光刻与刻蚀工艺
光刻和蚀刻技术
光刻和蚀刻技术? 光刻和蚀刻技术，用光胶、掩膜、和紫外光进行微制造，由薄膜沉积，光刻和蚀刻三个工序组成。
? 光刻前首先要在基片表面覆盖一层薄膜，薄膜的厚度为数埃到几十微米，称为薄膜沉积。
然后在薄膜表面用甩胶机均匀地覆盖上一层光胶，将掩膜上微流控芯片设计图案通过曝光成像的原理转移到光胶层的工艺过程称为光刻。
? 光刻的质量则取决于光抗蚀剂（有正负之分）和光刻掩膜版的质量。
掩膜的基本功能是基片受到光束照射（如紫外光）时，在图形区和非图形区产生不同的光吸收和透过能力。
? 蚀刻是在光刻过的基片上可通过湿刻（wet etching）和干刻（dry etching）等方法将阻挡层上的平面二维图形加工成具有一定深度的立体结构。
选用适当的蚀刻剂，使它对光胶、薄膜和基片材料的腐蚀速度不同，可以在薄膜或基片上产生所需的微结构。
? 复杂的微结构可通过多次重复薄膜沉积－光刻－蚀刻这三个工序来完成。
? 微流控基片通过预处理，涂胶，前烘，曝光，显影及坚膜，去胶等步骤后，材料上呈现所需要的图形，即通道网络。
盖板与微流控芯片基片的封接? 基片和盖板封接后形成封闭的小池，可用来储存试剂或安装电极。
试剂必须要通过芯片上的小孔才能进入通道网络，所以通过微加工技术所制得的具有不同结构和功能单元的微流控芯片基片，在与盖板封接之前必须在微通道末端打一小孔，组装成微流控成品才能使用。
小孔可钻在基片上，也可钻在盖板上。
? 玻璃芯片的打孔方法包括金刚石打孔法，超声波打孔法，和激光打孔法。
打孔后一定要将芯片制作和打孔过程中所残留的小颗粒、有机物和金属物等清除干净，包括化学清洗，提高芯片表面平整度，以保证封接过程顺利进行对玻璃和石英材质刻蚀的微结构一般使用热键合方法，将加工好的基片和相同材质的盖片洗净烘干对齐紧贴后平放在高温炉中，在基片和盖片上下方各放一块抛光过的石墨板，在上面的石墨板上再压一块重0.5kg的不锈钢块，在高温炉中加热键合。
? 在玻璃、石英与硅片的封接中已广泛采用阳极键合的方法。
集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺
任意粒子曝光的最高的分辨率
关于光束的线宽限制，对其他的粒子束同样适用。任何粒子束都具有波动性，即 德布罗意物质波，其波长λ与质量m、动能E的关系描述如下。粒子束的动能E为
其动量p 粒子束的波长
E 1 mV 2 2
phmV 2mE
由此，用粒子束可得到的 最 细线h 条为
、对比度
为了测量光刻胶的对比度，将一定厚度的光刻胶膜在不同的辐照剂量下曝光，然 后测量显影之后剩余光刻胶的膜厚，利用得到的光刻胶膜厚-曝光剂量响应曲线进行 计算就可以得到对比度。
光刻胶的对比度：不同的光刻胶膜厚-曝光剂量响应曲线的外推斜率。
Y2 Y1
X2 X1 光刻胶的对比度会直接影响到曝光后光刻胶膜的倾角和线宽。
根据对比度定义， Y2＝0，Y1=1.0，X2＝log10Dc，X1＝ log10Do。
正胶的对比度
p
1 log10 (Dc
Do )
Dc为完全除去正胶膜所需要的最小曝光剂量， Do为对正胶不产生曝光效果所允许的最大曝光剂量。
光刻胶的侧墙倾斜
在理想的曝光过程中，投到光刻胶上的辐照区域应该 等于掩模版上的透光区域，在其他区域应该没有辐照能 量。
显影方式与检测
目前广泛使用的显影的方式是喷洒方法。 可分为三个阶段： ①硅片被置于旋转台上，并且在硅片表面上喷洒显影液； ②然后硅片将在静止的状态下进行显影； ③显影完成之后，需要经过漂洗，之后再旋干。
喷洒方法的优点在于它可以满足工艺流水线的要求。
显影之后，一般要通过光学显微镜、扫描电镜(SEM)或者激光系统来检查图形的 尺寸是否满足要求。
8.3、光刻胶的基本属性
光学光刻胶通常包含有三种成份： ①聚合物材料(树脂)：附着性和抗腐蚀性 ②感光材料：感光剂 ③溶剂：使光刻胶保持为液态
5光刻与刻蚀工艺
高抗蚀性 好黏附性
思考题：为什么光刻胶越薄，分辨率越高？
Jincheng Zhang
光刻工艺 Photolithography Process
光刻基本步骤
• 涂胶 Photoresist coating • 对准和曝光 Alignment and exposure • 显影 Development
4、前烘 Soft Bake
Jincheng Zhang
5、对准 Alignment
Jincheng Zhang
6、曝光Exposure
Jincheng Zhang
7、后烘 Post Exposure Bake
Jincheng Zhang
8、显影 Development
Jincheng Zhang
集成电路工艺基础
5、光刻与刻蚀工艺（曝光、刻蚀）
微电子学院 戴显英 2017年9月
掌握
光刻胶的组成 +PR 和 –PR的区别 描述光刻工艺的步骤 四种对准和曝光系统 Explain relationships of resolution and depth of focus to wavelength and numerical aperture.
