第12章 光刻：掩膜,光刻胶和光刻机(课件)
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图形材料：用于掩膜版上不透明的图形材料通常 是薄层的铬（Chrome，Cr）。厚度通常小于1000A， 通过溅射淀积。有时候会在铬上形成一层氧化铬 （200A）的抗反射涂层。
光学工程师将用户数据转换为写入系统所能接
受的格式。包括数据分割，尺寸标记，图形旋转， 增加套刻标记，内部参照标记，以及一个jobdeck （掩膜上不同图形的位置的说明）。
掩膜版缺陷的来源可能是掉铬，表面擦伤，静电 放电或灰尘颗粒。
一些典型的掩模板缺陷
工艺线直击——掩膜版制备
先进掩膜概念
相移掩膜技术，PSM（Phase Shift Mask）：一 块具有衍射栅的掩膜被相移材料以两倍的栅周期 覆盖，每隔一个孔就以这种方式覆盖一次。
材料的厚度和折射率要保证经过它的光相位对于 未通过它的光有180度的精确相移。
Canon 600 Scanner 曝光过程中，光刻胶中的PAC分解产生催化剂，在后烘加热的过程中，催化剂引起正胶的降解反应或负胶的交联反应，使得曝光部分 的光刻胶可以溶解于显影液（正胶），或不溶于显影液（负胶）。
Collimator Lens
R=365nm 光刻胶分为两大类：正性光刻胶和负性光刻胶。 没有经过前烘的可能后果： (1) 光刻设备的对准系统状态发生变化；
~ ~
二．涂光刻胶（PR Coating）
将光刻胶均匀地涂敷在硅片的表面，要求： （1）膜厚符合设计要求，同时膜厚均匀，胶面上
看不到干涉花纹； （2）胶层内无点缺陷（如针孔等）； （3）涂层表面无尘埃，碎屑等颗粒。
分滴
旋转
铺平
静态分滴：硅片静止时分滴光刻胶。
动态分滴：硅片缓慢旋转时分滴光 刻胶。
光源
孔径 开关 掩膜
光刻胶 硅片
在光学光刻中常用的UV波长
可见光
Gamma射线 X射线 UV
红外线
微波
无线电波
f (Hz)
1022 10 20 10 18
16
14m)
10-14 10-12 10 -10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
157 193 248 (nm)
VUV DUV DUV
光刻胶显影设备
TEL ACT-8 光刻 胶涂覆和显影系统
七. 坚膜烘焙（Hard Bake）
显影后的热烘。要求挥发掉残留的光刻胶溶剂和 显影液，提高光刻胶对硅片表面的粘附性。
这一步是稳固光刻胶，对后续的刻蚀和离子注入 过程非常关键。
八. 显影后检查（Inspection）
检查光刻胶中形成图形的缺陷，包括： 颗粒，沾污，关键尺寸，对准精度等。 问题出自于先前操作，无法接受，硅片报废。 问题与光刻胶中的图形质量有关，则将光刻胶剥
没有经过前烘的可能后果： 光刻胶薄膜发黏，容易受到颗粒沾污。 旋转涂胶的内在应力将导致粘附性问题。 溶剂含量过高导致显影时溶解差异，难以区分曝 光和未曝光的光刻胶。 溶剂在曝光时受热挥发，沾污光学系统透镜。
前烘设备
真空热板上进行热传导。热量从硅片背面接触从 热板传递到光刻胶。光刻胶由硅片和光刻胶的接 触面向外加热，可以使溶剂更快的挥发除去，循 环时间短。
UV Exposure
Rearrangement
掩膜版的制备
通常采用电子束直写的方式把 高分辨率的图形转印到掩膜版 表面。
电子源产生的电子被加速并聚 焦成形射到投影掩膜版上。电 子束可以通过光栅扫描或矢量 扫描的方式在掩膜版上形成图 形。
掩膜版上的电子束胶在曝光显 影后，通过湿法或干法刻蚀去 掉不需要的铬层。
Film Deposition
Resist Coat
Film Wafer
Photoresist Film Wafer
UV Exposure hv
Reticle
Photoresist Film Wafer
Developing
Film Wafer
Etch Gas
Wafer
11.1 光刻工艺的8个基本步骤
PAG generates H+ by h energy,H+ diffuses by Heating(PEB) to resist inside
