SOC材料与工艺2(光刻胶非光学光刻刻湿)精品资料
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通常我们看到的器件版图是一组复合图，这个复合图 实际上是由若干个分层图形叠合而成，这个过程和印刷技 术中的套印技术非常相像。
制版的目的就是产生一套分层的版图掩模，
为将来进行图形转移，即将设计的版图转移到 硅片上去做准备。
制版是通过图形发生器完成图形的缩小和
重复。在设计完成集成电路的版图以后，设计 者得到的是一组标准的制版数据，将这组数据 传送给图形发生器(一种制版设备)，图形发生 器（PG-pattern generator）根据数据，将设 计的版图结果分层的转移到掩模版上(掩模版 为涂有感光材料的优质玻璃板)，这个过程叫
1. Vapor prime
O2
Plasma Strip and clean
Rework
2. Spin coat
3. Soft bake
4. Align and expose
5. Post-exposure bake
Rejected wafers
8. Develop inspect
7. Hard bake
初缩。
人工设计和绘制版图，有利于充分利用芯片面积， 并能满足多种电路性能要求。但是效率低、周期 长、容易出错，特别是不能设计规模很大的电路 版图。因此，该方法多用于随机格式的、产量较 大的MSI和LSI或单元库的建立。
•(DRC-设计规则捡查)
涤沦膜上画图
数字化仪输入
CRT 显示
绘图仪画图
精缩版
初缩版
– 光刻胶受到特定波长光线的作用后，导致其化学结构 发生变化，使光刻胶在某种特定溶液中的溶解特性改 变
• 正胶：分辨率高，在超大规模集成电路工艺中，一般只 采用正胶
• 负胶：分辨率差，适于加工线宽≥3m的线条
正胶：曝光后可溶 负胶：曝光后不可溶
曝光后烘焙
• DUV曝光后烘焙
– 温度均匀性 – 曝光后烘焙 延迟（表层不溶
（8）沾锡：保证管脚的电学接触
（9）老化
（10）成测
（11）打字、包装
划片
金丝 劈
加热
压焊
半导体制造过程
后段（Back End） ---后工序
构装（Packaging）：IC构装依使用材料可分为 陶瓷（ceramic）及塑料（plastic）两种， 而目前商业应用上则以塑料构裝为主。以塑料 构装中打线接合为例，其步骤依序为晶片切割 （die saw）、黏晶（die mount / die bond）、焊线（wire bond）、封膠 （mold）、剪切/成形（trim / form）、 印字（mark）、电镀（plating）及检验 （inspection）等。
Step-and-scan wafer stage
Vacuum chamber
离子束投影
Ion source Ion beam Mask
Reference plate
Electrostatic lens system (4:1 reduction)
Step-and-scan wafer stage
集成电路的加工工艺过程是由若干单项 加工工艺组合而成。下面将分别介绍这些单 项加工工艺。
1．光刻与刻蚀工艺
光刻是加工集成电路微图形结构的关键工艺技术，通 常，光刻次数越多，就意味着工艺越复杂。另—方面，光 刻所能加工的线条越细，意味着工艺线水平越高。光刻工 艺是完成在整个硅片上进行开窗的工作。
光刻技术类似于照片的印相技术，所不同的是，相纸 上有感光材料，而硅片上的感光材料--光刻胶是通过旋涂 技术在工艺中后加工的。光刻掩模相当于照相底片，一定 的波长的光线通过这个“底片”，在光刻胶上形成与掩模 版（光罩）图形相反的感光区，然后进行显影、定影、坚 膜等步骤，在光刻胶膜上有的区域被溶解掉，有的区域保 留下来，形成了版图图形。
PAC PAC
PAC PAC
Standing waves
(a) Exposure to UV light
Unexposed Exposed photoresist photoresist
PAC PAC
PAC PAC
PAC
PAC PAC
PAC
PAC PAC
PAC
PAC
PAC
PAC
PAC
PAC
PAC
(b) Striations in resist
H+ H+
Development
Acid-catalyzed reaction of
exposed resist (post PEB)
Resist T-topping
曝光后烘焙引起驻波减少
PAC
PAC
PAC
PAC
PAC
PAC
PAC
PAC
PAC
PAC
PAC
PAC
PAC
PAC
PAC
PAC
PAC
PAC
PAC
X
Under develop
X
Incomplete develop
Correct develop
X
Severe overdevelop
负胶交联
UV
Exposed resist
Unexposed rsslinks
正胶显影
曝光的胶溶解在显影 液中.
