(第五章)光刻工艺
光刻工艺介绍
光刻工艺过程
涂胶coating 前烘prebaking 曝光exposure 显影development 坚膜postbake
光刻工艺过程
涂胶
氧化，清洗
涂胶，前烘
涂胶目的： 在晶元表面形成厚度均匀，附着性强， 没有缺陷的光刻胶薄膜
光刻胶对大部分可见光敏感，但对黄光不敏感
光刻三要素
光刻胶主要成分
1.树脂(聚合物)：光照不发生反应，保证光刻胶的附着性和抗腐 蚀性，决定光刻胶薄膜的膜厚，弹性和热稳定性。
2.光敏剂(PAC)：受光辐照后发生化学反应，如果聚合物中不添 加光敏剂，那么他对光的敏感性差，而且光谱范围较宽，添加特 定的光敏剂后，可以增加感光灵敏度，而且限制反应光的光谱范 围，或者把反应光限制在某一特定的波长。
转速与膜厚：膜厚与旋转速度的平方根成反比
光刻工艺过程
前烘probake
目的
去除胶内的溶剂，提高胶的表面粘附力 提高胶的抗机械摩擦能力 减小高速旋转形成的薄膜应力
条件
温度：90 to 120℃ 时间：60 to 120s
光刻工艺过程
前烘probake
前烘不足
光刻胶与晶元粘附性变差 因光刻胶中溶剂含量过高致使曝光的精度下降
前烘过量
延长时间，产量下降 过高的温度使光刻胶变脆，粘附性下降 过高的温度会使光刻胶的感光剂发生反应，使 光刻胶在曝光时的敏感度下降
光刻工艺过程 曝光Exposure
光刻工艺过程
曝光Exposure
将电路图案转移到晶元上 为了将电路图案转移到晶片上，将光罩暴露在光下。 通过使用缩小透镜聚焦光，甚至可以转移更精细的 电路图案。电路图中的线越窄，可传输的半导体元 件数量越多，因此芯片的性能和功能也就越高
光刻工艺主要步骤
光刻工艺主要步骤
1. 基片前处理
为确保光刻胶能和晶圆表面很好粘贴，形成平滑且结合得很好的膜，必须进行表面准备，保持表面干燥且干净，
2. 涂光刻胶
涂胶的目标是在晶圆表面建立薄的、均匀的，并且没有缺陷的光刻胶膜。
3. 前烘(软烘焙)
前烘的目的是去除胶层内的溶剂，提高光刻胶与衬底的粘附力及胶膜的机械擦伤能力。
4. 对准和曝光(A＆E)
保证器件和电路正常工作的决定性因素是图形的准确对准，以及光刻胶上精确的图形尺寸的形成。
所以，涂好光刻胶后，第一步是把所需图形在晶圆表面上准确定位或对准。
第二步是通过曝光将图形转移到光刻胶涂层上。
5. 显影
显影是指把掩膜版图案复制到光刻胶上。
6. 后烘(坚膜)
经显影以后的胶膜发生了软化、膨胀，胶膜与硅片表面粘附力下降。
为了保证下一道刻蚀工序能顺利进行，使光刻胶和晶圆表面更好地粘结，必须继续蒸发溶剂以固化光刻胶。
7. 刻蚀
刻蚀是通过光刻胶暴露区域来去掉晶圆最表层的工艺，主要目标是将光刻掩膜版上的图案精确地转移到晶圆表面。
8. 去除光刻胶
刻蚀之后，图案成为晶圆最表层永久的一部分。
作为刻蚀阻挡层的光刻胶层不再需要了，必须从表面去掉。
正胶的纵横比更高、负胶的粘结力更强曝光速度更快、正胶的针孔数量更好阶梯覆盖度更好，但成本更高、正胶使用水溶性溶剂显影而负胶使用有机溶剂显影。
第五章：光刻
数值孔径
分辨率（R）
分辨率是将硅片上两个相邻的特征尺寸（或关键尺 寸）光刻胶图形区分开的能力。分辨率是光刻中一 个重要的性能指标。
k为工艺因子，范围是0.6～0.8， λ为光源的波长NA 为曝光系统的数值孔径 要提高曝光系统的分辨率即减小特征尺寸，就要降 低紫外光的波长λ
图中分辨率为0.25μm
涂胶/显影系统设备（AIO-700型）
涂胶/显影系统设备（AIO-700型）
涂胶/显影系统设备（AIO-700型）
涂胶/显影系统设备（AIO-700型）
涂胶/显影系统设备（AIO-700型）
涂胶/显影系统设备（AIO-700型）
涂胶/显影系统设备（AIO-700型）
第五章 光 刻
光刻：
5.1 引 言
将掩膜版上的电路图形精确转移到硅片表面光刻
