第二章-1(光学光刻技术)
光刻技术历史与发展
光刻技术历史与发展
光刻工艺是集成电路最重要的加工工艺，他起到的作用如题金工车间中车床的作用，光刻机如同金属加工工车间的车床。在整个芯片制造工艺中，几乎每个工艺的实施，都离不开光刻的技束。光刻也是制造IC的最关键技术，他占芯片制造成本的35%以上。在如今的科技与社会发展中，光刻已经每年以百分之三十五的速度增长，他的增长，直接关系到大型计算机的运作等高科技领域，现在大型计算机的每个芯片上可以大约有10亿个零件。这就需要很高的光刻技术。如今各个大国都在积极的发展光科技束。光刻技术与我们的生活息息相关，我们用的手机，电脑等各种各样的电子产品，里面的芯片制作离不开光科技束。
在我们的日常生活中，也需要用到光刻技术制造的各种各样的芯片，最普通的就是我们手里的手机和电脑。如今是一个信息社会，在这个社会中各种各样的信息流在世界流动。而光刻技术是保证制造承载信息的载体。在社会上拥有不可替代的作用。
本论文的作用是向大家普及光刻的发展历史和光刻的发展方向，以及光刻的种类，每种光刻种类的优点和缺点。并且向大家讲述光刻的发展前景。在光刻这一方面，我国的专利意识稀薄，很多技术都没有专利，希望我辈能改变这个状况
Lithography process is the most important processing technology of integrated circuit, he play a role Such as the role of the lathe in machining shop, lithography as metalworking shop lathe. In the whole chip manufacturing technology, implementation of almost every process is inseparable from the lithography technology of beam. Lithography is the key technology of manufacturing IC, he war more than 35% of the chip manufacturing cost. In today's science and technology and social development, lithography has been growing at thirty-five percent a year, his growth, is directly related to the operation of large computer and other high-tech areas, large computer per chip can now has about 1 billion parts. This will require a very high lithography. Now the big countries are actively the development of light beam technology.Lithography is closely related to our life, we use the phone, all kinds of electronic products such as computer, the inside of the chip production
简述光刻技术
简述光刻技术
光刻技术是一种半导体加工技术，它被广泛应用于集成电路制造、平板显示器制造、MEMS（微机电系统）制造以及其他微纳米器件的制造中。通过光刻技术，可以将图案投影到半导体材料表面上，然后使用化学刻蚀等工艺将图案转移到半导体材料上，从而制作出微小而精密的结构。光刻技术的发展对现代电子工业的发展起到了关键作用，其不断提升的分辨率和精度，为微电子领域的发展提供了强大的支持。
光刻技术的基本原理是利用光学投影系统将图案投射到半导体材料的表面上。该图案通常由一个硅片上的光刻透镜形成，这个硅片被称为掩膜，通过掩膜和投影光源的组合来形成所需的图案。投影光源照射到掩模上的图案，然后通过光学投影系统将图案投影到待加工的半导体材料表面上，形成微小的结构。
在现代的光刻技术中，使用的光源通常是紫外线光源，其波长为193nm或者更短的EUV（极紫外光）光源。这样的光源具有较短的波长，可以实现更高的分辨率，从而可以制作出更小尺寸的微结构。光刻机的光学镜头和控制系统也在不断地提升，以满足对分辨率和精度的需求。
光刻技术在半导体制造中的应用主要包括两个方面，一是用于制作集成电路中的各种微小结构，例如晶体管的栅极、金属线路、电容等；二是用于制作各种传感器、MEMS等微纳米器件。在集成电路制造中，光刻技术通常是在硅片上进行的，硅片经过多道工艺，将图案逐渐转移到硅片上，并最终形成完整的芯片。在平板显示器制造中，光刻技术则是用于制作液晶显示器的像素结构；而在MEMS器件的制造中，光刻技术则是用于制作微机械结构和微流体结构。