100到130坚膜温度通常高于前烘温度jinchengzhang坚膜的控制坚膜不足光刻胶不能充分聚合造成较高的光刻胶刻蚀速率黏附性变差光刻胶流动造成分辨率变差jinchengzhang光刻胶流动过坚膜会引起太多的光刻胶流动影响光刻的分辨率正常坚膜jinchengzhang问题每种光刻胶都有不同的敏感性和粘性都需要不同的旋转速率斜坡速率旋转时间烘干时间和温度曝光强度和时间显影液和显影条件因此图形转移将失败
光刻与刻蚀工艺流程
光刻与刻蚀工艺流程光刻和刻蚀是微电子加工过程中常用的两个工艺步骤。
光刻用于创建芯片上的图案，而刻蚀则用于移除不需要的材料。
以下是光刻和刻蚀的工艺流程。
光刻工艺流程：1.沉积光刻胶：首先，在硅片上沉积一层光刻胶。
这是一个具有高度选择性和可重复性的光敏聚合物材料，能够在曝光过程中改变化学性质。
2.乾燥和前处理：将光刻胶乾燥，然后对其进行前处理，例如去除表面的污垢和残留物。
3.涂布光刻胶：用涂胶机将光刻胶均匀地涂布在硅片的表面。
4.烘烤：将涂覆有光刻胶的硅片进行烘烤，以去除溶剂并使光刻胶层变得坚硬和耐久。
5.对位：将掩模对位仪对准硅片上的光刻胶层，确保光刻胶上的图案与所需的芯片图案完全一致。
6.曝光：通过紫外线照射机将光传递到光刻胶上，使其形成与掩模图案相同的图案。
7.显影：使用显影液处理光刻胶，显影液会将未曝光的部分光刻胶溶解掉，只留下曝光过的部分。
刻蚀工艺流程：1.腐蚀栅极：首先，通过化学腐蚀将栅极区域的金属材料去除，只保留未覆盖的部分，以便后续步骤。
2.沉积绝缘层：然后，在晶圆上沉积一层绝缘层材料，用以隔离电路的不同层次。
3.涂胶和曝光：使用同样的光刻胶工艺，在绝缘层表面涂覆光刻胶，并将掩模对位仪对准绝缘层上的光刻胶层。
4.显影：通过显影液处理光刻胶，保留所需的图案，暴露绝缘层。
5.刻蚀绝缘层：使用化学腐蚀或物理刻蚀技术，将未被光刻胶保护的绝缘层材料去除，使其与下方的层次保持相同的图案。
6.清洗和检验：最后，对晶圆进行清洗，以去除残留的光刻胶和刻蚀剂。
然后，对刻蚀图案进行检验，确保其质量和精确度。
这就是光刻和刻蚀的工艺流程。
通过这些步骤，可以在微电子芯片上创建复杂的电路和结构，以实现功能丰富的科技产品。
光刻与刻蚀工艺流程
光刻与刻蚀工艺流程光刻和刻蚀是半导体工艺中重要的步骤，用于制备芯片中的电路。
光刻是一种通过使用光敏剂和光刻胶来转移图案到硅片上的技术。
刻蚀则是指使用化学物质或物理能量来去除或改变表面的材料。
光刻工艺流程分为四个主要步骤：准备硅片、涂敷光刻胶、曝光和开发。
首先，准备硅片。
这包括清洗硅片表面以去除杂质和污染物，然后通过浸泡于化学溶液中或使用化学气相沉积等方法在硅片上形成一层光刻胶的基础层。
第二步是涂敷光刻胶。
将光刻胶倒入旋转涂胶机的旋转碟中，然后将硅片放置在碟上。
通过旋转碟和光刻胶的黏度控制，使光刻胶均匀地铺在硅片上。
光刻胶的厚度取决于所需的图案尺寸和深度。
第三步是曝光。
在光刻机中，将掩膜对准硅片，然后使用紫外线照射光刻胶。
掩膜是一个透明的玻璃或石英板，上面有所需的电路图案。
曝光过程中，光刻胶中的光敏剂会发生化学反应，使得光刻胶在被曝光的区域变得溶解性，而未被曝光的区域仍保持完整。
最后一步是开发。
在开发过程中，使用盐酸、溶液或者有机溶剂等化学溶液将未曝光的光刻胶从硅片上溶解掉。
溶解后就会出现光刻胶的图案，这相当于将掩膜中的图案转移到硅片上。
在完成开发后，再对硅片进行清洗和干燥的处理。
刻蚀工艺流程通常根据需要的深度和形状来选择不同的刻蚀技术。
常见的刻蚀技术有湿刻蚀和干刻蚀。
湿刻蚀是将硅片浸泡在一个含有化学溶液的反应槽中，溶液会去除不需要的材料。
刻蚀速度取决于化学溶液中的浓度和温度以及刻蚀时间。
湿刻蚀通常用于较浅的刻蚀深度和简单的结构。
干刻蚀是使用物理能量如等离子体来去除材料。
等离子体刻蚀分为反应离子束刻蚀(RIE)和电感耦合等离子体刻蚀(ICP)。
在等离子体刻蚀中，通过加热到高温的氩气等离子体释放离子，离子会以高速束流撞击竖立在硅片表面的物质，去除不需要的材料。
干刻蚀通常用于深刻蚀和复杂的纳米级结构。
在刻蚀过程中，为了保护不需要刻蚀的区域，通常会将硅片用光刻胶进行覆盖。
在刻蚀结束后，光刻胶可以去除，暴露出所需要的图案。
光刻与刻蚀工艺
光刻工艺的基本步骤
涂胶
将光刻胶涂敷在硅片表面，以形成 光刻胶层。
烘烤
通过烘烤使光刻胶层干燥并固化。
曝光
将掩膜版上的图形对准硅片上的光 刻胶层，并使用曝光设备将图形转 移到光刻胶上。
显影
使用显影液将曝光后的光刻胶进行 化学处理，使图形更加清晰地展现 出来。
光刻工艺的重要性
光刻工艺是半导体制造中的关键环节，直接影响芯片的制造 质量和性能。
非接触式光刻
投影式非接触
利用光学系统将掩膜板上的图像投影到光刻胶涂层上，优点是无需直接接触，缺点是难度较高，需要精确的控 制系统。
电子束光刻
利用电子束在光刻胶上直接曝光，优点是分辨率高、无需掩膜板，缺点是生产效率低。
投影式光刻
接触式投影
掩膜板与光刻胶涂层之间保持接触，通过投影系统将图像投影到光刻胶上，优点是操作简单、高效， 缺点是图像质量可能受到掩膜板损伤和光刻胶污染的影响。
涂胶/显影技术
01
02
03
涂胶
在晶圆表面涂上一层光敏 胶，以保护非曝光区域并 提高图像对比度。
显影
用适当的溶剂去除曝光区 域的光敏胶，以形成所需 的图案。
控制胶厚
保持胶厚均匀，以避免图 像的扭曲和失真。