Unexposed positive resist
1. Vapor prime 2. Spin coat（旋转涂层） 3. Soft bake 4. Alignment and exposure（对 齐和曝光） 5. 曝光后烘焙 6. 显影 7. 坚膜 8. 显影后检查
Chapter Covered
13 13 13 14
15 15 15 15
wafer
Vacuum chamber
Redrawn from International SEMATECH's Next Generation Lithography Workshop Brochure
深紫外光（DUV） KrF 准分子激光：248 nm
ArF 准分子激光：193 nm
光
源
极紫外光（EUV），10 ~ 15 nm
X 射线，0.2 ~ 4 nm
电子束
离子束
几种常见的光刻方法
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
PG 图形发生器
DRC 改错
在获得分层的初缩版后，再通过分步重 复技术，在最终的掩模版上产生具有一定行 数和列数的重复图形阵列，这样，在将来制 作的每一个硅圆片(Wafer)上将有若干个集成 电路芯片。通过这样的制版过程，就产生了 若干块的集成电路分层掩模版。通常，一套 掩模版有十儿块分层掩模版。集成电路的加 工过程的复杂程度和制作周期在很大程度上 与掩模版的多少有关。
光源 mask
光源
5×Mask
Lens Chuck Table Wafer
光刻概述
光刻
曝光 刻蚀
光源 曝光方式
评价光刻工艺可用三项主要的标准：分辨率、对准精度 和 生产效率。
光刻工艺流程
涂光刻胶（正）
选择曝光
显影（第 1 次图形转移）
刻蚀（第 2 次图形转移）
g 线：436 nm 紫外光（UV） i 线：365 nm
Ion implant
Passed wafers
Etch
6. Develop
Figure 15.9
先进的光刻工艺 （非光学光刻）
• 下一代光刻
– 极紫外 (EUV) – 角度限制投影电子束光刻SCALPEL – 离子束投影Ion Projection Lithography
(IPL)
– X-Ray
的阻止层）
• I-Line曝光后烘焙
• 目的：减少驻波效应
DUV胶的胺污染引起的 “T-top”
H+ H+ H+
H+ H+
Region of unexposed photoresist
Neutralized photoresist
}
PAG PAG
PAG PAG
PAG PAG
PAG
PAG
H+ H+ H+
管、接触等
a. 扩散 b. 离子注入 c. 退火
3. 制膜：制作各种材料的薄膜
a. 氧化：干氧氧化、湿氧氧化等
b. CVD：APCVD、LPCVD、PECVD
c. PVD：蒸发、溅射
三、后部封装 （在另外厂房）
（1）背面减薄
（2）划片、掰片
（3）粘片
（4）压焊：金丝球焊
（5）切筋
（6）整形
（7）封装
Scrap • 检查光刻工艺的好坏 • 硅片返工
自动显影检查设备
Photograph courtesy of Advanced Micro Devices, Leica Auto Inspection station
Photo 15.1
光刻、显影检查及返工流程
HMDS
Resist
UV light Mask
前部工序的主要工艺 3.8
晶圆处理制程（Wafer Fabrication；简称 Wafer Fab）
1. 图形转换：将设计在掩膜版(类似于照相底片)上的图形转移到半导体单 晶片上
a.光刻（接触光刻、接近光刻、投影光刻、电子束光刻） b.刻蚀技术(湿法刻蚀、干法刻蚀） 2. 掺杂：根据设计的需要，将各种杂质掺杂在需要的位置上，形成晶体
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
接触式
有掩模方式
接近式
非接触式
反射
投影式
全场投影
曝
光
折射 步进投影
方
扫描步进投影
式
矢量扫描
无掩模方式
光栅扫描
（聚焦扫描方式） 混合扫描
三种光刻方式
• 光刻三要素：光刻胶、掩膜版和光刻机
– 光刻胶又叫光致抗蚀剂，它是由光敏化合物、基体树 脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体
测试制程（Initial Test and Final Test）
基本的集成电路加工工艺
在计算机及其VLSI设计系统上设计完成的集成电路版 图还只是一些图像或和数据，在将设计结果送到工艺线上 实验时，还必须经过一个重要的中间环节：制版。所以， 在介绍基本的集成电路加工工艺之前，先简要地介绍集成 电路加工的掩模(Masks)及其制造。
PAC PAC
PAC PAC
PAC
PAC PAC
PAC
PAC PAC
PAC
PAC
PAC
PAC
PAC
PAC
PAC
