

同学们好

今天这一节课

我们继续学习光刻工艺

光刻工艺是微纳加工里面

最重要的工艺

前面我们学习了光刻工艺的综述

光刻工艺步骤的详细描述

和光刻系统及关键参数

那今天呢 我们要学习一下

光刻工艺中经常遇到的问题

和解决方案

我们先来看一张图

这张图是对光刻胶

进行图形化后的照片

从这张图片大家可以观察到什么呢

我们可以看到

有一个一个竖起来的光刻胶

这个光刻胶很薄 也很高

那还有什么

如果你仔细看的话

你可以看到光刻胶的侧面

有一条一条的线

非常有规律

那这些线的形成什么原因呢

为什么会形成这些线呢

那让我们回头再看一遍

光线进入光刻胶的过程

我们可以看到

光线通过掩膜板后进入光刻胶

由于光线是个光波

那光波呢 就有波峰 有波谷

在波峰的地方呢 光的强度高

在波谷的地方光的强度低

那光经过了光刻胶之后呢

到了硅片的表面后呢 会被反射

那反射的光波

和入射的光波会有干涉

那这种入射光和反射光的干涉

我们学过光学就知道会形成个驻波

用英文讲叫standing wave

那对于我们如果采用了

正性的光刻胶的话

那驻波的强光区域

就在显影的时候呢

这个区域因为受的光多

那么光刻胶溶解的就更多一点

那弱光的部分呢

光刻胶溶解就会少一点

那这样子光刻胶进入显影之后呢

就会形成一个波浪状的

这个侧面的图形

这就是这个侧面这个形貌

有这个一条一条线的原因

那这种线的形成

对于我们制备

一个非常高精度的器件

和我们对于这个器件的尺度的控制

是有很多影响的

对于我们现在做20个纳米的器件

或者十几个纳米的器件来讲

那就 微纳工艺就会有很大的挑战

所以我们需要避免形成这种standing wave

也就形成这种驻波

避免这种

就是光刻胶侧面的这种形貌

那我们下一步就要学习

怎么样避免这种形貌的形成

那么我们有几种方法

那第一种方法呢

就在光刻胶里面呢

加入这个吸收性更强的成分

这样就可以让反射的光变弱了

因为很多光

在这个光刻胶里被吸收了

那第二种方法呢

就是用多层的光刻胶

比如说我用两层的光刻胶

那因为各层之间

光刻胶之间

因为它的材料性还是比较相似的

那界面的反射就比较弱

这样子呢

同样可以通过降低反射的方式

能够降低这个驻波的形成

那第三种方法呢

就是在我硅片的表面

就是光刻胶硅片

在这个界面处这个表面

硅片的表面呢

涂上一层防止反射的涂层

用英文讲叫bottom anti-reflection coating

那么简称BARC

那这种BARC材料的目的

就是可以有效的避免反射光

防止反射光的产生

那这样子因为没有反射光

也就避免了

这个standing wave驻波的形成

这BARC的方法

是我们现在最为常用的方法

好 我们再看一下这个图

那上下两张图

这个图对比了有这个BARC

就防止反射涂层

和没有这个BARC这个涂层

它最后得到光刻胶的区别

大家可以看到

上图显示了

是没有BARC涂层的情况下

由于这个驻波的影响

我们光刻胶侧面的形貌是很不好的

我们看到最上面反射光的影响

导致了这个光刻胶上面

就变得比较窄

尤其到我们这个硅表面不平

不是很平整的时候

它的反射会更强

他会导致我们这个光刻胶

就是形貌不好

光刻胶形貌不好

就会导致我们下面的

这个结构的形貌就不好

结构尺寸就不好控制

那么下面这张图呢

就显示了我们增加了

这么一个BARC的涂层之后

我们有效的避免了

这个standing wave

也就是驻波的形成

那这样子我们最后光刻胶

它的形貌就非常好

所以说这样子就是可以

两个一对比

大家可以发现

用了这个BARC这一层

和没用BARC这一层

对于我们这个图形的这个形状

和图形的精确度是很不一样的

好 那我们讲完这个用BARC的方法

来防止产生反射

和防止产生驻波之后

我们再来讨论光刻过程中

另外一个非常重要的问题

那就是多层对准

也叫overlay

那我们什么叫多层对准呢

就是我们在微纳加工过程中

我们做一个器件

我们其实要用到很多种光刻版对吧

有可能5层 有可能10层

有可能几十层

那后一层的光刻版呢

是需要和前面一层光刻版