烘烤与曝光技术
烘烤
通过加热去除晶圆表面的湿气，以提高光敏胶的灵敏度和图像质 量。
曝光
将掩模图像投影到光敏胶上，通过光化学反应将图像转移到晶圆 上。
扫描投影
利用扫描系统将掩膜板上的图像投影到光刻胶上，优点是分辨率高、生产效率高，缺点是需要精确的 控制系统和高质量的掩膜板。
03
光刻工艺中的关键技术
光学系统
紫外光源
产生短波长的光，以获得更好的分辨率和更来自的 特征尺寸。反射镜和透镜
第八章光刻与刻蚀工艺模板
第八章光刻与刻蚀工艺模板光刻与刻蚀工艺是现代集成电路制造中的重要工艺环节之一、光刻技术用于在硅片上制作电路图形，而刻蚀技术则用于去除不需要的材料，以形成所需的电路结构。
本章将介绍光刻与刻蚀工艺的基本原理及常见的工艺模板。
一、光刻工艺模板在光刻工艺中，需要使用光刻胶作为图形保护层，以及光罩作为图形的模板。
光刻模板通常由硅片或光刻胶制成，可以通过不同的工艺步骤来实现具体的图形需求。
1.硅片模板硅片模板是一种常见的光刻工艺模板，它的制作过程相对简单。
首先，将一块纯净的硅片进行氧化处理，形成硅的氧化层。
然后，在氧化层上通过光刻技术制作所需的图形。
最后，使用化学刻蚀方法去除不需要的硅的氧化层，就可以得到所需的硅片模板。
硅片模板具有较好的精度和可靠性，能够满足微纳加工的要求。
然而，硅片模板制作过程复杂，成本较高。
2.光刻胶模板光刻胶模板是利用光刻胶作为模板材料的一种工艺模板。
光刻胶是一种感光性的聚合物材料，可以在光照的作用下发生化学反应。
在光刻工艺中，首先将光刻胶涂覆在硅片上，然后通过光刻曝光将所需的图形转移到光刻胶上。
接下来，使用化学方法或溶剂去除不需要的光刻胶，就可以得到所需的光刻胶模板。
光刻胶模板制作过程简单，成本较低。
同时，光刻胶模板的精度较高，可以满足微纳加工的要求。
然而，光刻胶模板的使用寿命较短，通常只能使用几次。
在刻蚀工艺中，需要使用刻蚀胶作为图形保护层，以及刻蚀模板作为图形的模板。
刻蚀模板通常由硅片或光刻胶制成，可以通过不同的工艺步骤来实现具体的图形需求。
1.硅片模板硅片模板在刻蚀工艺中的制作方法与光刻工艺类似。
首先，在硅片上通过光刻技术制作所需的图形，然后使用化学刻蚀方法去除不需要的硅材料，就可以得到所需的刻蚀模板。
硅片模板具有较高的精度和可靠性，可以满足微纳加工的要求。
然而，硅片模板制作过程复杂，成本较高。
2.光刻胶模板光刻胶模板在刻蚀工艺中的制作方法与光刻工艺类似。
首先，将光刻胶涂覆在硅片上，然后通过光刻曝光将所需的图形转移到光刻胶上。
光刻与刻蚀工艺流程
Mask制作
！！！ 留意：正图 / 反图 ！！！
曝光剂量
曝光剂量是指光刻胶所吸取紫外光的总和，曝光剂量可用下 式来表示：
E(x)I(x)t
式中Ex为光刻胶的曝光剂量〔mJ/cm2〕，Ix为曝光灯发出的 光强〔mW/cm2〕，t为曝光时间(s)。
在光刻工艺中， 当曝光剂量Ex >E0时：光刻胶显影后能完全去除； 当曝光剂量Ex <E0时: 光刻胶显影时会残留余胶；
❖ 高区分率 High Resolution； ❖ 高光敏性 High PR Sensitivity ❖ 准确对准 Precision Alignment
+PR & -PR
Negative Photo-resist 负性光刻胶－负胶
Positive Photo-resist 正性光刻胶－正胶
曝光后不可溶解 显影时未曝光的被溶解 便宜
曝光后可溶解 显影时曝光的被溶解 高分辨率
+PR & -PR根本原理
正胶工艺
基板处理
负胶工艺
涂胶 + 烘烤 曝光
显影、光刻
+PR & -PR 树脂分子构造
正胶：曝光时切断树脂聚合体主链和从链之 间的联系，到达减弱聚合体的目的，所以曝光 后光刻胶在随后的显影处理中溶解度上升，曝 光后溶解度几乎是未曝光时的10倍；更高区分 率〔无膨胀现象〕在IC制造应用更为普遍；
光刻胶涂布-旋转涂布法
滴胶 基片
旋转
旋涂结果
旋转涂布也称为甩胶，用转速和旋转时间可自由设定的甩胶机来进展，是利用高 速旋转的离心力作用，将光刻胶在基片外表均匀地开放，多余的光刻胶被甩掉， 最终获得肯定厚度的光刻胶膜，光刻胶的膜厚是由光刻胶的粘度和甩胶的转速来 掌握，通常这种方法可以获得优于±2%的涂布均匀性〔边缘除外〕。光刻胶涂 布的厚度与转速、时间、胶的特性有关系，此外旋转时产生的气流也会有肯定的 影响。同时也存在肯定的缺陷：气泡、彗星(胶层上存在的一些颗粒)、条纹、边 缘效应等，其中边缘效应对于小片和不规章片尤为明显。
第八章光刻与刻蚀工艺
双叠氮交联剂的感光波长范围为260~460nm，已适用于高 压汞灯等光源。但添加适宜的增感剂，感光度也有所提高。
若曝光气氛中存在氧，将导致灵敏度下降，因此，必须在 氮气或真空条件下曝光操作。
原始光刻胶膜可被某些溶剂溶解；受适当波长的光照射后 发生聚合或交联反应，聚合为不可溶物质；显影后，硅片表面 的光刻胶图形与掩模版相反。其成分主要为感光性树脂，其次 包括溶剂和增感剂。以感光性树脂的种类来分类：
（1）聚乙烯醇肉桂酸脂类
产品有北京化工厂的北化103胶、上海化学试剂厂的上试 1 号胶、美国的柯达光致抗蚀剂（KPR）以及日本东京应化光致 抗蚀剂（TPR）。
2、正性光刻胶（正胶）
原始光刻胶膜不能被某些溶剂溶解；受适当波长的光照射 后，发生光分解反应，分解为可溶性物质；显影后，硅片表面 的光刻胶图形与掩模版相同；未经感光的光刻胶仍然保持它在 紫外光照射下发生光分解反应的活性，因此此类光刻胶在光刻 工艺中能够多次曝光。
