半导体工艺讲解

半导体⼯艺讲解
半导体⼯艺讲解(1)--掩模和光刻（上）
概述
光刻⼯艺是半导体制造中最为重要的⼯艺步骤之⼀。

主要作⽤是将掩膜板上的图形复制到硅⽚上，为下⼀步进⾏刻蚀或者离⼦注⼊⼯序做好准备。

光刻的成本约为整个硅⽚制造⼯艺的1/3，耗费时间约占整个硅⽚⼯艺的40～60%。

光刻机是⽣产线上最贵的机台，5～15百万美元/台。

主要是贵在成像系统（由15～20个直径为200～300mm的透镜组成）和定位系统（定位精度⼩于10nm）。

其折旧速度⾮常快，⼤约3～9万⼈民币/天，所以也称之为印钞机。

光刻部分的主要机台包括两部分：轨道机（Tracker），⽤于涂胶显影；扫描曝光机（Scanning )
光刻⼯艺的要求：光刻⼯具具有⾼的分辨率；光刻胶具有⾼的光学敏感性；准确地对准；⼤尺⼨硅⽚的制造；低的缺陷密度。

光刻⼯艺过程
⼀般的光刻⼯艺要经历硅⽚表⾯清洗烘⼲、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀、检测等⼯序。

1、硅⽚清洗烘⼲（Cleaning and Pre-Baking）
⽅法：湿法清洗＋去离⼦⽔冲洗＋脱⽔烘焙（热板150～2500C,1～2分钟，氮⽓保护）
⽬的：a、除去表⾯的污染物（颗粒、有机物、⼯艺残余、可动离⼦）；b、除去⽔蒸⽓，是基底表⾯由亲⽔性变为憎⽔性，增强表⾯的黏附性（对光刻胶或者是HMDS-〉六甲基⼆硅胺烷）。

2、涂底（Priming)
⽅法：a、⽓相成底膜的热板涂底。

HMDS蒸⽓淀积，200～2500C,30秒钟；优点：涂底均匀、避免颗粒污染； b、旋转涂底。

缺点：颗粒污染、涂底不均匀、HMDS⽤量⼤。

⽬的：使表⾯具有疏⽔性，增强基底表⾯与光刻胶的黏附性。

3、旋转涂胶（Spin-on PR Coating）
⽅法：a、静态涂胶（Static）。

硅⽚静⽌时，滴胶、加速旋转、甩胶、挥发溶剂（原光刻胶的溶剂约占65～85%,旋涂后约占10～20%）；
b、动态（Dynamic）。

低速旋转（500rpm_rotation per minute）、滴胶、加速旋转（3000rpm）、甩胶、挥发溶剂。

决定光刻胶涂胶厚度的关键参数：光刻胶的黏度（Viscosity），黏度越低，光刻胶的厚度越薄；旋转速度，速度越快，厚度越薄；
影响光刻胶厚度均运性的参数：旋转加速度，加速越快越均匀；与旋转加速的时间点有关。

⼀般旋涂光刻胶的厚度与曝光的光源波长有关（因为不同级别的曝光波长对应不同的光刻胶种类和分辨率）：
I-line最厚，约～3µm；KrF的厚度约～µm；ArF的厚度约～µm。

4、软烘（Soft Baking）
⽅法：真空热板，85～120℃,30～60秒；
⽬的：除去溶剂（4～7%）；增强黏附性；释放光刻胶膜内的应⼒；防⽌光刻胶玷污设备；
边缘光刻胶的去除（EBR，Edge Bead Removal）。

光刻胶涂覆后，在硅⽚边缘的正反两⾯都会有光刻胶的堆积。

边缘的光刻胶⼀般涂布不均匀，不能得到很好的图形，⽽且容易发⽣剥离（Peeling）⽽影响其它部分的图形。

所以需要去除。

⽅法：a、化学的⽅法（Chemical EBR）。

软烘后，⽤PGMEA或EGMEA去边溶剂，喷出少量在正反⾯边缘出，并⼩⼼控制不要到达光刻胶有效区域；b、光学⽅法（Optical EBR）。

即硅⽚边缘曝光（WEE，Wafer Edge Exposure）。

在完成图形的曝光后，⽤激光曝光硅⽚边缘，然后在显影或特殊溶剂中溶解
5、对准并曝光（Alignment and Exposure）
对准⽅法：a、预对准，通过硅⽚上的notch或者flat进⾏激光⾃动对准；b、通过对准标志（Align Mark），位于切割槽（Scribe Line）上。