光学光刻
缺点：掩模版与晶片易损伤，成品率低
接近式 优点：掩模版寿命长，成本低 缺点：衍射效应严重，影响分辨率 全反射 优点：无像差，无驻波效应影响 缺点：数值孔径小，分辨率低 优点：数值孔径大，分辨率高， 对硅片平整度要求低， 掩模制造方便 缺点：曝光效率低，设备昂贵
非 接 触 式 投影式
折射
焦深之间的矛盾，可以采用分步重复的方式。最后介绍了通过
改进掩模制作提高分辨率的方法，即相移掩模技术和光学邻近 效应修正技术。 随着光刻技术的不断发展，光学曝光的分辨率已进入亚波 长范围。现在利用 193 nm 光源及 OPC 技术，已获得 0.13 m 的线宽，预期可达到 0.10 m ，甚至达到 0.07 m 。
越短，则 MTF 越大。
图形的分辩率还要受光刻胶对光强的响应特性的影响。
D100 D0
Dcr
对于理想的光刻胶，当光强不到临界光强 Dcr 时完全不发 生反应，当光强超过 Dcr 时完全反应，衍射只造成线宽和间距
的少量变化。 但在实际光刻胶中，当光强不到 D0ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ时不发生反
应，当光强介于 D0 和 D100 之间时发生部分反应，当光强超过 D100 时才完全反应，使线条边缘出现模糊区。在通常的光刻胶 中，当 MTF < 0.5 时，图形不再能被复制。
最小可分辨的线宽为
Wmin k g g
基于SOCS的光学光刻系统仿真算法的研究[电路与系统专业优秀论文]
![基于SOCS的光学光刻系统仿真算法的研究[电路与系统专业优秀论文]](https://img.taocdn.com/s3/m/5c337aaf64ce0508763231126edb6f1aff007133.png)
浙江大掌硕士掌位论文第＝幸秦成电路光刻工艺第二章集成电路光刻工艺
２．１集成电路制造工艺
基本的集成电路制造过程的起点是高纯度的单晶硅的提炼以及硅片的抛光、清洗等光刻前处理，接着是以不同的导电或绝缘材料（如金属、多晶硅、二氧化硅等）在硅圆片上沉积生成新的材料层以及在该材料层上涂上对光敏感的光刻胶薄层；然后掩模母版上刻有的电路精密图像被投影到硅片的光刻胶薄层表面；最后经过显影和蚀刻，感光部分的材料被清除。当然，在实际的生产过程中，还包括其他辅助材料的制备和辅助过程的处理。重复大约二三十次氧化（ｏｘｉｄａｔｉｏｎ）、光刻（Ｐｈｏｔｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）、掺杂（ＤｏｐｉⅡｇ）等工艺过程，在硅圆片表面上就形成了以几千万个晶体管为基本构造单元、多层不同材料复杂连接的可以实现强大的运算处理功能的网络。精密复杂的芯片制造过程保证了集成电路芯片的高性能与高成品率。而简单来说，集成电路的制造就是一个通过光刻技术把电路版图从光学掩模版图上转移到硅片表面的过程。
Ｓｕ蝻妇ｌｅＰ－
图２—１典型集成电路剖面结构示意图（部分）
现代集成电路制造过程一般包含２００多道具体工序，这些步骤大致上可以归为三大类：
夺图形转移技术：包括光刻（“ｔ１１０９ｒａｐｈｙ）和蚀刻（Ｅｔｃｈｉｎｇ）等步骤。
夺层形成技术：包括氧化（Ｏｘｉｄａｔｉｏｎｇ）、沉积（Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）和金属化（Ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）等。
浙江大学碛士掌位沧文第＝章嘉成电路光客９工艺
夺层修改技术：包括离子注入（Ｉｏｎｌｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ）和扩散（Ｄｉ肺ｓｉｏｎ）等。
光刻机分辨率
第一章引言
1.1光刻背景：
受功能增加和成本降低的要求所推动，包括微处理器、NAND闪存与DRAM等高密度存储器以及SoC（片上系统）和ASSP（特殊应用标准产品）在内的集成电路不断以快速的步伐微缩化。光刻则使具有成本优势的器件尺寸微缩成为可能。
目前，集成电路已经从60年代的每个芯片上仅几十个器件发展到现在的每个芯片上可含约10亿个器件，其增长过程遵从一个我们所熟知的摩尔定律，即集成度每3年提高4倍。这一增长速度不仅导致了半导体市场在过去30年中以平均每年约15%的速度增长，而且对现代经济、国防和社会也产生了巨大的影响。集成电路之所以能飞速发展，光刻技术的支持起到了极为关键的作用。因为它直接决定了单个器件的物理尺寸。每个新一代集成电路的出现总是以光刻所获得的线宽为主要技术标志。光刻技术的不断发展从三个方面为集成电路技术的进步提供了保证：其一是大面积均匀曝光，在同一块硅片上同时作出大量器件和芯片，保证了批量化的生产水平；其二是图形线宽不断缩小，使用权集成度不断提高，生产成本持续下降；其三，由于线宽的缩小，器件的运行速度越来越快，使用权集成电路的性能不断提高。随着集成度的提高，光刻技术所面临的困难也越来越多。
图1-1
1.2集成电路微缩化趋势及其对光刻的要求