Canon 600 Scanner 数值孔径，焦深，分辨率的公式 TEL ACT-8 光刻 利用Fresnel近场衍射理论计算的间隔范围： 溶剂含量过高导致显影时溶解差异，难以区分曝光和未曝光的光刻胶。 工艺线直击——掩膜版制备 造成失准的原因可能是：
硅片清洗：除去表面沾污。 脱水烘焙：形成干燥疏水性的硅片表面。 增粘处理：六甲基二硅胺烷（HMDS）处理
亲水性表面
低接触角度
疏水性表面
高的接触角度
鼓泡系统
HMDS 本身是液态 可以通过N2 鼓泡系统将其汽化， 并且在真空腔中处理该气体。
鼓泡 N2
HMDS
N2 IN
HMDS OUT
N2 + HMDS
Qz Shifter
Light
on wafer on wafer
调制传输函数（MTF）
图形的调制传输函数（Modulating Transfer Function，MTF）可定义为：
MTF
Imax Imax
Imin Imin
MTF强烈依赖于衍射光栅的周期，当光线周期减小， MTF也减小。
S 旋转
F
光刻胶
硅片
A
F :向心力 : 硅片边缘的表面张力 A :PR 粘附力 S : 溶剂挥发力
当这四个作用力达到平衡时，胶液就不再延展。
旋转的目的：
1）硅片表面得到均匀的胶膜覆盖
2）在长时间内得到硅片间的可重 复的胶厚。
膜厚与转速的一个经验
关系为：
TR
1
TR为膜厚，ω为转速
SVG 90 涂胶台
后烘
•促进关键光刻胶的化学反应，提高光刻胶粘附性
显影
•将光刻胶上可溶解的区域用显影液溶解，形成图形。
坚膜烘焙
• 挥发掉残留的光刻胶溶剂，提高光刻胶对硅片表面的粘附性
显影后检查
• 检查光刻胶图形以确定光刻胶图形的质量
一．成底膜处理（HMDS Coating）
衬底材料对光刻工艺的影响有三个方面：表面清 洁度、表面性质（疏水或亲水）、平面度。
六. 显影（Developing）
显影就是用溶剂去除未曝光部分（负胶）或曝 光部分（正胶）的光刻胶，在硅片上形成所需要光 刻胶图形。
浸没式
批量或单片浸入显影液槽中。 是最初的显影方式。
CASSETTE HANDLER
Bath
Develop in-let
Developer WAFER
WAFER
Developer
真空热板加热平面必须严格水平。 通过前烘，溶剂含量由65%－85%降低到4%到
7%左右。
四. 对准与曝光
对准与曝光是光刻工艺中最关键的工序，它 直接关系到光刻的分辨率，留膜率，线宽控制和 套准精度。
Previous pattern
Alignment mark
简单光学曝光系统示意图
常用光源： 可见光 近紫外（NUV） 紫外光（UV） 深紫外光（DUV） 真空紫外（VUV） 极紫外光（EUV）
365 405 436
i
hg
传统的三种曝光方式
接近式
接触式
投影式
接触式曝光机 ---Canon 501
Canon 600 Scanner
五. 后烘（PEB）
曝光过程中，光刻胶中的PAC分解产生催化 剂，在后烘加热的过程中，催化剂引起正胶的降解 反应或负胶的交联反应，使得曝光部分的光刻胶可 以溶解于显影液（正胶），或不溶于显影液（负 胶）。
掩膜版上用于Stepper对准的套刻标记
掩膜版上的参照标记 反之，则粘度小，胶膜薄。
在光刻版上进行图形修正，来补偿衍射带来的光刻图形变形 光刻胶越浓，它的粘度就越大，在相同的涂胶条件下，所得的胶膜就越厚；
spraying on therotating wafer( hundreds rpm. （3）涂层表面无尘埃，碎屑等颗粒。 光刻胶胶膜必须保持它的粘附性，并在后续的湿刻和干刻中保护衬底表面。 S为感光度，h为比例常数，E为最小曝光量。 所以保证转移到光刻胶膜上的图形尺寸完全符合设计要求，就需要在光刻工艺的各道工序中找出最佳的工艺条件。
表面处理 涂胶 软烘
对准曝光
•通过气相成膜处理，将硅片表面变为亲水性，以增强光刻胶 •和硅片表面的粘附性
• 将光刻胶分滴在硅片表面并旋转，得到在整个硅片表面具有 一定的均匀厚度的光刻胶涂层
• 去除光刻胶中大部分溶剂，提高硅片上光刻胶的粘附性和 均匀性。
• 将掩模版与硅片上图形对准并曝光，将掩模版图形转移到涂 胶的硅片上。
Use IN-LINE SYSTEM. It’s very weak for pattern scum problem.