主要成分为邻叠氮醌类化合物。产品有：北京化工厂的205、 206、212正性胶，上海试剂一厂的702、703胶等，美国Shipley 公司生产的AZ-1350系列等。
第八章 光刻与刻蚀工艺
1
§8.1 概述
一、光刻技术的特点
1、光刻是一种表面加工技术； 2、光刻是复印图像和化学腐蚀相结合的综合性技术； 3、器件的尺寸越小，集成电路的集成度越高，对光刻精 度的要求就越高，难度就越大。
二、光刻的目的
在二氧化硅或金属薄膜上面刻蚀出与掩模版完全对应的几 何图形，从而达到选择性扩散和金属薄膜布线的目的。
(完整版)光刻与刻蚀工艺
光刻工艺过程
❖涂胶 coating ❖前烘 prebaking ❖曝光 exposure ❖显影 development ❖坚膜 postbake ❖刻蚀 etch ❖去胶 strip ❖检验 inspection
1、涂胶
SiO2
Si （1）氧化、清洗
光刻胶 SiO2
Si （2）涂胶、前烘
1、涂胶
❖ 在图形曝光的工 作区域，则需要等级 10或1的洁净室。
lithography
❖Introduction
❖ 光刻 ▪ 洁净室 ▪ 工艺流程 ▪ 光刻机 ▪ 光刻胶 ▪ 掩膜版
光刻原理（1）
❖ 掩膜版图形转移到光刻胶
▪ 在光刻过程中，光刻胶受到光辐射之后发生光 化学反应，其内部分子结构发生变化，在显影 液中光刻胶感光部分与未感光部分的溶解速度 相差非常大。
❖涂胶目的
▪ 在硅片表面形成厚度均匀、附着性强、并且没 有缺陷的光刻胶薄膜。
❖怎样才能让光刻胶粘的牢一些？
可以开始涂胶了……
❖ 怎么涂？
▪ 旋转涂胶法：把胶滴在硅片，然后使硅片高速旋转， 液态胶在旋转中因离心力作用由轴心沿径向（移动） 飞溅出去，但粘附在硅表面的胶受粘附力的作用而留 下。在旋转过程中胶所含的溶剂不断挥发，故可得到 一层均匀的胶膜
▪ （2）等级为M3.5的洁净室（公制），直径大 于或等于0.5um的尘埃粒子总数不超过103.5 （约3500个/m3)
❖ 100个/ft3= 3500个/m3
▪ 一个英制等级100的洁净室相当于公制等级 M3.5的洁净室。
洁净室（4）
❖ 对一般的IC制造 区域，需要等级100 的洁净室，约比一般 室内空气低4个数量 级。
Resist coat (wafer track)
光刻和刻蚀工艺流程
光刻和刻蚀工艺流程第一步：光刻掩膜准备光刻工艺的第一步是制备掩膜。
掩膜是一种类似于胶片的薄膜，上面有制作好的电路图形。
通常，光刻掩膜由专门的光刻工艺工程师根据电路图形设计，并通过专业软件生成掩膜图形。
之后将掩膜图形转移到掩膜胶片上。
第二步：光刻胶涂覆接下来，在待加工的硅片表面涂覆一层光刻胶。
光刻胶是一种特殊的光敏物质，具有对紫外光敏感的特性。
使用旋涂机将光刻胶均匀涂覆在硅片上。
第三步：软烘烤硅片上涂覆好光刻胶之后，需要进行软烘烤步骤。
软烘烤的作用是去除光刻胶中的溶剂以及帮助光刻胶更好地附着在硅片表面上。
软烘烤的温度和时间根据不同的光刻胶种类和工艺要求进行调节。
第四步：曝光曝光是光刻工艺的关键步骤。
在曝光台上，将掩膜和被涂覆光刻胶的硅片对准，并通过紫外光照射。
光刻胶中被曝光的部分会发生化学变化，形成光刻胶的图形。
第五步：后烘烤曝光之后，需要进行后烘烤。
烘烤的目的是加强光刻胶的图形，使其更稳定并提高精度。
烘烤温度和时间根据不同的光刻胶种类和工艺要求进行调节。
第六步：显影显影是将光刻胶中未曝光的部分溶解掉的步骤。
将硅片浸入特定的显影液中，显影液会将光刻胶中溶解掉的部分清除掉，形成具有电路图形的光刻胶。
第七步：刻蚀刻蚀是将未被光刻胶保护的硅片表面精确地去除掉部分的步骤，以形成电路图形。
刻蚀液根据硅片的材料和刻蚀目标而确定。
将硅片浸入刻蚀液中，刻蚀液会剥离掉没有光刻胶保护的硅片表面，形成光刻胶的图形。
第八步：去光刻胶刻蚀完成后，需要将光刻胶从硅片上去除。
通常使用酸性或碱性溶液将光刻胶溶解掉。
去光刻胶后，就得到了具有电路图形的硅片。
以上就是光刻和刻蚀的工艺流程。
光刻和刻蚀工艺对于微电子芯片的制造至关重要，能够提供精确的电路图形，是制造集成电路的基础步骤。
随着技术的不断发展，光刻和刻蚀工艺也在不断改进，以满足高集成度和高性能的微电子芯片的制造需求。
光刻与刻蚀工艺
光刻与刻蚀工艺pptxx年xx月xx日contents •光刻与刻蚀工艺简介•光刻工艺详细介绍•刻蚀工艺详细介绍•光刻与刻蚀工艺的挑战与对策•光刻与刻蚀工艺的发展趋势目录01光刻与刻蚀工艺简介1光刻工艺原理23利用光子能量将光刻胶上的分子激活，使其可进行化学反应。
光学曝光将光刻胶上的图形转移到半导体基板上的过程。
图形转移对光刻胶和半导体基板表面进行化学处理，以实现图形的精细加工。
表面处理利用液体化学试剂将半导体表面的材料溶解。
刻蚀工艺原理湿法刻蚀利用等离子体或离子束等高能粒子将半导体表面的材料去除。
干法刻蚀刻蚀过程中，被刻蚀材料与阻挡层材料的去除速率之比。
选择比1光刻与刻蚀工艺的关系23光刻工艺是制造芯片的核心技术，通过光刻胶上的图形控制半导体表面的加工。
刻蚀工艺是将光刻胶上的图形转移到半导体表面的关键步骤，要求高精度和高一致性。
光刻和刻蚀工艺的组合直接决定了芯片制造的质量、产量和成本。
02光刻工艺详细介绍03运动控制系统运动控制系统精确控制掩膜与光刻胶之间的相对位置，确保图形对准和重复性。