(c) PEB causes PAC diffusion
(d) Result of PEB
显影
• 负胶 • 正胶 • 显影方法 • 胶显影参数
胶显影出现的各种现象
Resist
Substrate
• 先进的光刻胶工艺
– 发展的方向（正胶、化学放大DUV） – DESIRE 扩散增强甲硅烷基光刻胶工艺
光刻技术的改进
1. 减少光源的波长 2. 提高数值孔径. 3. 化学放大 DUV 胶
4. 分辩率提高技术（相移掩膜和光学邻近修正）
5. 硅片平坦化 (CMP) 减小表面的凹凸度. 6. 光学光刻设备度先进性（步进光刻机或步进扫描光
Crosslinked resist
显影方法
• 连续喷雾显影 • 旋覆浸没显影
旋覆浸没光刻胶显影
浸没式
滴显影液
(a) 旋覆浸没式
(b) 甩掉多余的显影液
(c) DI H2O 清洗
(d) 甩干
胶显影参数
• 显影温度 15~25°C • 显影时间 • 显影液用量 • 当量浓度 • 清洗 • 排风 • 硅片吸盘
光刻 (Photolithography & Etching)过程如下： 1．涂光刻胶 2．掩膜对准 3．曝光 4．显影 5．刻蚀：采用干法刻蚀（Dry Etching） 6．去胶：化学方法及干法去胶
(1)丙酮中，然后用无水乙醇 (2)发烟硝酸 (3)等离子体的干法刻蚀技术
光刻的八个步骤
Step
Redrawn from International SEMATECH's Next Generation Lithography Workshop Brochure
Figure 15.10
SCALPEL示意图
Electron beam
Step-and-scan reticle stage
Electrostatic lens system (4:1 reduction)
坚膜
• 坚膜特点:
– 显影后曝光 – 蒸发显影液中的溶剂 – 使光刻胶变硬 – 增加光刻胶与硅片的粘附性 – 为下一步工艺准备 – 比软烘的温度高，但不能使光刻胶变形
• 用 Deep UV坚膜
高温下变软的光刻胶流动
Photoresist
正胶130°，负胶150°
显影后检查
• 查找缺陷 • 在腐蚀或离子注入前检查 Prevents
刻机
极紫外光刻技术示意图
High power laser
Step-and-scan 4×
reflection reticle
Multilayer coated mirrors
EUV
Plasma
Target material
Vacuum chamber
¼ image of reticle
Step-and-scan wafer stage
制版的目的就是产生一套分层的版图掩模，
为将来进行图形转移，即将设计的版图转移到 硅片上去做准备。
制版是通过图形发生器完成图形的缩小和
重复。在设计完成集成电路的版图以后，设计 者得到的是一组标准的制版数据，将这组数据 传送给图形发生器(一种制版设备)，图形发生 器（PG-pattern generator）根据数据，将设 计的版图结果分层的转移到掩模版上(掩模版 为涂有感光材料的优质玻璃板)，这个过程叫
1. Vapor prime
O2
Plasma Strip and clean
Rework
2. Spin coat
3. Soft bake
4. Align and expose
5. Post-exposure bake
Rejected wafers
8. Develop inspect
7. Hard bake
初缩。
人工设计和绘制版图，有利于充分利用芯片面积， 并能满足多种电路性能要求。但是效率低、周期 长、容易出错，特别是不能设计规模很大的电路 版图。因此，该方法多用于随机格式的、产量较 大的MSI和LSI或单元库的建立。
•(DRC-设计规则捡查)
涤沦膜上画图
数字化仪输入
CRT 显示
绘图仪画图
精缩版
初缩版
– 光刻胶受到特定波长光线的作用后，导致其化学结构 发生变化，使光刻胶在某种特定溶液中的溶解特性改 变
• 正胶：分辨率高，在超大规模集成电路工艺中，一般只 采用正胶
• 负胶：分辨率差，适于加工线宽≥3m的线条
正胶：曝光后可溶 负胶：曝光后不可溶
曝光后烘焙
• DUV曝光后烘焙
– 温度均匀性 – 曝光后烘焙 延迟（表层不溶
（8）沾锡：保证管脚的电学接触
（9）老化
（10）成测
（11）打字、包装
划片
金丝 劈
加热
压焊
半导体制造过程
后段（Back End） ---后工序
构装（Packaging）：IC构装依使用材料可分为 陶瓷（ceramic）及塑料（plastic）两种， 而目前商业应用上则以塑料构裝为主。以塑料 构装中打线接合为例，其步骤依序为晶片切割 （die saw）、黏晶（die mount / die bond）、焊线（wire bond）、封膠 （mold）、剪切/成形（trim / form）、 印字（mark）、电镀（plating）及检验 （inspection）等。