喷流式
显影液持续的喷洒在硅片表面
PUMP
WAFER
BELT
Developer DI
Developer
This is useful for large size grass process(LCD) Current LCD developing process was modified. This material is recycled : Need to control its ually glass maker use auto normality control system This system is available for over 1.5um design rule devices.
DRAIN CHUCK
WAFER CASSETTE shake up and down to improve develop uniformity and its speed. Usually develop material company use this one. It’s easy to control Develop temperature.
掩膜版制作
CAD设计、模拟、验证后由图形发生器产生数字图形
×1掩膜版 （mask）制作
数字图形
接触式、接近式光刻
×4或×5投影光 刻版（reticle）
投影式光刻
掩模版制作过程
12. Finished
掩膜版缺陷
掩膜版上的缺陷会被复制到光刻胶层中，从而进 一步复制到硅片上。制造好的掩膜版要进行大量 测试来检查缺陷和颗粒。
相移的结果使来自相邻图形的衍射分布尾
部产生相消干涉，而不是相长干涉。这极大 的改善了圆片表面的调制传输函数（MTF）， 因而改善分辨率。
Cr
LENS
E-field +
0
I-field 0
Binary Mask Qz
on wafer on wafer
Light Cr
LENS
+
0
-
0
Alternative PSM
离，返工。
工艺线直击——光刻过程
11.2 掩模版（Photomask）
一种透明的平板，上面有要转印到硅片上光刻胶层的图形。
按照图形的完整度分为两类：
投影掩模版和掩模版
掩膜版的材料
衬底材料：最主要的用于亚微米光刻的投影掩膜 版衬底材料是熔融石英（fused silica）。它在深紫外 光谱部分（248nm和193nm）有着很高的光学透射。 熔融石英相对昂贵，但性能优越。它具有很低的热 膨胀系数。
Use for IN-LINE SYSTEM.Developer is spraying on therotating wafer( hundreds rpm.) Merit : High contrast,Low scum Demerit : Large usage,Bad CD uniformity
从物理概念来看，可认为MTF是实像上光学反差的度量， MTF越高，光学反差越好，图形的分辨率也高。
三. 前烘（Prebake）
前烘是光刻的一道关键工序，其目的是：
将硅片上覆盖的光刻胶溶剂去除，在曝光中 ， 增加催化剂浓度。
增强光刻胶的粘附性以便使显影时光刻胶依然 很好的粘附在硅片上。
缓和在旋转涂胶过程中光刻胶胶膜内产生的应 力。
防止光刻胶沾到设备上。
前烘条件的选取，对光刻胶的溶剂挥发量和光刻 胶的粘附特性，曝光特性，显影特性以及线宽的 精确控制都有较大的影响。
第十一章 光刻
光刻：Photolithography
光刻是一种图象复印的技术，是集成电路 制程中一项关键的工艺技术。在整个工艺流程 中，光刻的步骤占到50％以上，其成本占总制 造成本的1/3以上。
光刻步骤占整 个工艺流程50%
简单的说，光刻就是用照相复印的方法，
将掩膜版上之图形精确地复印到涂在硅片表 面的光致抗蚀剂（Photoresist）（下面统称光 刻胶）上面，然后在光刻胶的保护下对硅片 进行离子注入，刻蚀，薄膜淀积等各种工艺。
光学工程师将用户数据转换为写入系统所能接