胶膜上的复制过程。
光刻是集成电路制造的关键工艺
掩膜版（Reticle或Mask）
材质—玻璃/石英，亚微米及以下技术—石英版， 石英版优点：透光性好、热膨胀系数低。
金属铬膜 — 版上不透光的图形
光刻是产生特征尺寸的工序
透 镜 光 学 系 统
数值孔径（NA）
透镜能够把一些衍射光会聚到一点成像，把透镜 收集衍射光的能力称为透镜的数值孔径。（ 通常 UV光通过掩膜版上的特征尺寸小孔会发生衍射 现象）
NA＝（n）Sinθm≈（n）×透镜半径/透镜焦长 n为图像介质的折射率，θm为主光轴与透镜边缘 光线的最大夹角。透镜半径越大数值孔径越大成 像效果越好。但受到镜头成本的限制。分步重复 光刻机和步进扫描光刻机的NA都能做到0.60～ 0.68的水平
（b）对比度好
3. 敏感度好（是指硅片表面光刻胶中产生良好图形 所需要的一定波长光的最小能量值，以mJ/cm2为 单位）
光刻工艺知识点总结
光刻工艺知识点总结光刻工艺是半导体制造工艺中的重要环节，通过光刻技术可以实现微米级甚至纳米级的精密图案转移至半导体芯片上，是芯片制造中最关键的工艺之一。
光刻工艺的基本原理是利用光学原理将图案投射到光刻胶上，然后通过化学蚀刻将图案转移到芯片表面。
下面将对光刻工艺的知识点进行详细总结。
一、光刻工艺的基本原理1. 光刻胶光刻胶是光刻工艺的核心材料，主要由树脂和溶剂组成。
树脂的种类和分子结构直接影响着光刻胶的分辨率和对光的敏感度，而溶剂的选择和比例则会影响着光刻胶的黏度、流动性和干燥速度。
光刻胶的选择要根据不同的工艺要求，如分辨率、坚固度、湿膜厚度等。
2. 掩模掩模是用来投射光刻图案的模板，通常是通过电子束刻蚀或光刻工艺制备的。
掩模上有所需的图形样式，光在通过掩模时会形成所需的图案。
3. 曝光曝光是将掩模上的图案投射到光刻胶表面的过程。
曝光机通过紫外线光源产生紫外线，通过透镜将掩模上的图案投射到光刻胶表面，形成图案的暗部和亮部。
4. 显影显影是通过化学溶液将光刻胶上的图案显现出来的过程。
曝光后，光刻胶在图案暗部和亮部会有不同的化学反应，显影溶液可以去除未暴露的光刻胶，留下所需的图案。
5. 蚀刻蚀刻是将图案转移到硅片上的过程，通过化学腐蚀的方式去除光刻胶未遮盖的部分，使得图案转移到硅片表面。
二、光刻工艺中的关键技术1. 分辨率分辨率是指光刻工艺能够实现的最小图案尺寸，通常用实际图案中两个相邻细线或空隙的宽度之和来表示。
分辨率受到光刻机、光刻胶和曝光技术等多个因素的影响，是衡量光刻工艺性能的重要指标。
2. 等效焦距等效焦距是光刻机的重要参数，指的是曝光光学系统的有效焦距，影响光刻图案在光刻胶表面的清晰度和分辨率。
3. 曝光剂量曝光剂量是指单位面积上接收的光能量，通常用mJ/cm^2或μC/cm^2来表示。
曝光剂量的选择对分辨率和光刻胶的副反应有重要影响。
4. 曝光对位精度曝光对位精度是指光刻胶上已存在的图案和新的曝光对位的精度，是保证多层曝光图案对位一致的重要因素。
(第五章)光刻工艺
学习目标：
光刻基本概念 负性和正性光刻胶差别 光刻的8个基本步骤 光刻光学系统 光刻中对准和曝光的目的 光刻特征参数的定义及计算方法 五代光刻设备
5.1 引言
光刻是把掩膜版上的电路图形超精确地转移到涂 覆在硅片上的光刻胶膜上，为后续刻蚀或离子注 入提供掩蔽膜，以完成图形的最终转移的工艺过 程。
光刻是集成电路制造的关键工艺
一、光刻技术的特点
产生特征尺寸的关键工艺； 复印图像和化学作用相结合的综合性技术； 光刻与芯片的价格和性能密切相关，光刻成本占
整个芯片制造成本的1/3。
二、光刻三个基本条件
掩膜版 光刻胶 光刻机
掩膜版（Reticle或Mask）的材质有玻璃 版和石英版，亚微米技术都用石英版，是 因为石英版的透光性好、热膨胀系数低。 版上不透光的图形是金属铬膜。
7.颗粒少