光刻机工作原理01曝光系统曝光系统将掩膜上的图形转换为光刻胶上的图形，是光刻机的核心部分。
02投影系统投影系统将曝光系统输出的光线聚焦到光刻胶表面，实现小比例图形转移。
光学接触剂是低分子聚合物，具有高度透明性和低折射率。
光学接触剂正性光刻胶受到光照后会发生交联反应，形成网状结构，耐腐蚀性强。
正性光刻胶负性光刻胶受到光照后会发生降解反应，形成可溶性物质，易于清除。
负性光刻胶光刻胶的分类与性质增加对比度通过优化涂层和选择合适的光源和波长，增加光刻胶与衬底之间的对比度。
提高分辨率采用短波长光源和高级数值孔径透镜，提高光刻机分辨率。
提高精度和一致性采用先进的控制系统和误差修正技术，提高光刻胶图形的精度和一致性。
光刻工艺的优化03刻蚀工艺详细介绍离子刻蚀机以离子束或离子束辅助化学反应的方式进行刻蚀。
具有各向异性刻蚀、高分辨率和低损伤等优点，但刻蚀速率较慢，设备昂贵。
光刻与刻蚀工艺流程课件
REPORT
CATALOG
DATE
ANALYSIS
SUMMAR Y
02
刻蚀工艺简介
刻蚀工艺的定义
刻蚀工艺：是指利用物理或化学方法，将材料表面的一部分 去除，以达到形成图案或结构的目的。
在半导体制造中，刻蚀工艺是关键的步骤之一，用于形成电 路、器件和其它微结构。
刻蚀工艺的原理
物理刻蚀
利用物理能量，如高能粒子或等 离子体，轰击材料表面，使其原 子或分子从表面溅射出来。
总结词
胶的均匀涂布是光刻工艺中的重要环节，直接影响到光刻胶的覆盖质量和均匀 性。
详细描述
在涂胶过程中，要确保胶液的均匀分布，避免出现胶层厚薄不均、气泡等问题 。可以采用匀胶机进行涂布，控制好涂布速度和温度，以保证胶的均匀性。
曝光能量控制问题
总结词
曝光能量是光刻工艺中的关键参数， 直接影响到曝光质量和光刻胶的溶解 度。
预烘
预烘
使光刻胶中的溶剂挥发， 增强光刻胶与硅片之间的 黏附力。
预烘温度和时间
根据光刻胶类型和特性而 定。
预烘作用
提高光刻胶的黏附性和稳 定性。
曝光
曝光
通过掩膜版将所需图案投影到光 刻胶上，使光刻胶发生化学反应
。
曝光方式
接触式曝光、接近式曝光、扫描 式曝光等。
曝光剂量
影响光刻胶的溶解性和分辨率。
坚膜温度的控制问题
总结词
坚膜温度是光刻工艺中的重要参数，直接影响到光刻胶的硬度和附着力。
详细描述
要选择合适的坚膜温度，以保证光刻胶的硬度和附着力。坚膜温度过高会导致光刻胶变脆，而坚膜温度过低会导 致光刻胶附着力下降，影响光刻效果。
腐蚀深度的问题
总结词
反应离子刻蚀与光刻的关系
反应离子刻蚀与光刻的关系
反应离子刻蚀（Reactive Ion Etching，RIE）和光刻（Photolithography）是半导体制造中常用的两种工艺步骤。
它们在制造微电子器件中起着互补的作用。
1. 光刻是一种通过光敏剂在半导体材料表面形成光阻图案的方法。
它将纳米级的图案转移到硅片表面，以定义出光刻胶的模式。
光刻通常是在光刻机中进行的，通过紫外光或可见光照射光刻胶，使其固化或聚合，然后将胶层暴露在化学等蚀刻剂中。
2. 反应离子刻蚀是一种通过在等离子体中产生化学反应来去除材料表面的方法。
在RIE中，离子源产生了反应离子，这些
离子通过气体加以加热并被施加在材料表面上。
这些离子在与器件表面接触时会发生化学反应，从而离子化材料表面的原子并将其除去。
RIE可控制刻蚀速率和选择性，并且对于制造高
精度微细结构尤其有用。
在半导体制造的流程中，光刻和RIE通常是一个迭代的过程，其步骤如下：
1. 光刻层：通过光刻在材料表面形成光刻胶图案。
2. 蚀刻层选择性：在RIE中，利用化学反应去除未被光刻所
定义的区域的材料。
3. 光刻胶去除：通过化学方法将光刻胶从材料表面除去。
4. 重复上述步骤直到完成所需的结构。
因此，反应离子刻蚀和光刻是相互依赖的。
光刻定义了蚀刻区域的模式，而RIE通过化学反应去除非蚀刻的材料，从而形
成具有精确几何形状的微细结构。
两者在半导体工艺中密切配合，共同实现微电子器件的制造。
chap8光刻与刻蚀工艺
改善驻波效应的技术：在光刻胶层底 部或顶部使用抗反射涂层，同时在曝光 后进行烘焙。
27
8.6
紫外线曝光
接触式光刻：分辨率较高，但是容易造 成掩膜版和光刻胶膜的损伤。 接近式曝光：在硅片和掩膜版之间有一 个很小的间隙 (10 ～ 25m) ，可以大大减 小掩膜版的损伤，分辨率较低。 投影式曝光：利用透镜或反射镜将掩膜 版上的图形投影到衬底上的曝光方法， 目前用的最多的曝光方式。
定义：用光刻方法制成的微图形，只 给出了电路的行貌，并不是真正的器件 结构。因此需将光刻胶上的微图形转移 到胶下面的各层材料上去，这个工艺叫 做刻蚀。 • 目的：把经过曝光, 显影后的光刻胶 微图形中下层材料的裸露部分去掉, 即 在下层材料上重现与光刻胶相同的图形。
12
八、去胶
13
8.2 分辨率
聚乙烯醇肉桂 酸酯 KPR胶的 光交联(聚合)
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1.负性胶由光产 生交联
常用负胶有聚肉桂酸 酯类、聚酯类和聚烃 类,
显影 曝光
胶 衬底 掩膜 胶 衬底
2.正性胶 由光产生 分解
胶 衬底
胶 衬底
负胶
正胶
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聚乙烯醇肉桂酸酯 KPR