另外层间对准，即套刻精度（Overlay），保证图形与硅⽚上已经存在的图形之间的对准。

曝光中最重要的两个参数是：曝光能量（Energy）和焦距（Focus）。

如果能量和焦距调整不好，就不能得到要求的分辨率和⼤⼩的图形。

表现为图形的关键尺⼨超出要求的范围。

曝光⽅法：a、接触式曝光（Contact Printing）。

掩膜板直接与光刻胶层接触。

曝光出来的图形与掩膜板上的图形分辨率相当，设备简单。

缺点：光刻胶污染掩膜板；掩膜板的磨损，寿命很低（只能使⽤5～25次）；1970前使⽤，分辨率〉µm。

b、接近式曝光（Proximity Printing）。

掩膜板与光刻胶层的略微分开，⼤约为10～50µm。

可以避免与光刻胶直接接触⽽引起的掩膜板损伤。

但是同时引⼊了衍射效应，降低了分辨率。

1970后适⽤，但是其最⼤分辨率仅为2～4µm。

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，µm（I line）～
µm（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≤µm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（Chuck Particle MC）：测试光刻机上的卡盘平坦度的专⽤芯⽚，其平坦度要求⾮常⾼；c、焦距控⽚（Focus MC）：作为光刻机监控焦距监控；d、关键尺⼨控⽚（Critical Dimension MC）：⽤于光刻区关键尺⼨稳定性的监控；e、光刻胶厚度控⽚（PhotoResist Thickness MC）：光刻胶厚度测量；f、光刻缺陷控⽚（PDM，Photo Defect Monitor）：光刻胶缺陷监控。

举例：µm的CMOS扫描步进光刻⼯艺。

光源：KrF氟化氪DUV光源（248nm）；数值孔径NA：～；焦深DOF：µm
分辨率Resolution：～µm（⼀般采⽤了偏轴照明OAI_Off- Axis Illumination和相移掩膜板技术PSM_Phase Shift Mask增强）；套刻精度Overlay：65nm；产能Throughput：30～60wafers/hour（200mm）；
视场尺⼨Field Size：25×32mm；
6、后烘（PEB，Post Exposure Baking）
⽅法：热板，110～1300C,1分钟。

⽬的：a、减少驻波效应；b、激发化学增强光刻胶的PAG产⽣的酸与光刻胶上的保护基团发⽣反应并移除基团使之能溶解于显影液。

7、显影（Development）
⽅法：a、整盒硅⽚浸没式显影（Batch Development）。

缺点：显影液消耗很⼤；显影的均匀性差；b、连续喷雾显影（Continuous Spray Development）/⾃动旋转显影（Auto-rotation Development）。

⼀个或多个喷嘴喷洒显影液在硅⽚表⾯，同时硅⽚低速旋转（100～500rpm）。

喷嘴喷雾模式和硅⽚旋转速度是实现硅⽚间溶解率和均匀性的可重复性的关键调节参数。

c、⽔坑（旋覆浸没）式显影（Puddle Development）。

喷覆⾜够（不能太多，最⼩化背⾯湿度）的显影液到硅⽚表⾯，并形成⽔坑形状（显影液的流动保持较低，以减少边缘显影速率的变化）。

硅⽚固定或慢慢旋转。

⼀般采⽤多次旋覆显影液：第⼀次涂覆、保持10～30秒、去除；第⼆次涂覆、保持、去除。

然后⽤去离⼦⽔冲洗（去除硅⽚两⾯的所有化学品）并旋转甩⼲。

优点：显影液⽤量少；硅⽚显影均匀；最⼩化了温度梯度。

显影液：a、正性光刻胶的显影液。

正胶的显影液位碱性⽔溶液。

KOH和NaOH 因为会带来可动离⼦污染（MIC，Movable Ion Contamination），所以在IC制造中⼀般不⽤。

最普通的正胶显影液是四甲基氢氧化铵（TMAH）（标准当量浓度为，温度15～250C）。

在I线光刻胶曝光中会⽣成羧酸，TMAH显影液中的碱与酸中和使曝光的光刻胶溶解于显影液，⽽未曝光的光刻胶没有影响；在化学放⼤光刻胶（CAR，Chemical Amplified Resist）中包含的酚醛树脂以PHS形式存在。