旋转涂胶参数 光刻胶厚度∝1/(rpm)1/2
传统正性I线光刻胶
1. 树脂是悬浮于溶剂中的酚醛甲醛聚合物 2. 感光剂化合物作为强的溶解抑制剂（不溶解于显影液）被加到线性酚 醛树脂中 3. 在曝光过程中，感光剂（通常为DNQ）发生光化学分解产生羟酸 4. 羟酸提高光刻胶曝光区域的线性酚醛树脂的溶解度
光刻胶成分：
1. 树脂（是一种有机聚合物材料，提供光刻 胶的机械和化学特性） 2. 感光剂（光刻胶材料的光敏成分） 3. 溶剂（使光刻胶具有流动性） 4. 添加剂（控制光刻胶特殊方面的化学物质， 备选）
光刻工艺对光刻胶的要求：
1.分辨率高（区分硅片上两个相邻的最小特征尺 寸图形的能力强）
2.对比度好（指曝光区和非曝光区过渡的陡度）
工艺宽容度，工艺发生一定变化时，在规定范 围内仍能达到关键尺寸要求的能力。
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
半导体工艺与制造技术习题答案(第五章)
第五章图形转移1.典型的光刻工艺主要有哪几步？简述各步骤的作用。
涂胶：在衬底上涂布一层光刻胶前烘：蒸发光刻胶中的溶剂对准：保证图形与硅片上已经存在的图形之间的对准曝光：使光刻胶产生化学反应而变性曝光后烘烤：减少驻波效应；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。
显影：显影液溶剂溶解掉光刻胶中软化部分，将图形从掩膜版转移到光刻胶上坚膜：完全蒸发掉光刻胶里面的溶剂，提高光刻胶在离子注入或刻蚀中保护下表面的能力，进一步增强光刻胶与硅片表面之间的粘附性，减少驻波效应显影检查：检查图形是否对准，临界尺寸及表面是否良好2.光刻对准标记中RA，GA，FA分别是什么？它们有什么用？投影机-掩膜版对准标记（Retical Alignment,RA）在投影掩膜版的左右两侧，与安装在步进机机身上的对准标记对准。
整场对准标记（Global Alignment,GA）在第一次曝光时被光刻在硅片左右两边，被用于每个硅片的粗对准。
精对准标记（Fine Alignment,FA）每个场曝光时被光刻，用于每个硅片曝光场和投影掩膜版的对准调节。
3.什么是光刻胶的对比度？它对曝光图形产生什么样的影响？光刻胶的对比度（）是对光刻胶完全曝光所需要的最小剂量和光刻胶不发生曝光效果所允许的最大剂量比例的函数，表征的是曝光并显影后从曝光区域到非曝光区域的图形侧壁陡峭程度。
对比度越大，显影后光刻胶侧壁越陡峭，图形越明晰。
4.什么是光刻中常见的表面反射和驻波效应？如何解决？穿过光刻胶的光会从晶圆片表面反射出来，从而改变投入光刻胶的光学能量。
当晶圆片表面有高度差时，表面反射会导致线条缺失，无法控制图形，这就是表面反射和驻波效应。
解决方法：改变沉积速率以控制薄膜的反射率；避免薄膜表面高度差，表面平坦化处理（CMP）；光刻胶下涂覆抗反射的聚合物（Anti-reflect coating,ARC）5.简述电子束光刻的光栅扫描方法和矢量扫描方法有何区别。
光刻工艺流程
光刻工艺流程Lithography Process摘要：光刻技术（lithography technology）是指集成电路制造中利用光学—化学反应原理和化学,物理刻蚀法，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.光刻是集成电路工艺中的关键性技术,其构想源自于印刷技术中的照相制版技术。
光刻技术的发展使得图形线宽不断缩小，集成度不断提高,从而使得器件不断缩小,性能也不断提利用高。
还有大面积的均匀曝光,提高了产量，质量,降低了成本。