常用负胶有聚肉桂酸酯类、聚酯类 和聚烃类
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DNQ-酚醛树脂光刻胶的化学反应
1
二、光刻的目的：光刻的目的就是
在二氧化硅或金属薄膜上面刻蚀出与掩
膜版完全对应的几何图形，从而实现选
择性扩散和金属薄膜布线的目的。 三、在ULSI中对光刻的基本要求： 1、高分辨率：分辨率的表示方法：第一 种是以每毫米最多能够容纳的线条数来 表示。即线宽。条数/mm；第二种是以剥 蚀后的二氧化硅尺寸减去光刻掩膜版的 图形尺寸除以2表示。
chap8光刻与刻蚀工艺
7
2、高灵敏度：为了提高产量要求曝光所需 要的时间越短越好，也就是要求灵敏度高。也 称感光度，以光刻胶发生化学反应所需要的最 小曝光量的倒数来表示。 3、精密的套刻对准 4、大尺寸硅片的加工 5、低缺陷 四、光刻三要素： 光刻胶、掩膜版和光刻机
8
8.1 光刻工艺流程
以负胶为例来说明这八个步骤，一般 可分为： 打底膜->涂胶->前烘->曝光->显影-> 后烘（坚膜）->腐蚀（刻蚀）->去胶。
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图形转移——刻蚀
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图形转移——剥离（lift-off）
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去胶
溶剂去胶 （strip）：Piranha (H2SO4:H2O2)。 正胶：丙酮
氧化去胶 450 C O2+胶CO2+H2O 干法去胶（Ash)
等离子去胶（Oxygen plasma ashing） 高频电场 O2电离O－＋O＋ O＋活性基与胶反应 CO2， CO ，H2O。
40
8.5 抗反射涂层工艺
使用抗反射涂层（ARC）工艺，可以降低驻波 效应的影响。 驻波效应：曝光光波在进入到光刻胶层之后， 如果没有被完全吸收，就会有一部分光波穿过光 刻胶膜达到衬底表面，这一部分光波在衬底表面 被反射之后，又回到光刻胶中。这样，反射光波 与光刻胶中的入射光波发生干涉，从而形成驻波。 表现为以λ/2n为间隔，在光刻胶中形成强 弱相间的曝光区域。会导致线宽发生变化，减低 分辨率。
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紫外曝光的方法及各自特点
接触式光刻：分辨率较高，但是容易造成掩膜 版和光刻胶膜的损伤。 接近式曝光：在硅片和掩膜版之间有一个很小 的间隙(10～25mm)，可以大大减小掩膜版的损 伤，分辨率较低。 投影式曝光：利用透镜或反射镜将掩膜版上的 图形投影到衬底上的曝光方法，目前用的最多 的曝光方式。
光刻与刻蚀工艺
光刻与刻蚀工艺光刻与刻蚀工艺，这听起来好像是个特别高大上、特别复杂的东西，对吧？但其实啊，它就像是我们生活中的一场精心编排的舞蹈，每一个步骤都精准而有序。
先来说说光刻。
这就好比是在一张巨大的画布上作画，只不过这画布不是普通的纸，而是小小的芯片。
想象一下，你拿着一支超级精细的“画笔”，要在这小小的芯片上画出极其复杂的图案，而且不能有一丝一毫的差错。
这“画笔”其实就是光刻机发出的光线，通过一系列的操作，把设计好的电路图案精确地“印”在芯片表面。
我记得有一次，我在实验室里观察光刻的过程。
那台光刻机就像是一个神秘的大家伙，安静地矗立在那里。
操作人员小心翼翼地调整着各种参数，眼睛紧紧盯着屏幕上的图像。
当光线照射在芯片上的那一刻，我仿佛看到了一场魔法的诞生，那些细微的线条逐渐清晰起来，就像夜空中绽放的烟花一样绚烂。
刻蚀呢，就像是一位精细的雕刻大师，拿着刻刀在已经画好图案的芯片上进行雕琢。
它要把不需要的部分一点点地去除掉，留下的就是我们需要的电路结构。
这个过程就像是在豆腐上雕花，需要极度的细心和耐心。
比如说，有一次我看到一块芯片在进行刻蚀工艺，旁边的工程师们紧张得大气都不敢出。
刻蚀液缓缓地流淌在芯片表面，一点点地侵蚀着多余的部分。
每一秒钟都显得那么漫长，大家都在等待着最终完美的结果。
光刻和刻蚀工艺的结合，就像是一场完美的双人舞。
光刻画出了优美的线条，刻蚀则将这些线条雕琢得更加精致。
它们相互配合，缺一不可，共同为制造出高性能的芯片而努力。
在现代科技的舞台上，光刻与刻蚀工艺是当之无愧的明星。
从我们日常使用的手机，到超级计算机，再到各种智能设备，都离不开它们的功劳。
就拿我们的手机来说吧，芯片的性能直接决定了手机的运行速度和功能。
而光刻与刻蚀工艺的不断进步，让芯片变得越来越小，性能却越来越强大。
以前的手机又大又笨重，功能也很有限。
但现在，小小的手机里却蕴含着巨大的能量，这都要归功于光刻与刻蚀工艺的不断创新和发展。
而且啊，这光刻与刻蚀工艺的发展可不是一帆风顺的。
光刻与刻蚀工艺
张道礼 教授 Email: zhang-daoli@ Voice: 87542894
微电子工艺学
6.1 概述
扩散掺杂 掺 杂 离子注入掺杂 物理气相淀积 微电子单项工艺 薄膜制备 化学气相淀积
外 延
光 图形转移 刻 蚀 刻
6.1 概述