CAR中的PAG产⽣的酸会去除PHS中的保护基团（t-BOC），从⽽使PHS快速溶解于TMAH显影液中。

整个显影过程中，TMAH没有同PHS发⽣反应。

b、负性光刻胶的显影液。

⼆甲苯。

清洗液为⼄酸丁脂或⼄醇、三氯⼄烯。

显影中的常见问题：a、显影不完全（Incomplete Development）。

表⾯还残留有光刻胶。

显影液不⾜造成；b、显影不够（Under Development）。

显影的侧壁不垂直，由显影时间不⾜造成；c、过度显影（Over Development）。

靠近表⾯的光刻
胶被显影液过度溶解，形成台阶。

显影时间太长。

8、硬烘（Hard Baking）
⽅法：热板，100～1300C（略⾼于玻璃化温度Tg），1～2分钟。

⽬的：a、完全蒸发掉光刻胶⾥⾯的溶剂（以免在污染后续的离⼦注⼊环境，例如DNQ酚醛树脂光刻胶中的氮会引起光刻胶局部爆裂）；b、坚膜，以提⾼光刻胶在离⼦注⼊或刻蚀中保护下表⾯的能⼒；c、进⼀步增强光刻胶与硅⽚表⾯之间的黏附性；d、进⼀步减少驻波效应（Standing Wave Effect）。

常见问题：a、烘烤不⾜（Underbake）。

减弱光刻胶的强度（抗刻蚀能⼒和离⼦注⼊中的阻挡能⼒）；降低针孔填充能⼒（Gapfill Capability for the needle
hole）；降低与基底的黏附能⼒。

b、烘烤过度（Overbake）。

引起光刻胶的流动，使图形精度降低，分辨率变差。

另外还可以⽤深紫外线（DUV，Deep Ultra-Violet）坚膜。

使正性光刻胶树脂发⽣交联形成⼀层薄的表⾯硬壳，增加光刻胶的热稳定性。

在后⾯的等离⼦刻蚀和离⼦注⼊（125～2000C）⼯艺中减少因光刻胶⾼温流动⽽引起分辨率的降低。

光学基础
光的反射（reflection）。

光射到任何表⾯的时候都会发⽣反射，并且符合反射定律：⼊射⾓等于反射⾓。

在曝光的时候，光刻胶往往会在硅⽚表⾯或者⾦属层发⽣反射，使不希望被曝光的光刻胶被曝光，从⽽造成图形复制的偏差。

常常需要⽤抗反射涂层（ARC，Anti-Reflective Coating）来改善因反射造成的缺陷。

光的折射（refraction）。

光通过⼀种透明介质进⼊到另⼀种透明介质的时候，发⽣⽅向的改变。

主要是因为在两种介质中光的传播速度不同（λ=v/f）。

直观来说是两种介质中光的⼊射⾓发⽣改变。

所以我们在90nm⼯艺中利⽤⾼折射率的⽔为介质（空⽓的折射率为，⽽⽔的折射率为），采⽤浸⼊式光刻技术，从⽽提⾼了分辨率。

⽽且这种技术有可能将被沿⽤⾄45nm⼯艺节点。

光的衍射或者绕射（diffraction）。

光在传播过程中遇到障碍物（⼩孔或者轮廓分明的边缘）时，会发⽣光传播路线的改变。

曝光的时候，掩膜板上有尺⼨很⼩的图形⽽且间距很窄。

衍射会使光部分发散，导致光刻胶上不需要曝光的区域被曝光。

衍射现象会造成分辨率的下降。

光的⼲涉（interference）。

波的本质是正弦曲线。

任何形式的正弦波只要具有相同的频率就能相互⼲涉，即相长相消：相位相同，彼此相长；相位不同，彼此相消。

在曝光的过程中，反射光与折射光往往会发⽣⼲涉，从⽽降低了图形特征复制的分辨率。

调制传输函数（MTF, Modulation Transfer Function）。

⽤于定义明暗对⽐度的参数。

即分辨掩膜板上明暗图形的能⼒，与光线的衍射效应密切相关。

MTF=(Imax- Imin)/(Imax+Imin)，好的调制传输函数，就会得到更加陡直的光刻胶显影图形，即有⾼的分辨率。

临界调制传输函数（CMTF,Critical Modulation Transfer Function）。

主要表征光刻胶本⾝曝光对⽐度的参数。

即光刻胶分辨透射光线明暗的能⼒。

⼀般来说光路系统的调制传输函数必须⼤于光刻胶的临界调制传输函数，即MTF>CMTF。

数值孔径（NA, Numerical Aperture）。

透镜收集衍射光（聚光）的能⼒。

NA=n*sinθ=n*（透镜半径/透镜焦长）。

⼀般来说NA⼤⼩为~。

提⾼数值孔径的⽅法：1、提⾼介质折射率n，采⽤⽔代替空⽓；2、增⼤透镜的半径；
分辨率（Resolution）。

区分临近最⼩尺⼨图形的能⼒。

R=kλ/(NA)=(n*sinθ) 。

提⾼分辨率的⽅法：1、减⼩光源的波长；2、采⽤⾼分辨率的光刻胶；3、增⼤透镜半径；4、采⽤⾼折射率的介质，即采⽤浸⼊式光刻技术；5、优化光学棱镜
系统以提⾼k（~）值（k是标志⼯艺⽔平的参数）。