由于器件单元不同，存储器与逻辑IC芯片的关键曝光层（critical layer）有着迥然不同的特征和光刻容差，这便对给定的光刻系统提出了不同的性能要求和实用限制。图1给出了几种不同器件的图形特征和对光刻的启示。
图1-2
第二章．当前光刻技术的主要研究领域及进展
光刻技术设计课件
3.1 概述
❖ 光刻(photolithography)是在光的作用下， 使图像从母版向另一种介质转移的过程。母 版就是光刻版，是一种由透光区和不透光区 组成的玻璃版。
❖ 即将掩模版（光刻版）上的几何图形转移到 覆盖在半导体衬底表面的对光辐照敏感薄膜 材料（光刻胶）上去的工艺过程 。
K1: 比例系数
R
k1
NA
：曝光光源的波长
NA：曝光镜头的数值孔径
k1=0.6~0.8 NA=0.16~0.8
提高分辨率： NA，，k1
8
3.1.1 分辨率
1、利用光源缩小
光源 波长(nm) 术语
技术节点
汞灯
436
g线
>0.5mm
汞灯
365
i线
0.5/0.35mm
KrF(激光)
248
DUV
0.25/0.13mm
没有缺陷的光刻胶薄膜。
在涂胶之前，硅片一般需要经过脱水烘焙并且涂上用来增加光刻胶 与硅片表面附着能力的化合物。
脱水烘焙
以光刻胶在SiO2表面的附着情况为例，由于SiO2的表面是 亲水性的，而光刻胶是疏水性的，SiO2表面可以从空气中 吸附水分子，含水的SiO2会使光刻胶的附着能力降低。因 此在涂胶之前需要预先对硅片进行脱水处理，称为脱水 烘焙。
光刻技术原理资料
c、投影式曝光（Projection Printing）。在掩膜板与光刻胶之间使用透 镜聚集光实现曝光。一般掩膜板的尺寸会以需要转移图形的4倍制作。 优点：提高了分辨率；掩膜板的制作更加容易；掩膜板上的缺陷影响减 小。 投影式曝光分类： 扫描投影曝光（Scanning Project Printing）。70年代末～80年代 初，〉1μm工艺；掩膜板1：1，全尺寸； 步进重复投影曝光（Stepping-repeating Project Printing或称作 Stepper）。80年代末～90年代，0.35μm（I line）～0.25μm（DUV）。 掩膜板缩小比例（4：1），曝光区域（Exposure Field）22×22mm （一次曝光所能覆盖的区域）。增加了棱镜系统的制作难度。 扫描步进投影曝光（Scanning-Stepping Project Printing）。90年 代末～至今，用于≤0.18μm工艺。采用6英寸的掩膜板按照4：1的比例 曝光，曝光区域（Exposure Field）26×33mm。优点：增大了每次曝 光的视场；提供硅片表面不平整的补偿；提高整个硅片的尺寸均匀性。 但是，同时因为需要反向运动，增加了机械系统的精度要求。 在曝光过程中，需要对不同的参数和可能缺陷进行跟踪和控制，会用到 检测控制芯片/控片（Monitor Chip）。根据不同的检测控制对象，可以 分为以下几种：a、颗粒控片（Particle MC）：用于芯片上微小颗粒的 监控，使用前其颗粒数应小于10颗；b、卡盘颗粒控片
光刻技术
光刻技术在PVDF压电薄膜电极制作中的应用
PVDF压电薄膜被广泛的应用于超声领域。本例中 选择了厚度为9微米的PVDF压电薄膜作为超声敏感 元件。 传统方法制作电极的缺陷：
1：PVDF压电薄膜两侧的电极层的尺寸大小和形状 与薄膜不匹配。
2：未经过处理的压电薄膜在电极两侧加上电压时， 会产生放电现象。
光刻技术在PVDF压电薄膜电极制作中的应用 第一步:设计要制作的电极的形状与尺寸
光刻技术在PVDF压电薄膜电极制作中的应用
第二步：对PVDF压电薄膜进行清洗处理。采用有机溶剂丙 酮。 第三步：涂胶。选用正性光刻胶，采用手工操作涂到需要 保护的电极层上。 第四步：前烘与曝光。 第五步：腐蚀。采用湿法刻蚀方法。选取碘和碘化钾的水 溶液（质量比为1:4:40）作为金的腐蚀溶剂，体积分数为 40%的氢氟酸作为铬层的腐蚀溶剂。 第六步：去胶。需要将起保护作用的正性胶去掉，采用乙 醇做去胶溶剂。
竖模
坚膜也是一个热处理 步骤。坚膜的目的就 是使残留的光刻胶溶 剂全部挥发，提高光 刻胶与衬底之间的粘 附性以及光刻胶的抗 腐蚀能力。
刻蚀
刻蚀就是将涂 胶前所沉积的薄膜 中没有被光刻胶覆 盖和保护的那部分 去除掉，达到将光 刻胶上的图形转移 到其下层材料上的 目的。
刻蚀
光学光刻技术
光刻技术的原理
集成电路制造中利用光学-化学反应原理和化学、物理刻蚀方法，将电路图形传递到单晶表面或介质层上，形成有效图形窗口或功能图形的工艺技术。随着半导体技术的发展，光刻技术传递图形的尺寸限度缩小了2～3个数量级（从毫米级到亚微米级），已从常规光学技术发展到应用电子束、X射线、微离子束、激光等新技术；使用波长已从4000埃扩展到0.1埃数量级范围。光刻技术成为一种精密的微细加工技术。