在集成电路制造中，主要的光刻设备是利用紫外光(≈0.2～ 0.4m)的光学仪器。 刻蚀：在光刻胶掩蔽下，根据需要形成微图形的膜层不同，采 用不同的刻蚀物质和方法在膜层上进行选择性刻蚀。 这样，去掉光刻胶以后，三维设计图形就转移到了衬底的相关 膜层上。图形转移工艺是如此重要，以至一种微电子工艺技术的水 平通常以光刻和刻蚀的图形线宽（特征尺寸）表示。
8.2 光刻工艺
光刻胶的性能参数
a. 光学性质：如灵敏度、分辨率、对比度、折射率；
b. 力学和化学性质 ：如固溶度、黏滞度、抗蚀性、热稳定性、流 动性和对环境气氛的敏感度；
c. 其它性质：如纯度、金属含量、可使用范围、有效期和燃点；
一、分辨率 分辨率是指每毫米宽度内能够光刻出可分辨的最多线对数，它 是对光刻工艺可以达到的最小图形尺寸的一种描述。在线宽 L 与 线条间距相等的情况下，分辨率为：R 1 (mm 1 ) ，光刻分辨率受 2L 光刻系统、光刻胶和光刻等多方面因素影响。
+
_ 显影后的理想光刻胶剖面
_
8.2 光刻工艺
Imin
Imax
另一个可以从对比度中得到的光刻胶性能指标是调制传输函 I max I min MTF 数（MTF），它可以用来描述曝光图形的质量： I max I min 其中Imax 和Imin 分别为曝光图形上最大和最小辐照强度。 D D 光刻胶临界调制传输函数（CMTF）为：CMTF D100 D0 100 0 CMTF的典型值约为0.4。如果一个实际光刻图形的MTF小 于所用光刻胶的CMTF，则光刻图形上的最小尺寸线条不能被分 辨。反之，则可能被分辨。 101/ 1 对比度与CMTF的关系为： CMTF 101/ 1 对于曝光系统，如果该系统对各种线条的MTF均已知，则 根据光刻胶对比度可计算出该系统能够形成的最小图形尺寸。
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思考题：为什么光刻胶越薄，分辨率越高？
Jincheng Zhang
光刻工艺 Photolithography Process
光刻基本步骤
• 涂胶 Photoresist coating • 对准和曝光 Alignment and exposure • 显影 Development
Jincheng Zhang
Comparison of Photoresists
Jincheng Zhang
正胶 Positive Photoresist
曝光部分可以溶解在显影液中 正影（光刻胶图形与掩膜图形相同） 更高分辨率（无膨胀现象） 在IC制造应用更为普遍
Jincheng Zhang
Jincheng Zhang
预烘和底胶蒸气涂覆
Jincheng Zhang
光刻3－涂胶 （Spin Coating）
硅圆片放置在真空卡盘上 高速旋转 液态光刻胶滴在圆片中心 光刻胶以离心力向外扩展 均匀涂覆在圆片表面 设备--光刻胶旋涂机
Jincheng Zhang
光刻胶厚度与旋转速率和粘性的关系
问题
为什么不能用光学显微镜检查0.25um尺寸的图形? 因为特征尺寸 (0.25 µm = 250nm) 小于可见光的波长， 可见光波长为390nm (紫光) to 750nm (红光)
Jincheng Zhang
图形检测
未对准问题：重叠和错位 - Run-out, Run-in, 掩膜旋转，晶圆旋转，X方向错位，
Jincheng Zhang
光刻工序
Jincheng Zhang
1、清洗硅片 Wafer Clean
Jincheng Zhang
2、预烘和底膜涂覆 Pre-bake and Primer Vapor
Jincheng Zhang
3、光刻胶涂覆 Photoresist Coating
Jincheng Zhang
未来趋势 Future Trends
更小特征尺寸 Smaller feature size 更高分辨率 Higher resolution 减小波长 Reducing wavelength 采用相移掩膜 Phase-shift mask
Jincheng Zhang
光衍射
光衍射影响分辨率
光刻需要
高分辨率 High Resolution 光刻胶高光敏性 High PR Sensitivity 精确对准 Precision Alignment
Jincheng Zhang
Photoresist(PR)－光刻胶
光敏性材料 临时性地涂覆在硅片表面 通过曝光转移设计图形到光刻胶上 类似于照相机胶片上涂覆的光敏材料
光刻4－前烘（Soft Bake）
①作用：促进胶膜内溶剂充分挥发，使胶膜干燥； 增加胶膜与SiO2 （Al膜等）的粘附性及耐磨性。
②影响因素：温度，时间。 烘焙不足（温度太低或时间太短）－显影时易浮胶，
图形易变形。 烘焙时间过长－增感剂挥发，导致曝光时间增长，
甚至显不出图形。 烘焙温度过高－感光剂反应（胶膜硬化），
Jincheng Zhang
Photoresist Spin Coater
EBR: Edge bead removal边缘修复
Jincheng Zhang
滴胶
Jincheng Zhang
光刻胶吸回
Jincheng Zhang
Photoresist Spin Coating
Jincheng Zhang
掩膜与圆片表面有5－50μm间距 优点：较长的掩膜寿命 缺点：分辨率低（线宽> 3 um）
Jincheng Zhang
投影式曝光机
类似于投影仪 掩膜与晶圆图形 1:1 分辨率：～1 um
Jincheng Zhang
步进式曝光机
现代IC制造中最常用的曝光工具