在硅片上面

就样品上面形成的图形进行对准

因为我们每一层光刻版

都在我们的样品上形成一个图形

那么后一层的光刻版呢

就需要跟这个图形对准

那这个对准的过程

我们就叫overlay

好 让我们来举一个很简单的例子

大家可以看这个图形

那这个图呢

是一个最简单的一个

形成一个两层金属的一个结构

那么这个一层金属在底下面

一层金属在上面

那底下这层金属

是用蓝色显示的

那么顶上这层金属

是用红色显示的

那中间两层金属之间

是通过一个通孔相连

那通孔的颜色是黑色的

那么两个金属之间相隔的这一层呢

我们是用绝缘层进行隔离的

那么因为我们这个金属

它是起到了一个导通电流的作用

所以说呢两层金属之间

我们必须要按照我们设计的方式

就大家现在看到的方式要对准

大家想象一下

如果第二层金属

跟第一层金属没有对准

有偏差之后呢

它就起不到这个连接的作用

所以我们需要把第二层金属

跟第一层金属对准

我们需要把中间这个通孔

要在两层金属之间

起到这个连接的作用

好 那我们一步步来看

我们怎么样实现这个图形化的过程

第一步呢

也就是第一层图形化

我们可以看到这是第一层的这个版图

也在我们的掩膜板上面

这一层呢

不仅有两条竖线

还有一条横线

我们这边写的line对吧

那么同时呢

我们在四个角落

四个角落呢

都有对准标记

有的时候我们也叫对版标记

英文呢 我们叫alignment mark

同学们还可以看到

我们四个角落里面

它不是一组alignment mark

因为每一组里面都有两个对版标记

这是为什么呢

让我们继续往下看

那第二步呢

就第二层呢

我们就定义通孔这一步

那大家可以看到

这一步的版图里面的对版标记

我们套对版标记

它是和我们第一层的

这个标记对准的

就跟我们第一层

最外边这层标记对准的

那我们第一层的形状是个十字形

那第二层是四个方块

我们对准的过程

就要把这个十字形

要正好放到这个四个方块中间

不是偏差的

也不是说在这个外面的

这是我们的一个对准的过程

那我们再看第三步

也就第三层

那第三层这个版图呢

就定义了最上面的金属层

我们可以看到

这一层的对版标记

和第一层剩下的标记呢

就进行了对准

也是一个十字形在第一层

和我们第三层的

这个四个方块来对准

那么同时呢

这一层的最上层的金属

就两条横线的金属图形

好 最后一张图呢

我们来看

我们把这三层版放到一起

叠在一起就可以看到

我们最后形成的图形的

这和我们一开始的设计是一样的

所以这个过程里面我们会看到

在第一层版图有两套这个对版标记

那么我们的第二层呢

我们的通孔呢

是跟它一套对准

那我们第二层金属的一层呢

又跟它另外一套对准

这样子我们整个

都是第二层也是跟第一层对准

第三层也是跟第一层对准

就实现的这个三层版这个对准过程

好 那我们看在这个对准

也是overlay的过程中

我们是没有办法实现百分之百对准

它总是有点偏差 对吧

或多或少发生一些误差

我们看一下这个图

我们这张图的右图

就显示了这个对准的效果

大家可以看到

它有一个对版标记是这个

竖的这个十字型

有一个是斜的一个叉叉的形式

对吧 那应该是把这个斜的叉叉

和这个竖的这个十字型要对准

它如果对的很准很好

它有可能会发生一些偏移

也可能发生一些旋转

我们这些情况呢

都会导致我们对准失效

那我们来看一下

那在对准的过程中

也就是overlay的过程中

会发生什么样的一些误差呢

对吧 我们除了操作过程中

我们对的不准

还有哪些情况呢

第一个情况就是因为我们知道

任何情况当温度变化

它都有个热胀冷缩 对吧

那我们这个时候呢

我们是有两种材料

那这个图形呢

是在两个材料上面

第一个图形

是在我们样品的硅片上面

另外一个图形呢

是在掩膜板上面

大家知道掩膜板是一个叫quartz

就石英的玻璃 对吧

那我们下面硅片呢

是这个Silicon

那硅片和这个掩膜板

这个石英材料是不一样的

那材料不一样

也会导致它们的

热膨胀系数不一样

所以当我们的温度有所变化的时候

我们设计的时候

做出来是一个温度

那最后在使用的时候