焦深（DOF，Depth of Focus）。

表⽰焦点周围的范围，在该范围内图像连续地保持清晰。

焦深是焦点上⾯和下⾯的范围，焦深应该穿越整个光刻胶层的上下表⾯，这样才能够保证光刻胶完全曝光。

DOF=kλ/(NA)2。

增⼤焦深的⽅法：1、增⼤光源的波长；2、采⽤⼩的数值孔径；3、利⽤CMP进⾏表⾯平坦化。

由于前两种⽅法会降低分辨率，⽽分辨率是芯⽚制造所努⼒提升的重要参数，因此我们需要在看上去相互⽭盾的两个⽅⾯做出某种平衡。

⼀般在保证基本的焦深要求下不降低分辨率，即以分辨率为主。

所以，现在⼀般采⽤CMP平坦化技术保证⾜够的焦深。

掩膜板/光罩
掩膜板/光罩（Photo Mask/Reticle）硅⽚上的电路元件图形都来⾃于版图，因此掩膜板的质量在光刻⼯艺中的扮演着⾮常重要的⾓⾊。

1、掩膜板的分类：
光掩膜板（Photo Mask）包含了整个硅⽚的芯⽚图形特征，进⾏1：1图形复制。

这种掩膜板⽤于⽐较⽼的接近式光刻和扫描对准投影机中。

投影掩膜板（Reticle）只包含硅⽚上的⼀部分图形（例如四个芯⽚），⼀般为缩⼩⽐例（⼀般为4：1）。

需要步进重复来完成整个硅⽚的图形复制。

⼀般掩膜板为6X6inch（152mm）⼤⼩，厚度约为”~” （~）。

投影掩膜板的优点：1、投影掩膜板的特征尺⼨较⼤（4×），掩膜板制造更加容易；2、掩膜板上的缺陷会缩⼩转移到硅⽚上，对图形复制的危害减⼩；3、使曝光的均匀度提⾼。

2、掩膜板的制造：
掩膜板的基材⼀般为熔融⽯英（quartz），这种材料对深紫外光（DUV，KrF-248nm，ArF-193nm）具有⾼的光学透射，⽽且具有⾮常低的温度膨胀和低的内部缺陷。

掩膜板的掩蔽层⼀般为铬（Cr，Chromium）。

在基材上⾯溅射⼀层铬，铬层的厚度⼀般为800~1000埃，在铬层上⾯需要涂布⼀层抗反射涂层（ARC，Anti-Reflective Coating）。

制作过程：a、在⽯英表⾯溅射⼀层铬层，在铬层上旋涂⼀层电⼦束光刻胶；
b、利⽤电⼦束（或激光）直写技术将图形转移到电⼦束光刻胶层上。

电⼦源产⽣许多电⼦，这些电⼦被加速并聚焦（通过磁⽅式或者电⽅式被聚焦）成形投影到电⼦束光刻胶上，扫描形成所需要的图形；
c、曝光、显影；
d、湿法或者⼲法刻蚀（先进的掩膜板⽣产⼀般采⽤⼲法刻蚀）去掉铬薄层；
e、去除电⼦束光刻胶；d、粘保护膜（Mount Pellicle）。

保护掩膜板杜绝灰尘（Dust）和微⼩颗粒（Particle）污染。

保护膜被紧绷在⼀个密封框架上，在掩膜板上⽅约5~10mm。

保护膜对曝光光能是透明的，厚度约为~12µm（⼄酸硝基氯苯为µm；聚酯碳氟
化物为12µm）。

3、掩膜板的损伤和污染
掩膜板是光刻复制图形的基准和蓝本，掩膜板上的任何缺陷都会对最终图形精度产⽣严重的影响。

所以掩膜板必须保持“完美”。

使⽤掩膜板存在许多损伤来源：掩膜板掉铬；表⾯擦伤，需要轻拿轻放；静电放电（ESD），在掩膜板夹⼦上需要连⼀根导线到⾦属桌⾯，将产⽣的静电导出。

另外，不能⽤⼿触摸掩膜板；灰尘颗粒，在掩膜板盒打开的情况下，不准进出掩膜板室（Mask Room），在存取掩膜板时室内最多保持2⼈。

因为掩膜板在整个制造⼯艺中的地位⾮常重要。

在⽣产线上，都会有掩膜板管理系统（RTMS，Reticle Management System）来跟踪掩膜板的历史（History）、现状（Status）、位置（Location）等相关信息，以便于掩膜板的管理。