光刻技术是在一片平整的硅片上构建半导体MOS管和电路的基础，这其中包含有很多步骤与流程。首先要在硅片上涂上一层耐腐蚀的光刻胶，随后让强光通过一块刻有电路图案的镂空掩模板（MASK）照射在硅片上。被照射到的部分(如源区和漏区)光刻胶会发生变质，而构筑栅区的地方不会被照射到，所以光刻胶会仍旧粘连在上面。接下来就是用腐蚀性液体清洗硅片，变质的光刻胶被除去，露出下面的硅片，而栅区在光刻胶的保护下不会受到影响。随后就是粒子沉积、掩膜、刻线等操作，直到最后形成成品晶片（WAFER）。
光刻技术是集成电路制造中利用光学-化学反应原理和化学、物理刻蚀方法，将电路图形传递到单晶表面或介质层上，形成有效图形窗口或功能图形的工艺技术。
随着半导体技术的发展，光刻技术传递图形的尺寸限度缩小了2～3个数量级（从毫米级到亚微米级），已从常规光学技术发展到应用电子束、X射线、微离子束、激光等新技术；使用波长已从4000
埃扩展到0.1埃数量级范围。光刻技术成为一种精密的微细加工技术。
光刻技术的原理和应用
光刻技术的原理和应用
1. 光刻技术简介
光刻技术是一种半导体制造工艺中的核心技术，它通过使用光刻胶和强光源对
半导体材料进行曝光和显影，从而形成精细的图案。光刻技术广泛应用于集成电路、光学器件、光纤通信等领域，并在现代科技的高速发展中扮演着重要的角色。
2. 光刻技术的原理
光刻技术的基本原理是利用紫外线或电子束照射光刻胶，通过光学或电子学的
方式将图形投射到硅片表面上。具体原理如下： - 掩膜制备：首先，根据设计要求，通过计算机辅助设计软件制作掩膜。掩膜上的图形和模式将决定最终形成的芯片或器件的结构和功能。掩膜制备完成后，可以进行下一步的光刻工艺。 - 光刻胶涂布：将光刻胶均匀涂布在硅片表面，待其干燥后，形成一层均匀的薄膜。 - 曝光：将掩
膜放置在光刻机上，并通过强光源（紫外线或电子束）照射胶层，使胶层中被照射到的部分发生化学反应。 - 显影：将曝光后的光刻胶进行显影处理。显影液会溶解
胶层中未曝光或曝光光强较弱的部分，从而形成所需的图案结构。 - 刻蚀：使用化
学腐蚀剂将显影后的光刻胶图案转移到硅片表面。硅片经过刻蚀后，就可以进行后续的工艺步骤，如沉积材料、蚀刻、退火等。
3. 光刻技术的应用
光刻技术作为半导体制造工艺的重要步骤，广泛应用于以下领域：
3.1 集成电路制造
•制造微电子芯片：光刻技术在集成电路制造中扮演着重要的角色。
它可以将复杂的电路图案转移到硅片上，制造出微米级别的微电子芯片。光刻技术的精细度和稳定性对于芯片的性能和可靠性有着重要影响。
•多层薄膜的制备：光刻技术还可以用于制备多层薄膜。通过在每一层上使用不同的掩膜和曝光显影工艺，可以制备出具有特定功能的多层薄膜结构。这种技术在微电子器件和光学器件制造中得到广泛应用。
光刻的基本原理
光刻的基本原理
1. 光刻技术概述
光刻（photolithography）是一种在微电子制造工艺中广泛应用的技术，用于将电路图案转移至硅片上。它是一种光影刻蚀技术，通过使用特殊的光刻胶和掩膜来实现。
2. 光刻的基本步骤
光刻的基本步骤包括掩膜制备、光刻胶涂布、曝光、显影和刻蚀等步骤。
2.1 掩膜制备
掩膜是光刻中的一种重要工具，它由透明光刻胶和不透明掩膜板组成。掩膜板的图案决定了最终在硅片上形成的电路。
2.2 光刻胶涂布
在光刻过程中，需要将光刻胶均匀涂布在硅片上。涂布需要控制好厚度，并保持均匀性。
2.3 曝光
曝光是将掩膜上的图案转移到光刻胶层的过程。曝光时，光源会将光刻胶层中的敏化剂激活，使其变得可显影。
2.4 显影
显影是将曝光后的光刻胶层中未被曝光的部分去除，从而显现出所需图案的过程。显影液会溶解未暴露于光的区域，使其变为可刻蚀的区域。
2.5 刻蚀
刻蚀是将显影后的光刻胶层外的材料去除的过程。通过刻蚀，可以形成所需的电路图案。
3. 光刻的基本原理
光刻的基本原理可以分为光学透射原理和化学反应原理两个方面。
3.1 光学透射原理
光学透射原理是光刻的基础，也是光刻胶和掩膜的关键。光刻胶对于不同波长的光有不同的吸收特性，而掩膜上的图案会通过光刻胶的吸收和透射来形成图案。当掩膜上的图案被光照射时，光刻胶中的敏化剂会被激活，从而改变光刻胶的溶解性质。
3.2 化学反应原理
化学反应原理是光刻胶显影和刻蚀的基础。在显影过程中，显影液与光刻胶表面的未暴露区域发生化学反应，使其溶解。而在刻蚀过程中，刻蚀液与未被光刻胶保护的硅片表面或者下一层材料发生化学反应，使其被去除。
光刻技术简介
第三步： 涂胶。选用正性光刻胶，采用手工操作 涂到需要保护的电极层上。
第三步： 前烘与曝光。
第四步： 腐蚀。采用湿法刻蚀方法。选取碘和碘化 钾的水溶液（质量比为1:4:40）作为金的 腐蚀溶剂，体积分数为40%的氢氟酸作为 铬层的腐蚀溶剂。
第五步：去胶。需要将起保护作用的正性胶去掉， 采用乙醇做去胶溶剂。
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光刻技术在PVDF压电薄膜电极制作中的应 用
制备好的电极：
与设计图样一致
设计图样
制备的电极
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表一是用万用表测试保 留的电极层及被腐蚀处 的导电性。
表二的数据是对压电薄 膜的压电常数的测量。