受的格式。包括数据分割，尺寸标记，图形旋转， 增加套刻标记，内部参照标记，以及一个jobdeck （掩膜上不同图形的位置的说明）。
掩膜版缺陷的来源可能是掉铬，表面擦伤，静电 放电或灰尘颗粒。
一些典型的掩模板缺陷
工艺线直击——掩膜版制备
先进掩膜概念
相移掩膜技术，PSM（Phase Shift Mask）：一 块具有衍射栅的掩膜被相移材料以两倍的栅周期 覆盖，每隔一个孔就以这种方式覆盖一次。
材料的厚度和折射率要保证经过它的光相位对于 未通过它的光有180度的精确相移。
Canon 600 Scanner 曝光过程中，光刻胶中的PAC分解产生催化剂，在后烘加热的过程中，催化剂引起正胶的降解反应或负胶的交联反应，使得曝光部分 的光刻胶可以溶解于显影液（正胶），或不溶于显影液（负胶）。
Collimator Lens
R=365nm 光刻胶分为两大类：正性光刻胶和负性光刻胶。 没有经过前烘的可能后果： (1) 光刻设备的对准系统状态发生变化；
~ ~
二．涂光刻胶（PR Coating）
将光刻胶均匀地涂敷在硅片的表面，要求： （1）膜厚符合设计要求，同时膜厚均匀，胶面上
看不到干涉花纹； （2）胶层内无点缺陷（如针孔等）； （3）涂层表面无尘埃，碎屑等颗粒。
分滴
旋转
铺平
静态分滴：硅片静止时分滴光刻胶。
动态分滴：硅片缓慢旋转时分滴光 刻胶。
光源
孔径 开关 掩膜
光刻胶 硅片
在光学光刻中常用的UV波长
可见光
Gamma射线 X射线 UV
红外线
微波
无线电波
f (Hz)
1022 10 20 10 18
16
14m)
10-14 10-12 10 -10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
157 193 248 (nm)
VUV DUV DUV
光刻胶显影设备
TEL ACT-8 光刻 胶涂覆和显影系统
七. 坚膜烘焙（Hard Bake）
显影后的热烘。要求挥发掉残留的光刻胶溶剂和 显影液，提高光刻胶对硅片表面的粘附性。
这一步是稳固光刻胶，对后续的刻蚀和离子注入 过程非常关键。
八. 显影后检查（Inspection）
检查光刻胶中形成图形的缺陷，包括： 颗粒，沾污，关键尺寸，对准精度等。 问题出自于先前操作，无法接受，硅片报废。 问题与光刻胶中的图形质量有关，则将光刻胶剥
没有经过前烘的可能后果： 光刻胶薄膜发黏，容易受到颗粒沾污。 旋转涂胶的内在应力将导致粘附性问题。 溶剂含量过高导致显影时溶解差异，难以区分曝 光和未曝光的光刻胶。 溶剂在曝光时受热挥发，沾污光学系统透镜。
前烘设备
真空热板上进行热传导。热量从硅片背面接触从 热板传递到光刻胶。光刻胶由硅片和光刻胶的接 触面向外加热，可以使溶剂更快的挥发除去，循 环时间短。
UV Exposure
Rearrangement
掩膜版的制备
通常采用电子束直写的方式把 高分辨率的图形转印到掩膜版 表面。
电子源产生的电子被加速并聚 焦成形射到投影掩膜版上。电 子束可以通过光栅扫描或矢量 扫描的方式在掩膜版上形成图 形。
掩膜版上的电子束胶在曝光显 影后，通过湿法或干法刻蚀去 掉不需要的铬层。
Film Deposition
Resist Coat
Film Wafer
Photoresist Film Wafer
UV Exposure hv
Reticle
Photoresist Film Wafer
Developing
Film Wafer
Etch Gas
Wafer
11.1 光刻工艺的8个基本步骤
PAG generates H+ by h energy,H+ diffuses by Heating(PEB) to resist inside
Canon 600 Scanner 数值孔径，焦深，分辨率的公式 TEL ACT-8 光刻 利用Fresnel近场衍射理论计算的间隔范围： 溶剂含量过高导致显影时溶解差异，难以区分曝光和未曝光的光刻胶。 工艺线直击——掩膜版制备 造成失准的原因可能是：