光刻胶
光刻胶是⼀种有机化合物，它受紫外光曝光后，在显影液中的溶解度会发⽣变化。

⼀般光刻胶以液态涂覆在硅⽚表⾯上，曝光后烘烤成固态。

1、光刻胶的作⽤：a、将掩膜板上的图形转移到硅⽚表⾯的氧化层中；b、在后续⼯序中，保护下⾯的材料（刻蚀或离⼦注⼊）。

2、光刻胶的物理特性参数：
a、分辨率（resolution）。

区别硅⽚表⾯相邻图形特征的能⼒。

⼀般⽤关键尺⼨（CD，Critical Dimension）来衡量分辨率。

形成的关键尺⼨越⼩，光刻胶的分辨率越好。

b、对⽐度（Contrast）。

指光刻胶从曝光区到⾮曝光区过渡的陡度。

对⽐度越好，形成图形的侧壁越陡峭，分辨率越好。

c、敏感度（Sensitivity）。

光刻胶上产⽣⼀个良好的图形所需⼀定波长光的最⼩能量值（或最⼩曝光量）。

单位：毫焦/平⽅厘⽶或mJ/cm2。

光刻胶的敏感性对于波长更短的深紫外光（DUV）、极深紫外光（EUV）等尤为重要。

d、粘滞性/黏度（Viscosity）。

衡量光刻胶流动特性的参数。

粘滞性随着光刻胶中的溶剂的减少⽽增加；⾼的粘滞性会产⽣厚的光刻胶；越⼩的粘滞性，就有越均匀的光刻胶厚度。

光刻胶的⽐重（SG，Specific Gravity）是衡量光刻胶的密度的指标。

它与光刻胶中的固体含量有关。

较⼤的⽐重意味着光刻胶中含有更多的固体，粘滞性更⾼、流动性更差。

粘度的单位：泊（poise），光刻胶⼀般⽤厘泊（cps，厘泊为1%泊）来度量。

百分泊即厘泊为绝对粘滞率；运动粘滞率定义为：运动粘滞率=绝对粘滞率/⽐重。

单位：百分斯托克斯（cs）＝cps/SG。

e、粘附性（Adherence）。

表征光刻胶粘着于衬底的强度。

光刻胶的粘附性不⾜会导致硅⽚表⾯的图形变形。

光刻胶的粘附性必须经受住后续⼯艺（刻蚀、离⼦注⼊等）。

f、抗蚀性（Anti-etching）。

光刻胶必须保持它的粘附性，在后续的刻蚀⼯序中保护衬底表⾯。

耐热稳定性、抗刻蚀能⼒和抗离⼦轰击能⼒。

g 、表⾯张⼒（Surface Tension）。

液体中将表⾯分⼦拉向液体主体内的分⼦间吸引⼒。

光刻胶应该具有⽐较⼩的表⾯张⼒，使光刻胶具有良好的流动性和覆盖。

h、存储和传送（Storage and Transmission）。

能量（光和热）可以激活光刻胶。

应该存储在密闭、低温、不透光的盒中。

同时必须规定光刻胶的闲置期限和存贮温度环境。

⼀旦超过存储时间或较⾼的温度范围，负胶会发⽣交联，正胶会发⽣感光延迟。

3、光刻胶的分类
a、根据光刻胶按照如何响应紫外光的特性可以分为两类：负性光刻胶和正性光刻胶。

负性光刻胶（Negative Photo Resist）。

最早使⽤，⼀直到20世纪70年代。

曝光区域发⽣交联，难溶于显影液。

特性：良好的粘附能⼒、良好的阻挡作⽤、感光速度快；显影时发⽣变形和膨胀。