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传统方法制作电极的缺陷：
1：PVDF压电薄膜两侧的电极层的尺寸大小和 形状与薄膜不匹配。 2：未经过处理的压电薄膜在电极两侧加上电 压时，会产生放电现象。
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光刻技术在PVDF压电薄膜电极制作中的应 用
第一步： 设计要制作的电极的形状与尺寸
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光刻技术在PVDF压电薄膜电极制作中的应 用
刻胶上。显影液的选择原
则是：对需要去除的那部
分光刻胶膜溶解的快，溶
解度大；对需要保留的那
光刻技术-X射线技术
光刻技术-X射线技术
一、X射线光刻技术
1895年，德国物理学家伦琴首先发现了X射线，也因此获得了诺贝尔物理学奖。X射线是一种与其他粒子一样具有波粒二象性的电磁波，可以是重原子能级跃迁或着是加速电子与电磁场耦合辐射的产物。X射线的波长极短，1972年X射线被最早提出用于光刻技术上，X 射线在用于光刻时的波长通常在0.7到0.12nm之间，它极强的穿透性决定了它在厚材料上也能定义出高分辨率的图形。
二、X射线光刻基础工艺
X射线波长极短，使得其不会发生严重的衍射现象。我们在使用X射线进行曝光时对波长的选择是受到一定因素限制的，在曝光过程中，光刻胶会吸收X射线光子，而产生射程随X射线波长变化而相继改变的光电子，这些光电子会降低光刻分辨率，X射线的波长越短，光电子的射程越远，对光刻越不利。因此增加X射线的波长有助于提高光刻分辨率。然而长波长的X射线会加宽图形的线宽，考虑多种因素的影响，通常只能折中选择X 射线的波长。
今年来的研究发现，当图形的线宽小到一定程度时（一般为0.01μm以下），被波导效应影响，最终得到的图形线宽要小于实际掩模图形，因此X光刻分辨率也受到掩模版与晶圆间距大小的影响。
除此之外，还需要大量的实验研究来解决X射线光刻图形微细加工时对图形质量造成影响的诸多因素。
三、射线光刻掩模
在后光学光刻的技术中，其最主要且最困难的技术就是掩模制造技术，其中1：1的光刻非常困难，是妨碍技术发展的难题之一。所以说，我们认为掩模开发是对于其应用于工业发展的重要环节，也是决定成败的关键。在过去的发展中，科学家对其已经得到了巨大的发展，也有一些新型材料的发现以及应用，有一些已经在实验
光学光刻技术
光学光刻技术
一、光学光刻
光学光刻是通过广德照射用投影方法将掩模上的大规模集成电路器件的结构图形画在涂有光刻胶的硅片上，通过光的照射，光刻胶的成分发生化学反应，从而生成电路图。限制成品所能获得的最小尺寸与光刻系统能获得的分辨率直接相关，而减小照射光源的波长是提高分辨率的最有效途径。因为这个原因，开发新型短波长光源光刻机一直是各个国家的研究热点。
除此之外，根据光的干涉特性，利用各种波前技术优化工艺参数也是提高分辨率的重要手段。这些技术是运用电磁理论结合光刻实际对曝光成像进行深入的分析所取得的突破。其中有移相掩膜、离轴照明技术、邻近效应校正等。运用这些技术，可在目前的技术水平上获得更高分辨率的光刻图形。
20世纪70—80年代，光刻设备主要采用普通光源和汞灯作为曝光光源，其特征尺寸在微米级以上。90年代以来，为了适应IC集成度逐步提高的要求，相继出现了g谱线、h谱线、I谱线光源以及KrF、ArF等准分子激光光源。目前光学光刻技术的发展方向主要表现为缩短曝光光源波长、提高数值孔径和改进曝光方式。
二、移相掩模
光刻分辨率取决于照明系统的部分相干性、掩模图形空间频率和衬比及成象系统的数值孔径等。相移掩模技术的应用有可能用传统的光刻技术和i线光刻机在最佳照明下刻划出尺寸为传统方法之半的图形，而且具有更大的焦深和曝光量范围。相移掩模方法有可能克服线/间隔图形传统光刻方法的局限性。
随着移相掩模技术的发展,涌现出众多的种类,大体上可分为交替式移相掩膜技术、衰减式移相掩模技术；边缘增强型相移掩模,包括亚分辨率相移掩模和自对准相移掩模；无铬全透明移相掩模及复合移相方式
第二章-光学曝光技术PPT课件
光学曝光的工艺过程 光学曝光的方式和原理 光刻胶的特性 光学掩膜的设计与制造 短波长曝光技术 大数值孔径与浸没式曝光技术 光学曝光分辨率增强技术 光学曝光的计算机模拟技术 其它光学曝光技术 厚胶曝光技术 LIGA技术
东南大学 · 南京
MEMS
教育部重点实验室
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光刻工艺模拟技术简介
① 部分相干光成像理论——对于大数值孔径的光学曝光系统，需考 虑光波的矢 量效应，通过求解三维完全电磁方程的方法来计算曝。有些软件以标量衍射理 论计算投影式曝光的光强分布。
② 以Dill方程计算光刻胶的曝光过程，以Dill模型或Mack模型来计算光刻胶的显影 过程。
光
刻
过
程
及
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微复制工艺