是另外一个温度

但是温度有点区别的时候呢

它们由于热胀冷缩

膨胀的图形会有点变化

那因为两个系数不一样

也就会导致它们会有些误差

那这个我们就叫

这个Thermal run-in/run-out error

那我们怎么计算这个

Thermal run-in/run-out error

这个参数呢

大家可以看到这是它计算的公式

那这个公式呢

就是把这个温度的变化

乘以它的热膨胀系数

那么把这个样品硅和这个

你的这个掩膜板它们相减

这个差值乘以我这个

最后我硅片的这个半径

就得到我最大的这个run-out

这个error,它的这个alignment

就它的误差 那这是一种

这是一种这个overlay

在对准过程中的误差

那第二种呢 是叫

是它会沿着某一个方向发生误差

我们叫做translational error

那么我们从这个图可以看到

那整个一个图形

这个image和我们这个底下这个参考

整个一个方向

向右上方偏移

大家可以看到这个图形对吧

这叫 就往一个方向偏移

叫translational error

那第三种是什么情况呢

不是往一个方向偏移了

它是一个整体

就两层板有所旋转

有所旋转

这叫rotational error

那么大家可以看到这个图

对吧 我们的下面是一个方块

上面这个方块呢

是整个有点旋转

这也是一种误差

那么所以说我们刚才介绍三种误差

我们刚才讲了

有一种叫Thermal

因为热胀冷缩

导致的run-in run-out ，第二种呢

是因为向某一个方向的这个偏移

第三个呢是这种旋转的偏移

那这些偏移 各种各样的偏移

都会导致我们最后对准失效

那么这张图片呢

是两张照片

告诉我们两种比较常见的

这个对准的误差

那左边的是一种什么呢

是一种叫偏移的误差

你看它的A2和A1是往右上方偏移的

那么另外这张图呢

右边这张图叫run-out误差

是因为热胀冷缩导致的

大家可以看到A2跟A1也是有所偏移

但是偏移随着距离的变大

它越来越大

因为我们想象一个硅片上面

热胀冷缩的时候

最边缘上它肯定是误差最大的

所以这样子

像这种不断变化的

就是属于叫run-out的这种偏差

好 那我们最后讲一个例子

说明在设计中

我们怎么样优化

可以使让我们这个对准更加容易

因为我们知道在overlay的过程中

它总是有误差的

我们没有办法保证它没有误差

那我们设计的时候

怎么样让这种对准更容易呢

不容易出现问题呢

那我们来看一个例子

我们看这个图

最上面是我们的目标

我们希望我们下边有一个N plus

一个N plus的阱

那这个阱目前设计的时候

在ideal的情况下

它和这个二氧化硅这一层的

这个开口是正好对准的

然后呢我们淀积再一层铝

那这个铝呢

就跟我们这个 N plus掺杂层

进行接触这是我们的目标

好 那我们如果按照

就按照这个去设计的话

那我们就是最上面这张图

但是在实际情况中

会发生什么问题呢

实际情况中我们要想象一下

可能比如说

我们在 N plus掺杂层

和我们这个二氧化硅的开口层

这两个有些 有些误差

比如说我们这个例子

就是 N plus和掺杂层呢

向左偏移了一点

那这两个就有误差

误差我们就多出来一个空间

这个空气这一层是没有 N plus层的

它是跟我这个平行的硅底是一样的

那这个时候如果我们沉积一层铝的话

那铝就直接跟这个平行硅相接了

这就起不到我们铝是要跟 N plus相接了

这就导致我们有一个

这个短路的问题发生

那怎么样避免这个情况发生呢

与其说开始设计

把这个 N plus掺杂层

跟这个硅的开口层

二氧化硅的开口层做的一样

我们把下面的这个 N plus做大一点

我这个 N plus是覆盖,我整个二氧化硅的开口层

就像这个下图所示

那这种情况下当你这个

比如 N plus往左移一点

往右移一点

只要在误差范围之内

我这个 N plus层

总是覆盖我整个的开口的

那我的铝下来了之后

我这个铝层 淀积下来的时候

肯定也是在这个

会跟我的 N plus 层相接触

不会直接和这个平行的硅相接触

这就是我们在考虑到Overlay