所以只能⽤于2µm的分辨率。

正性光刻胶（Positive Photo Resist）。

20世纪70年代，有负性转⽤正性。

正性光刻胶的曝光区域更加容易溶解于显影液。

特性：分辨率⾼、台阶覆盖好、对⽐度好；粘附性差、抗刻蚀能⼒差、⾼成本。

b、根据光刻胶能形成图形的最⼩光刻尺⼨来分：传统光刻胶和化学放⼤光刻胶。

传统光刻胶。

适⽤于I线（365nm）、H线（405nm）和G线（436nm），关键尺⼨在µm及其以上。

化学放⼤光刻胶（CAR，Chemical Amplified Resist）。

适⽤于深紫外线（DUV）波长的光刻胶。

KrF（248nm）和
ArF（193nm）。

4、光刻胶的具体性质
a、传统光刻胶：正胶和负胶。

光刻胶的组成：树脂（resin/polymer），光刻胶中不同材料的粘合剂，给与光刻胶的机械与化学性质（如粘附性、胶膜厚度、热稳定性等）；感光剂，感光剂对光能发⽣光化学反应；溶剂（Solvent），保持光刻胶的液体状态，使之具有良好的流动性；添加剂（Additive），⽤以改
变光刻胶的某些特性，如改善光刻胶发⽣反射⽽添加染⾊剂等。

负性光刻胶。

树脂是聚异戊⼆烯，⼀种天然的橡胶；溶剂是⼆甲苯；感光剂是⼀种经过曝光后释放出氮⽓的光敏剂，产⽣的⾃由基在橡胶分⼦间形成交联。

从⽽变得不溶于显影液。

负性光刻胶在曝光区由溶剂引起泡涨；曝光时光刻胶容易与氮⽓反应⽽抑制交联。

正性光刻胶。

树脂是⼀种叫做线性酚醛树脂的酚醛甲醛，提供光刻胶的粘附性、化学抗蚀性，当没有溶解抑制剂存在时，线性酚醛树脂会溶解在显影液中；感光剂是光敏化合物（PAC，Photo Active Compound），最常见的是重氮萘醌（DNQ），在曝光前，DNQ是⼀种强烈的溶解抑制剂，降低树脂的溶解速度。

在紫外曝光后，DNQ在光刻胶中化学分解，成为溶解度增强剂，⼤幅提⾼显影液中的溶解度因⼦⾄100或者更⾼。

这种曝光反应会在DNQ中产⽣羧酸，它在显影液中溶解度很⾼。

正性光刻胶具有很好的对⽐度，所以⽣成的图形具有良好的分辨率。

b、化学放⼤光刻胶（CAR，Chemical Amplified Resist）。

树脂是具有化学基团保护（t-BOC）的聚⼄烯（PHS）。

有保护团的树脂不溶于⽔；感光剂是光酸产⽣剂（PAG，Photo Acid Generator），光刻胶曝光后，在曝光区的PAG发⽣光化学反应会产⽣⼀种酸。

该酸在曝光后热烘（PEB，Post Exposure Baking）时，作为化学催化剂将树脂上的保护基团移⾛，从⽽使曝光区域的光刻胶由原来不溶于⽔转变为⾼度溶于以⽔为主要成分的显影液。

化学放⼤光刻胶曝光速度⾮常快，⼤约是DNQ线性酚醛树脂光刻胶的10倍；对短波长光源具有很好的光学敏感性；提供陡直侧墙，具有⾼的对⽐度；具有µm及其以下尺⼨的⾼分辨率。