• 由于同步辐射X光深层光刻代价较高 ，无法进行大批量生产，所以LIGA技术 的产业化只有通过微复制技术来实现。
• 方式：注塑成型和模压成型 • 注塑成型适用于塑料产品的批量生产 • 模压成型适用于金属产品的批量生产
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微复制
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深X-射线光刻的光刻胶性质
性质 PMMA POM PAS PMI PLG
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2. M2LIGA技术
为了控制微结构的侧壁倾斜度，便于形成具有不 同倾斜度的斜面、锯齿、圆锥或圆台等微结构,日 本科研人员在 1999年提了M2LIGA技术。该技术 用移动掩模X光深度光刻代替了常规的静止掩模X 光深度光刻。 在光刻时X光掩模不是固定不动,而 是沿着与光刻胶基片平行的方向移动或转动。
光刻技术的原理与发展
光刻技术的原理与发展
光刻技术的基本原理
光刻技术是半导体制造中的一项关键技术，它用于在硅片上形成微小的设备结构。这项技术主要包括所谓的「光刻」过程，这是一个将图形（如晶体管和连线）准确传输到硅片上的过程。光刻技术包括核心步骤：涂覆光阻、软烘干、对准和曝光、显影、硬烘干以及刻蚀等。其中，光阻是一种光敏材料，能够在光的照射下发生化学变化。根据这种光敏反应，我们可以用光刻技术在硅片上形成微小结构。这种技术将电路图案转移到半导体晶体管的过程中起着关键的角色。
它的操作原理涵盖了若干个步骤。首先是准备工作，要将硅片清洗干净，并且在硅片上旋涂一层光敏胶。然后就是光刻机中的照射过程了。光刻机的主要部分是一个强大的紫外线光源、一个细微的图案罩板（也叫做掩模或者光罩）和一组精密的透镜。首先，光源发出紫外光照射到光罩上。光罩上有我们需要的电路图案，被阻挡的地方光无法通过，可以通过的则将光线投向下一步的透镜组。透镜组将会把这些光线聚集起来，并精确地投影至先前涂上光敏胶的硅片上。紫外光照射后，光敏胶会发生化学变化。这些化学变化取决于光敏胶的类型，主要分为两种类型：正性光敏胶和负性光敏胶。对于正性光敏胶，紫外光照射的部分会变得更薄，更容易溶解；而对于负性光敏胶，紫外光照射的部分会变得更厚且更难溶解。此后，利用适当的溶剂，也就是显影液，将容易溶解的部分显影出来，再进行冲洗和干燥操作。
准备工作：首先清洗硅片，以去除其表面的灰尘和污渍；然后将硅片放入烘箱中，通过升高温度来移除残留的水分；最后，在硅片表面涂上一层光敏胶。这层光敏胶的厚度（一般为数微米至数百微米）将影响接下来的刻蚀深度和图案的细度。涂胶的过程通过旋涂机进行，通常选择的转速为1000-5000转/分钟。
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Photolithgraphy Light Sources
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Theoretical resolution (曝光精度)
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Contact Printing (接触式曝光)
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Proximity Printing (接近式曝光)
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Light Diffraction Without Lens
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Exposure Modes (曝光模式 曝光模式)
1,Contact Mode 2, Proximity Mode
Simple equitment Direct contact, pollute,particle Resolution: submicron 16
Complicate system No direct contact, long life Resolution: >3 µm
Resolution: 0.5~1 mm
3
Historical note:lithography developing
130 years later, in 1961, photo-etching process been used to produce a large number of transistor on a thin slice of Si wafer.
6
光刻胶/光阻 光刻胶 光阻 (Photoresist)
光诱导化学反应
7
光刻胶的涂覆
T= ( KCβη γ ) /W1/2