硅片清洗：除去表面沾污。 脱水烘焙：形成干燥疏水性的硅片表面。 增粘处理：六甲基二硅胺烷（HMDS）处理
亲水性表面
低接触角度
疏水性表面
高的接触角度
鼓泡系统
HMDS 本身是液态 可以通过N2 鼓泡系统将其汽化， 并且在真空腔中处理该气体。
鼓泡 N2
HMDS
N2 IN
HMDS OUT
N2 + HMDS
Qz Shifter
Light
on wafer on wafer
调制传输函数（MTF）
图形的调制传输函数（Modulating Transfer Function，MTF）可定义为：
MTF
Imax Imax
Imin Imin
MTF强烈依赖于衍射光栅的周期，当光线周期减小， MTF也减小。
S 旋转
F
光刻胶
硅片
A
F :向心力 : 硅片边缘的表面张力 A :PR 粘附力 S : 溶剂挥发力
当这四个作用力达到平衡时，胶液就不再延展。
旋转的目的：
1）硅片表面得到均匀的胶膜覆盖
2）在长时间内得到硅片间的可重 复的胶厚。
膜厚与转速的一个经验
关系为：
TR
1
TR为膜厚，ω为转速
SVG 90 涂胶台
后烘
•促进关键光刻胶的化学反应，提高光刻胶粘附性
显影
•将光刻胶上可溶解的区域用显影液溶解，形成图形。
坚膜烘焙
• 挥发掉残留的光刻胶溶剂，提高光刻胶对硅片表面的粘附性
显影后检查
• 检查光刻胶图形以确定光刻胶图形的质量
一．成底膜处理（HMDS Coating）
衬底材料对光刻工艺的影响有三个方面：表面清 洁度、表面性质（疏水或亲水）、平面度。
六. 显影（Developing）
显影就是用溶剂去除未曝光部分（负胶）或曝 光部分（正胶）的光刻胶，在硅片上形成所需要光 刻胶图形。
浸没式
批量或单片浸入显影液槽中。 是最初的显影方式。
CASSETTE HANDLER
Bath
Develop in-let
Developer WAFER
WAFER
Developer
真空热板加热平面必须严格水平。 通过前烘，溶剂含量由65%－85%降低到4%到
7%左右。
四. 对准与曝光
对准与曝光是光刻工艺中最关键的工序，它 直接关系到光刻的分辨率，留膜率，线宽控制和 套准精度。
Previous pattern
Alignment mark
简单光学曝光系统示意图
常用光源： 可见光 近紫外（NUV） 紫外光（UV） 深紫外光（DUV） 真空紫外（VUV） 极紫外光（EUV）
365 405 436
i
hg
传统的三种曝光方式
接近式
接触式
投影式
接触式曝光机 ---Canon 501
Canon 600 Scanner
五. 后烘（PEB）
曝光过程中，光刻胶中的PAC分解产生催化 剂，在后烘加热的过程中，催化剂引起正胶的降解 反应或负胶的交联反应，使得曝光部分的光刻胶可 以溶解于显影液（正胶），或不溶于显影液（负 胶）。
掩膜版上用于Stepper对准的套刻标记
掩膜版上的参照标记 反之，则粘度小，胶膜薄。
在光刻版上进行图形修正，来补偿衍射带来的光刻图形变形 光刻胶越浓，它的粘度就越大，在相同的涂胶条件下，所得的胶膜就越厚；
spraying on therotating wafer( hundreds rpm. （3）涂层表面无尘埃，碎屑等颗粒。 光刻胶胶膜必须保持它的粘附性，并在后续的湿刻和干刻中保护衬底表面。 S为感光度，h为比例常数，E为最小曝光量。 所以保证转移到光刻胶膜上的图形尺寸完全符合设计要求，就需要在光刻工艺的各道工序中找出最佳的工艺条件。
表面处理 涂胶 软烘
对准曝光
•通过气相成膜处理，将硅片表面变为亲水性，以增强光刻胶 •和硅片表面的粘附性
• 将光刻胶分滴在硅片表面并旋转，得到在整个硅片表面具有 一定的均匀厚度的光刻胶涂层
• 去除光刻胶中大部分溶剂，提高硅片上光刻胶的粘附性和 均匀性。
• 将掩模版与硅片上图形对准并曝光，将掩模版图形转移到涂 胶的硅片上。
Use IN-LINE SYSTEM. It’s very weak for pattern scum problem.