光源
光刻是光源发出的光通过掩膜板和透镜系统照射到光刻胶的特定部分并使之曝光，以实现图形的复制和转移。

波长越⼩、得到的图形分辨率越⾼。

曝光光源的另外⼀个重要参数就是光的强度。

光强定义为单位⾯积上的功率
（mW/cm2），该光强应在光刻胶表⾯测量。

光强也可以被定义为能量：单位⾯积上的光亮或亮度。

曝光能量（剂量）＝曝光强度×曝光时间。

单位：毫焦每平⽅厘⽶（mJ/ cm2）。

电磁波谱：整个可见光和不可见的电磁波。

可见光谱（⽩光是所有可见光谱波长的光组成）：390nm～780nm；紫外光谱：4nm～450nm;
常见光源有：汞灯和准分⼦激光。

另外，在先进或某些特殊场合也会⽤到其他曝光⼿段，如X射线、电⼦束和粒⼦束等。

1、汞灯（Mercury Lamp）
原理：电流通过装有氙汞⽓体的管⼦时，会产⽣电弧放电。

电弧发射出
⼀个特征光谱，包括波长处于240nm～500nm之间的紫外辐射光谱。

⼀般来说，特定波长的光源对应特定性能的光刻胶。

在使⽤汞灯作光源时，需要利⽤⼀套滤波器去除不需要的波长和红外波长。

所选择的波长应与硅⽚上的关键尺⼨相匹配。

⾼压汞灯⼀般⽤于Ｉ线（365nm）步进光刻机上。

I line⽤于关键尺⼨⼤于µm的图形。

2、准分⼦激光（Excimer Laser）
20世纪80年代中期以来，激光光源以可以⽤于光学光刻。

但是其可靠性和性能影响其在硅⽚⽣产上的实施直⾄90年代中期。

其优点是可以提供较⼤的深紫外光强。

迄今唯⼀⽤于光学曝光的激光光源是准分⼦激光。

原理：准分⼦是不稳定分⼦，由惰性⽓体原⼦和卤素构成，如氟化氩（ArF）。

这些分⼦只存在于准稳定激发态。

当不稳定的准分⼦分解成两个组成原⼦时，激发态发⽣衰减，同时发射出激光。

激光器通过两个平板电极的⾼压（10～20kV）脉冲放电来激发⾼压惰性⽓体和卤素的混合物，使之维持着激发态的分⼦多于基态分⼦。

实现连续发射激光。

第⼀步激发：Kr*＋F2->KrF*＋F；第⼆步衰减：KrF*->Kr＋F＋DUV。

常见的准分⼦激光光源为248nm的KrF（⽤于关键尺⼨⼤于µm的图形）和193nm的ArF（⽤于关键尺⼨⼤于µm的图形）。

光刻中常见的效应和概念
1、驻波效应（Standing Wave Effect）
现象：在光刻胶曝光的过程中，透射光与反射光（在基底或者表⾯）之间会发⽣⼲涉。

这种相同频率的光波之间的⼲涉，在光刻胶的曝光区域内出现相长相消的条纹。

光刻胶在显影后，在侧壁会产⽣波浪状的不平整
解决⽅案：a、在光刻胶内加⼊染⾊剂，降低⼲涉现象；b、在光刻胶的上下表⾯增加抗反射涂层（ARC，Anti-Reflective Coating）；c、后烘（PEB，Post Exposure Baking）和硬烘（HB，Hard Baking）。

2、摆线效应（Swing Curve Effect）
现象：在光刻胶曝光时，以相同的曝光剂量对不同厚度的光刻胶曝光，从⽽引起关键尺⼨（CD，Critical dimension）的误差。

3、反射切⼝效应（Notching Effect）
现象：在光刻胶曝光时，由于接触孔尺⼨的偏移等原因使⼊射光线直接照射到⾦属或多晶硅上发⽣发射，使不希望曝光的光刻胶被曝光，显影后，在光刻
胶的底部出现缺⼝。

解决⽅案：a、提⾼套刻精度，防⽌接触孔打偏；b、涂覆抗反射涂层。

4、脚状图形（Footing Profiles）
现象：在光刻胶的底部，出现曝光不⾜。

使显影后，底部有明显的光刻胶残留。

解决⽅案：a、妥善保管光刻胶，不要让其存放于碱性环境中；b、在涂覆光刻胶之前，硅⽚表⾯要清洗⼲净，防⽌硅基底上有碱性物质的残余。

5、T型图形（T-Top Profiles）
现象：由于表⾯的感光剂不⾜⽽造成表层光刻胶的图形尺⼨变窄。

解决⽅案：注意腔室中保持清洁，排除腔室中的碱性⽓体污染。

6、分辨率增强技术（RET，Resolution Enhanced Technology）
包括偏轴曝光（OAI，Off Axis Illumination）、相移掩膜板技术（PSM，Phase Shift Mask）、光学近似修正（OPC，Optical Proximity Correction）以及光刻胶技术等。

a、偏轴曝光
改变光源⼊射光⽅向使之与掩膜板保持⼀定⾓度，可以改善光强分布的均匀性。

但同时，光强有所削弱。

b、相移掩膜板技术（PSM，Phase Shift Mask）
在掩膜板上，周期性地在相邻的图形中，每隔⼀个图形特征对掩膜板的结构（减薄或者加厚）进⾏改变，使相邻图形的相位相差180度，从⽽可以达到提升分辨率的⽬的。

相移掩膜板技术使掩膜板的制作难度和成本⼤幅增加。

c、光学近似修正（OPC，Optical Proximity Correction）
在曝光过程中，往往会因为光学临近效应使最后的图形质量下降：线宽的变化；转⾓的圆化；线长的缩短等。