Where K=overall calibration C=polymer concentration in g/100mL solution η=intrinsic viscosity W=rotations per minute (rpm)
DOF =
λ
2( NA)
2
λ =365nm NA=0.4 DOF =2.3µm 37
Exercise 2,
DOF =
λ
2( NA)
2
38
Planarization (表面平整化 表面平整化) 表面平整化
Liquid films: Spin-on glass, resist Solid films: CVD deposition dioxide Chemical-mechanical polishing (CMP) [oxide, polysilicon, metal]
28
Light Diffraction With Lens
29
Projection Printing (投影式曝光)
k1: experimentally determined parameter λ: wavelength of the light NA: numerical aperture of the lens system 30
• • • • • • •
Mask (掩模版 掩模版) 掩模版 Photoresist (光刻胶 光刻胶) 光刻胶 Spinning resist and soft baking (涂胶 前烘 涂胶/前烘 涂胶 前烘) Exposure and post-exposure treatment(曝光 曝光) 曝光 Development (显影 显影) 显影 De-scumming and post-baking（去胶） （去胶） Inspections （检测） 检测）
45
PEB Minimizes Standing Wave Effect
46
Alignment (套刻对准 套刻对准) 套刻对准
套准精度： 套准精度：对准系统把版图套准到硅 片上图形的能力。 片上图形的能力。 套准容差： 套准容差：要形成的图形层和前一层 图形的最大相对位移。一般而言， 图形的最大相对位移。一般而言，套 准容差为特征尺寸的1/3。 准容差为特征尺寸的 。
Leabharlann Baidu(移相掩膜技术 以相消干涉原理为基础 移相掩膜技术—以相消干涉原理为基础 移相掩膜技术 以相消干涉原理为基础)
35
36
Depth of Focus (焦深 焦深) 焦深
透镜焦点周围的一个范围， 透镜焦点周围的一个范围，在这个范围内图像连续地保 持清晰，这个范围被称为焦深。 持清晰，这个范围被称为焦深。
12
Mask Aligners对准机/光刻机
主要性能标准： 1, 分辨率(即可以曝光出来的最小特征尺寸) 2, 对准(套刻精度的度量) 3, 产量
13
Resolution 分辨率
通常表达为可分辨的且仍能保持一定 尺寸容差的最小特征尺寸，典型值是 取线宽分布三倍标准偏差值不超过线 宽的10％。
14
19
Projection Printer (步进式投影曝光机) 步进式投影曝光机 步进式投影
Step and repeat
20
Factor on the Exposure System Resolution
Resolution mainly limits by: Light source Optical system Mask Diffraction of light Resist sensitivity Alignment of mask to wafer Non-uniformities in wafer or mask flatness
39
光刻系统分辨率与焦深的关系
DOF =
λ
2( NA)
2
40
光刻系统分辨率与焦深的关系
41
表面反射和驻波对曝 表面反射和驻波对曝光精度的影响
42
造成侧壁粗糙
表面反射和驻波对曝 表面反射和驻波对曝光精度影响的消除
43
Standing Wave Effect on Photoresist
44
Post Exposure Bake
3, Projection Mode
17
Work like a projector over head Mask to wafer 1:1 Resolution: 1 µm
Scanning Projection System
18 Resolution: 0.25 µm
4, Step & Repeat Alignment/Exposure
21
Debris between wafer and mask
Expusure Light source
•Short wavelength •High intensity •Stable •High pressure mecury lamp •Excimer laser
22
Spectrum of the Mercury Lamp