通过曝光缩小掩膜图形以提高分辨率
Jincheng Zhang
坚膜的控制
坚膜不足
－光刻胶不能充分聚合 －造成较高的光刻胶刻蚀速率 －黏附性变差
过坚膜
－光刻胶流动造成分辨率变差
Jincheng Zhang
光刻胶流动
过坚膜会引起太多的光刻胶流动，影响光刻的分辨率
正常坚膜
Jincheng Zhang
过坚膜
问题
如果涂胶时用错光刻胶，会发生什么问题？ 每种光刻胶都有不同的敏感性和粘性，都需要不 同的旋转速率、斜坡速率、旋转时间、烘干时间和 温度、曝光强度和时间、显影液和显影条件，因此 图形转移将失败。
0.065 μm
Jincheng Zhang
对准和曝光设备
接触式曝光机 接近式曝光机 投影式曝光机 步进式曝光机（Stepper）
Jincheng Zhang
接触式曝光机
设备简单 分辨率：可达亚微米 掩膜与圆片直接接触，
掩膜寿命有限 微粒污染
Jincheng Zhang
接近式曝光机
Jincheng Zhang
分辨率 Resolution
表征光刻精度； 定义－光刻时所能得到的光刻图形的最小尺寸。 表示方法：每mm最多可容纳的线条数。若可分辨
问题
正胶比负胶具有更好的分辨率，为什么十九世 纪八十年代以前人们普遍使用负胶？
Jincheng Zhang
答案
因为正胶比负胶贵得多，直到器件特征尺寸减 小到3um以下时人们才用正胶代替负胶。
Jincheng Zhang
对光刻胶的要求
高分辨率
– Thinner PR film has higher the resolution – Thinner PR film, the lower the etching and ion implantation resistance
分辨率：0.25 μm 或更小 设备很昂贵
步进-&-重复
Jincheng Zhang
曝光光源
短波长 高亮度（高光强） 稳定
高压汞灯 受激准分子激光器
Jincheng Zhang
汞灯的光谱
Jincheng Zhang
曝光机光源
Jincheng Z光干涉
周期性过曝光和欠曝光
影响光刻分辨率
光刻胶中的驻波效应
Jincheng Zhang
光刻7－曝光后烘焙（后烘，PEB）
机理：光刻胶分子发生热运动，过曝光和欠曝 光的光刻胶分子发生重分布；
作用：平衡驻波效应，提高分辨率。
PEB减小驻波效应
Jincheng Zhang
光刻8－显影(Development)
Jincheng Zhang
Photoresist
Negative Photoresist 负性光刻胶－负胶
曝光后不可溶解 显影时未曝光的被溶解 便宜
Positive Photoresist 正性光刻胶－正胶
曝光后可溶解 显影时曝光的被溶解 高分辨率
Jincheng Zhang
Negative and Positive Photoresists
Jincheng Zhang
正胶的曝光机理：重氮萘醌光分解反应
Jincheng Zhang
负胶的曝光机理：聚乙烯醇肉桂酸脂光聚合反应
Jincheng Zhang
Photoresist Composition光刻胶基本组成
聚合物材料(基体） 感光材料 溶剂 添加剂
Jincheng Zhang
Jincheng Zhang
光刻10－图形检测（Pattern Inspection）
• 检查发现问题，剥去光刻胶，重新开始 – 光刻胶图形是暂时的 – 刻蚀和离子注入图形是永久的 • 光刻工艺是可以返工的， 刻蚀和注入以后就不能再返工 • 检测手段：SEM（扫描电子显微镜）、光学显微镜
Jincheng Zhang
9、坚膜 Hard Bake
Jincheng Zhang
10、图形检测 Pattern Inspection
Jincheng Zhang
光刻1－硅片清洗（Wafer Clean）
目的 --去除污染物、颗粒 --减少针孔和其它缺陷 --提高光刻胶黏附性
基本步骤 – 化学清洗 – 漂洗 – 烘干
显影液溶剂溶解掉光刻胶中软化部分 从掩膜版转移图形到光刻胶上 三个基本步骤:
– 显影 – 漂洗 – 干燥
Jincheng Zhang
显影: 沉浸
显影
Jincheng Zhang
漂洗
旋转干燥
显影
Jincheng Zhang
显影后剖面
正常显影
欠显影
Jincheng Zhang
不完全显影 过显影
光刻9－坚膜（Hard Bake）
蒸发PR中所有有机溶剂 提高刻蚀和注入的抵抗力 提高光刻胶和表面的黏附性 聚合和使得PR更加稳定 PR流动填充针孔
Jincheng Zhang
光刻胶热流动填充针孔
Jincheng Zhang
坚膜（Hard Bake）
热板最为常用 检测后可在烘箱中坚膜 坚膜温度: 100 到130 °C 坚膜时间：1 到2 分钟 坚膜温度通常高于前烘温度
集成电路工艺基础
5、光刻与刻蚀工艺（曝光、刻蚀）
微电子学院 戴显英
2017年9月
掌握
光刻胶的组成 +PR 和 –PR的区别 描述光刻工艺的步骤 四种对准和曝光系统 Explain relationships of resolution and depth of
focus to wavelength and numerical aperture.
例如：聚乙烯醇肉桂酸脂系（负胶）
①基体、感光剂－ 聚乙烯醇肉桂酸脂 浓度：5-10% ②溶剂－环己酮 浓度：90－95％ ③增感剂－5-硝基苊 浓度：0.5-1%