需要采⽤“智能型掩膜板⼯程（Clever Mask Engineering）” 来补偿这种尺⼨变化。

7、显影后检测（ADI，After Development Inspection）
主要是检查硅⽚表⾯的缺陷。

通常将⼀个⽆缺陷得标准图形存于电脑中，然
后⽤每个芯⽚的图形与标准相⽐较，出现多少不同的点，就会在硅⽚的defect map中显⽰多少个缺陷。

8、抗反射涂层（ARC，Anti-Reflective Coating）
光刻胶照射到光刻胶上时，使光刻胶曝光。

但同时，在光刻胶层的上下表⾯也会产⽣反射⽽产⽣切⼝效应和驻波效应。

a、底部抗反射涂层（BARC，Bottom Anti-Reflective Coating）。

将抗反射涂层涂覆在光刻胶的底部来减少底部光的反射。

有两种涂层材料：有机抗反射涂层（Organic），在硅⽚表⾯旋涂，依靠有机层直接接收掉⼊射光线；⽆机抗反射涂层（Inorganic），在硅⽚表⾯利⽤等离⼦增强化学⽓相沉积（PECVD，Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition）形成。

⼀般材料为：TiN或SiN。

通过特定波长相位相消⽽起作⽤，最重要的参数有：材料折射率、薄膜厚度等。

b、顶部抗反射涂层（TARC，Top Anti-Reflective Coating）。

不会吸收光，⽽是通过光线之间相位相消来消除反射。

为⼀层透明的薄膜。

1、浸⼊式光刻技术（Immersion Lithography）
由公式R=k*λ/(NA)= =kλ/(n*sinα)，空⽓的折射率为1，⽔的折射率为（相对于193nm的深紫外光⽽⾔）；所以，⽤⽔来代替空⽓，可以提⾼光刻系统的数值孔径（NA，Numerical Aperture），最终可以提升分辨率。

在ITRS2003版本中，增加了浸⼊式光刻，作为45nm节点的解决⽅案。

近年，浸⼊式光刻发展⾮常迅猛，并获得了产业界持续发展的信⼼。

在ITRS2005版本中，已将浸⼊式光刻列为32nm甚⾄22nm节点的可能解决⽅案
挑战：⽓泡问题（Water Bubble）；温度不均匀（Temperature Effect）。

下⼀步发展中的挑战在于研发⾼折射率的抗蚀剂、⾼折射率的液体和⾼折射率的光学材料。

2、深紫外光刻（DUV，Deep Ultra-Violet Lithography）
通过缩⼩光源的波长来改善分辨率。

F2的准分⼦激光光源157nm。

有望成为50～70nm的解决⽅案。

需要同浸⼊式结合才有可能存在，⽽且可能性⽐较⼩的选择。

挑战：易被氧⽓吸收，需要真空环境；光强⽐较弱，易被透镜吸收，折射透镜系统设计⾮常复杂；⾼灵敏度的光刻胶。

3、极紫外光刻（EUV，Extreme Ultra-Violet Lithography）
⼜称作软X射线（Soft X-ray）。

极紫外光的波长为11～14nm，可以⼤幅提升分辨率。

由于极紫外光⾮常容易被吸收，所以光学系统（透镜等）和掩膜板都要采⽤反射式传递图形信息。

光刻胶为PMMA。

在ITRS2005版本中，已将EUV 光刻列为
32nm、22nm甚⾄16nm节点的可能解决⽅案。

挑战：极紫外光容易被吸收，必须真空环境；掩膜板很特殊，制作困难；设备的成本很⾼。

4、电⼦束直写光刻（EBL，Electron Beam Direct-Write Lithography）
电⼦束的能量越⾼，波长越短。

⼀般为。

利⽤尺⼨⾮常⼩的电⼦束在光刻胶上直写，不需要掩膜板。

可以⽤电磁场聚焦，易于控制。

现在⽤于掩膜板的制作。

光刻胶为PMMA。

可以作为10nm的潜在解决⽅案。

挑战：因为会发⽣电⼦散射⽽产⽣临近效应；常能低，⼤概1⽚/⼩时。

5、电⼦束投影光刻（EPL，Electron Projection Lithography）
采⽤掩膜板的电⼦束投影，其产能⽐较⾼。

波长约。

（在ITRS2004版本中，已经取消电⼦束投影光刻技术作为45nm节点以后的可能解决⽅案）挑战：电⼦束的散射引起的临近效应。