Photoresist glass transition temperuature Tg Baking temperature higher than Tg Thermal movement of photoresist molecules Rearrangement of the overexposed and underexposed PR molecules Average out standing wave effect Smooth PR sidewall and improve resolution
Need develop light source, PR and equipment Limitation for reducing wavelength UV to DUV, to EUV, and to X-Ray
Reduce k1
Phase shift mask
34
Phase-shifting Masks
Resolution: 5µm µ
Today, photolithography, X-ray lithography, chargeparticle lithography, all achieved submicro resolution.
Resolution: ~10-190nm
4
Lithography Overview
33
The way to improve resolution
Increase NA
Larger lens, could be too expensive and unpratical Reduce DOF and cause fabrication difficulties
Reduce wavelength
第二章：光学光刻
Chapter II:
Photo Lithography
主流的微电子制造过程中，光刻是最 复杂、昂贵和关键的工艺。大概占成 本的1/3以上。
Content
Resolution in Photolithography Exposure modes and their advantages and disadvantages Photolithography resolution enhancement technology Planarization Alignment
8
9
Cr(铬) Glass(玻璃)
掩模版 (Mask)
dark field
light field 10
Negative and Positive Photoresist
11
Critical Dimension (特征尺寸 特征尺寸) 特征尺寸
The absolute size of minimum feature in an IC or a miniature device, whether it involves a line width, spacing, or contact dimension, is called the critical dimension.
Mask Aligner (光学光刻机 光学光刻机) 光学光刻机
Exposure system (maskaligner) consist of a light source, illumination optics, a mask, projection optics, an alignment system and a wafer stage.
Numerical Aperture (数值孔径)
透镜收集衍射光 的能力称为透镜 的数值孔径(NA) 的数值孔径 NA=nsinθm θ
31
通过增加透镜半径,达到增加 的目的 通过增加透镜半径 达到增加NA的目的 达到增加
k=0.75 NA=0.6 λ=365nm R=0.4µm µ 32
Exercise 1,
47
Alignment (套刻对准 套刻对准) 套刻对准
48
对准标记
对准标记： 对准标记：置于掩模版和硅片上用来 确定它们的位置和方向的定位图形。 确定它们的位置和方向的定位图形。
投影掩模版的对准标记(RA)在投影掩模版的左 在投影掩模版的左 投影掩模版的对准标记 右两侧。 右两侧。它将与安装在步进光刻机机身上的对 准标记对准。 准标记对准。 整场对准标记(GA)在第一次曝光时被光刻在硅 整场对准标记 在第一次曝光时被光刻在硅 片左右两边，它被用于每个硅片的粗对准。 片左右两边，它被用于每个硅片的粗对准。 精对准标记(FA)是在每个场曝光时被光刻，它 是在每个场曝光时被光刻， 精对准标记 是在每个场曝光时被光刻 被用于每个硅片曝光场和投影掩模版的对准调 节。
2
Historical note:lithography’s origins
Lithography [stone (lithos)+write (gráphein)]refer to a process invented in 1796 by Aloys Senefelder. He found that stone when properly inked and treated with chemicals, could transfer a carved image into paper.