Step-and-scan wafer stage
Vacuum chamber
离子束投影
Ion source Ion beam Mask
Reference plate
Electrostatic lens system (4:1 reduction)
Step-and-scan wafer stage
集成电路的加工工艺过程是由若干单项 加工工艺组合而成。下面将分别介绍这些单 项加工工艺。
1．光刻与刻蚀工艺
光刻是加工集成电路微图形结构的关键工艺技术，通 常，光刻次数越多，就意味着工艺越复杂。另—方面，光 刻所能加工的线条越细，意味着工艺线水平越高。光刻工 艺是完成在整个硅片上进行开窗的工作。
光刻技术类似于照片的印相技术，所不同的是，相纸 上有感光材料，而硅片上的感光材料--光刻胶是通过旋涂 技术在工艺中后加工的。光刻掩模相当于照相底片，一定 的波长的光线通过这个“底片”，在光刻胶上形成与掩模 版（光罩）图形相反的感光区，然后进行显影、定影、坚 膜等步骤，在光刻胶膜上有的区域被溶解掉，有的区域保 留下来，形成了版图图形。
PAC PAC
PAC PAC
Standing waves
(a) Exposure to UV light
Unexposed Exposed photoresist photoresist
PAC PAC
PAC PAC
PAC
PAC PAC
PAC
PAC PAC
PAC
PAC
PAC
PAC
PAC
PAC
PAC
(b) Striations in resist
H+ H+
Development
Acid-catalyzed reaction of
exposed resist (post PEB)
Resist T-topping
曝光后烘焙引起驻波减少
PAC
PAC
PAC
PAC
PAC
PAC
PAC
PAC
PAC
PAC
PAC
PAC
PAC
PAC
PAC
PAC
PAC
PAC
PAC
X
Under develop
X
Incomplete develop
Correct develop
X
Severe overdevelop
负胶交联
UV
Exposed resist
Unexposed rsslinks
正胶显影
曝光的胶溶解在显影 液中.
Unexposed positive resist
1. Vapor prime 2. Spin coat（旋转涂层） 3. Soft bake 4. Alignment and exposure（对 齐和曝光） 5. 曝光后烘焙 6. 显影 7. 坚膜 8. 显影后检查
Chapter Covered
13 13 13 14
15 15 15 15
wafer
Vacuum chamber
Redrawn from International SEMATECH's Next Generation Lithography Workshop Brochure
深紫外光（DUV） KrF 准分子激光：248 nm
ArF 准分子激光：193 nm
光
源
极紫外光（EUV），10 ~ 15 nm
X 射线，0.2 ~ 4 nm
电子束
离子束
几种常见的光刻方法
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
PG 图形发生器
DRC 改错
在获得分层的初缩版后，再通过分步重 复技术，在最终的掩模版上产生具有一定行 数和列数的重复图形阵列，这样，在将来制 作的每一个硅圆片(Wafer)上将有若干个集成 电路芯片。通过这样的制版过程，就产生了 若干块的集成电路分层掩模版。通常，一套 掩模版有十儿块分层掩模版。集成电路的加 工过程的复杂程度和制作周期在很大程度上 与掩模版的多少有关。
光源 mask
光源
5×Mask
Lens Chuck Table Wafer
光刻概述
光刻
曝光 刻蚀
光源 曝光方式
评价光刻工艺可用三项主要的标准：分辨率、对准精度 和 生产效率。
光刻工艺流程
涂光刻胶（正）
选择曝光
显影（第 1 次图形转移）
刻蚀（第 2 次图形转移）
g 线：436 nm 紫外光（UV） i 线：365 nm
Ion implant
Passed wafers
Etch
6. Develop
Figure 15.9
先进的光刻工艺 （非光学光刻）
• 下一代光刻
– 极紫外 (EUV) – 角度限制投影电子束光刻SCALPEL – 离子束投影Ion Projection Lithography
(IPL)
– X-Ray
的阻止层）
• I-Line曝光后烘焙
• 目的：减少驻波效应
DUV胶的胺污染引起的 “T-top”
H+ H+ H+
H+ H+
Region of unexposed photoresist
Neutralized photoresist
}
PAG PAG
PAG PAG
PAG PAG
PAG
PAG
H+ H+ H+
管、接触等