这个对齐误差的问题

我们在设计上需要考虑的因素

这样子呢我们就有效的避免了

刚刚说的那种设计上刚刚好对齐

最后因为overlay出现一些误差

导致实际情况

有很多偏差的这种 这种问题

好 我们讲完这两个问题之后呢

最后我们讲一个光学的纠正技术

叫做optical proximity correction

简称OPC

同学们都知道OPC在目前的

现代化的微纳加工里面

是一个必备的工艺

那为什么需要这种工艺呢

这因为当这个尺寸越来越小

那光进来的时候

它有散射和干涉的影响

那因为这个散射和干涉的影响

让你得到的图形

和你所设计的图形之间区别

越来越大

我们看看右边这张图

那这张图呢

是一个实际拍摄出来的SEM图片

那么我们这个图片呢

本来是说我们右边

有横着几条线对吧

然后左边是竖的几条线

那我们看这个竖的几条线

大家发现什么规律

大家可以看见中间三条线

长得很一样 对吧

这个宽度 这个形貌都很相似

但左边这条线呢

最左边这条线很明显

它显得比中间三条线要窄一点

同时最上面也没有

那最右边这条线呢

你可以看到呢

它的形貌是有点受边上

这个横的线影响

它也跟三条线的形状不一样

这是什么原因呢

这是因为当光线进来

中间三条线

它们所看到的环境是一样

中间三条线看到环境

是左边有一条线

右边一条线 对吧

那最左边这条线呢

它看到是左边没有线右边有线

所以说因为这个环境不一样

光学在里面的这个衍射

和干涉的情况不一样

导致我出来的形状不一样

那这在我们实际过程中

是很难接受的

我不能说我只有三条线可以移

本来设计了五条线 对不对

那怎么解决这个问题呢

我们再来看一下

这个整个这个变化过程

最左边是叫Design

是我们最左边这个绿色

显示我们设计的这个形状

就Design的过程中一个形状

那中间橙色呢

显示的是没有OPC的情况下

我们出来的图像

大家可以看到本来是个方块

结果在尖端就被圆滑化了对吧

被圆了,本来呢我们是有一根线突出来

但是呢 这一根线因为独立在这边

所以线就变细了 对吧

那么这就不行

那怎么办呢

我们增加了OPC

增加OPC之后它的形状怎么样呢

那可以看到设计的时候呢

这个方块这个顶上

我们加了很多纠正

这个纠正呢

就让这个头变大一点

那最后呢 因为这个光的影响

最后出来的结果

就变成跟我们设计是一样的

就跟绿色是一样的

那么我们底下这一条线是一样的

我们把这一条线呢

给它变粗一点,让这条线变粗一点

顶上还变得再大一点

这样最后出来的结果

就是跟你想像的

跟你设计是一样的

另外一种方法呢就是说

我在这一条线边上

加两条dummy线

就是两条dummy线

这样子让这条线看到的环境

跟下面的线看到环境是一样的

下边的线看到的环境是左边有一条右边有一条

那我要我上面单独出来这一条呢

也是左边有一条 右边有一条

那在中间这条线刻出来

就跟你设想是一样的

好 我们再看几张图

那这几张图呢

显示的都是在真正的设计过程中

为了要实现目标图形

经过OPC纠正后设计的图形的变化

大家可以看到这个变化是非常大的

最后的形状

跟你想象的是完全不一样的

所以说OPC是我们现代微纳加工中

所必须的步骤

好 这张图给了一个对比

如果说没有OPC

最后出来的图形大家可以看到

是一个都很圆滑的一个变形

对吧 加了OPC之后呢

就可以得到我们所期望的值

你看上面这个OPC

没有OPC

中间有一个小方块

太小 都看不见了

那下面加了OPC

你就可以得到你的小方块

所以说整个OPC设计

在我们所有的微纳加工里面

是一个必备的事情

好的 同学们

这节课呢

我们讲了几个光刻里面

可能遇到的问题以及解决办法

第一方面我们讲了采用BARC的方式

解决驻波带来的光刻胶侧壁

这个形貌问题

第二个呢

我们探讨的overlay的几种误差

同学们在设计过程中

考虑到overlay的误差呢

那我们需要把这个设计

要避免这种因为overlay误差

带来的这个错误

最后呢 我们讨论了

采用OPC的方法

来对由于光学衍射和干涉

带来图形畸变的一种纠正

好的 今天的课就讲到这里

谢谢大家