喷流式
显影液持续的喷洒在硅片表面
PUMP
WAFER
BELT
Developer DI
Developer
This is useful for large size grass process(LCD) Current LCD developing process was modified. This material is recycled : Need to control its ually glass maker use auto normality control system This system is available for over 1.5um design rule devices.
DRAIN CHUCK
WAFER CASSETTE shake up and down to improve develop uniformity and its speed. Usually develop material company use this one. It’s easy to control Develop temperature.
掩膜版制作
CAD设计、模拟、验证后由图形发生器产生数字图形
×1掩膜版 （mask）制作
数字图形
接触式、接近式光刻
×4或×5投影光 刻版（reticle）
投影式光刻
掩模版制作过程
12. Finished
掩膜版缺陷
掩膜版上的缺陷会被复制到光刻胶层中，从而进 一步复制到硅片上。制造好的掩膜版要进行大量 测试来检查缺陷和颗粒。
相移的结果使来自相邻图形的衍射分布尾
部产生相消干涉，而不是相长干涉。这极大 的改善了圆片表面的调制传输函数（MTF）， 因而改善分辨率。
Cr
LENS
E-field +
0
I-field 0
Binary Mask Qz
on wafer on wafer
Light Cr
LENS
+
0
-
0
Alternative PSM
离，返工。
工艺线直击——光刻过程
11.2 掩模版（Photomask）
一种透明的平板，上面有要转印到硅片上光刻胶层的图形。
按照图形的完整度分为两类：
投影掩模版和掩模版
掩膜版的材料
衬底材料：最主要的用于亚微米光刻的投影掩膜 版衬底材料是熔融石英（fused silica）。它在深紫外 光谱部分（248nm和193nm）有着很高的光学透射。 熔融石英相对昂贵，但性能优越。它具有很低的热 膨胀系数。
Use for IN-LINE SYSTEM.Developer is spraying on therotating wafer( hundreds rpm.) Merit : High contrast,Low scum Demerit : Large usage,Bad CD uniformity
从物理概念来看，可认为MTF是实像上光学反差的度量， MTF越高，光学反差越好，图形的分辨率也高。
三. 前烘（Prebake）
前烘是光刻的一道关键工序，其目的是：
将硅片上覆盖的光刻胶溶剂去除，在曝光中 ， 增加催化剂浓度。
增强光刻胶的粘附性以便使显影时光刻胶依然 很好的粘附在硅片上。
缓和在旋转涂胶过程中光刻胶胶膜内产生的应 力。
防止光刻胶沾到设备上。
前烘条件的选取，对光刻胶的溶剂挥发量和光刻 胶的粘附特性，曝光特性，显影特性以及线宽的 精确控制都有较大的影响。
第十一章 光刻
光刻：Photolithography
光刻是一种图象复印的技术，是集成电路 制程中一项关键的工艺技术。在整个工艺流程 中，光刻的步骤占到50％以上，其成本占总制 造成本的1/3以上。
光刻步骤占整 个工艺流程50%
简单的说，光刻就是用照相复印的方法，
将掩膜版上之图形精确地复印到涂在硅片表 面的光致抗蚀剂（Photoresist）（下面统称光 刻胶）上面，然后在光刻胶的保护下对硅片 进行离子注入，刻蚀，薄膜淀积等各种工艺。