a. 扩散 b. 离子注入 c. 退火
3. 制膜：制作各种材料的薄膜
a. 氧化：干氧氧化、湿氧氧化等
b. CVD：APCVD、LPCVD、PECVD
c. PVD：蒸发、溅射
三、后部封装 （在另外厂房）
（1）背面减薄
（2）划片、掰片
（3）粘片
（4）压焊：金丝球焊
（5）切筋
（6）整形
（7）封装
Scrap • 检查光刻工艺的好坏 • 硅片返工
自动显影检查设备
Photograph courtesy of Advanced Micro Devices, Leica Auto Inspection station
Photo 15.1
光刻、显影检查及返工流程
HMDS
Resist
UV light Mask
前部工序的主要工艺 3.8
晶圆处理制程（Wafer Fabrication；简称 Wafer Fab）
1. 图形转换：将设计在掩膜版(类似于照相底片)上的图形转移到半导体单 晶片上
a.光刻（接触光刻、接近光刻、投影光刻、电子束光刻） b.刻蚀技术(湿法刻蚀、干法刻蚀） 2. 掺杂：根据设计的需要，将各种杂质掺杂在需要的位置上，形成晶体
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
接触式
有掩模方式
接近式
非接触式
反射
投影式
全场投影
曝
光
折射 步进投影
方
扫描步进投影
式
矢量扫描
无掩模方式
光栅扫描
（聚焦扫描方式） 混合扫描
三种光刻方式
• 光刻三要素：光刻胶、掩膜版和光刻机
– 光刻胶又叫光致抗蚀剂，它是由光敏化合物、基体树 脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体
测试制程（Initial Test and Final Test）
基本的集成电路加工工艺
在计算机及其VLSI设计系统上设计完成的集成电路版 图还只是一些图像或和数据，在将设计结果送到工艺线上 实验时，还必须经过一个重要的中间环节：制版。所以， 在介绍基本的集成电路加工工艺之前，先简要地介绍集成 电路加工的掩模(Masks)及其制造。
PAC PAC
PAC PAC
PAC
PAC PAC
PAC
PAC PAC
PAC
PAC
PAC
PAC
PAC
PAC
PAC
(c) PEB causes PAC diffusion
(d) Result of PEB
显影
• 负胶 • 正胶 • 显影方法 • 胶显影参数
胶显影出现的各种现象
Resist
Substrate
• 先进的光刻胶工艺
– 发展的方向（正胶、化学放大DUV） – DESIRE 扩散增强甲硅烷基光刻胶工艺
光刻技术的改进
1. 减少光源的波长 2. 提高数值孔径. 3. 化学放大 DUV 胶
4. 分辩率提高技术（相移掩膜和光学邻近修正）
5. 硅片平坦化 (CMP) 减小表面的凹凸度. 6. 光学光刻设备度先进性（步进光刻机或步进扫描光
Crosslinked resist
显影方法
• 连续喷雾显影 • 旋覆浸没显影
旋覆浸没光刻胶显影
浸没式
滴显影液
(a) 旋覆浸没式
(b) 甩掉多余的显影液
(c) DI H2O 清洗
(d) 甩干
胶显影参数
• 显影温度 15~25°C • 显影时间 • 显影液用量 • 当量浓度 • 清洗 • 排风 • 硅片吸盘
光刻 (Photolithography & Etching)过程如下： 1．涂光刻胶 2．掩膜对准 3．曝光 4．显影 5．刻蚀：采用干法刻蚀（Dry Etching） 6．去胶：化学方法及干法去胶
(1)丙酮中，然后用无水乙醇 (2)发烟硝酸 (3)等离子体的干法刻蚀技术
光刻的八个步骤
Step
Redrawn from International SEMATECH's Next Generation Lithography Workshop Brochure
Figure 15.10
SCALPEL示意图
Electron beam
Step-and-scan reticle stage
Electrostatic lens system (4:1 reduction)
坚膜
• 坚膜特点:
– 显影后曝光 – 蒸发显影液中的溶剂 – 使光刻胶变硬 – 增加光刻胶与硅片的粘附性 – 为下一步工艺准备 – 比软烘的温度高，但不能使光刻胶变形
• 用 Deep UV坚膜
高温下变软的光刻胶流动
Photoresist
正胶130°，负胶150°
显影后检查
• 查找缺陷 • 在腐蚀或离子注入前检查 Prevents
刻机
极紫外光刻技术示意图
High power laser
Step-and-scan 4×
reflection reticle
Multilayer coated mirrors
EUV
Plasma
Target material
Vacuum chamber
¼ image of reticle
Step-and-scan wafer stage