我们所知的光刻工艺的流程为：涂胶→前烘→曝光→显影→坚膜→刻蚀→去胶.Abstract：Lithography technology is the manufacture of integrated circuits using optical — chemical reaction principle and chemical， physical etching method, the circuit pattern is transferred to the single crystal surface or the dielectric layer to form an effective graphics window or function graphics technology。
Lithography is the key technology in integrated circuit technology， the idea originated in printing technology in the photo lithographic process。
Development of lithography technology makes graphics width shrinking, integration continues to improve， so that the devices continue to shrink， the performance is also rising.There are even a large area of exposure， improve the yield, quality and reduce costs。
光刻工艺简要流程介绍
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蒸汽淀积，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。
半导体工艺与制造技术习题答案(第五章)
第五章图形转移1.典型的光刻工艺主要有哪几步？简述各步骤的作用。
涂胶：在衬底上涂布一层光刻胶前烘：蒸发光刻胶中的溶剂对准：保证图形与硅片上已经存在的图形之间的对准曝光：使光刻胶产生化学反应而变性曝光后烘烤：减少驻波效应；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。
显影：显影液溶剂溶解掉光刻胶中软化部分，将图形从掩膜版转移到光刻胶上坚膜：完全蒸发掉光刻胶里面的溶剂，提高光刻胶在离子注入或刻蚀中保护下表面的能力，进一步增强光刻胶与硅片表面之间的粘附性，减少驻波效应显影检查：检查图形是否对准，临界尺寸及表面是否良好2.光刻对准标记中RA，GA，FA分别是什么？它们有什么用？投影机-掩膜版对准标记（Retical Alignment,RA）在投影掩膜版的左右两侧，与安装在步进机机身上的对准标记对准。
整场对准标记（Global Alignment,GA）在第一次曝光时被光刻在硅片左右两边，被用于每个硅片的粗对准。
精对准标记（Fine Alignment,FA）每个场曝光时被光刻，用于每个硅片曝光场和投影掩膜版的对准调节。
3.什么是光刻胶的对比度？它对曝光图形产生什么样的影响？光刻胶的对比度（）是对光刻胶完全曝光所需要的最小剂量和光刻胶不发生曝光效果所允许的最大剂量比例的函数，表征的是曝光并显影后从曝光区域到非曝光区域的图形侧壁陡峭程度。
对比度越大，显影后光刻胶侧壁越陡峭，图形越明晰。
4.什么是光刻中常见的表面反射和驻波效应？如何解决？穿过光刻胶的光会从晶圆片表面反射出来，从而改变投入光刻胶的光学能量。
当晶圆片表面有高度差时，表面反射会导致线条缺失，无法控制图形，这就是表面反射和驻波效应。
解决方法：改变沉积速率以控制薄膜的反射率；避免薄膜表面高度差，表面平坦化处理（CMP）；光刻胶下涂覆抗反射的聚合物（Anti-reflect coating,ARC）5.简述电子束光刻的光栅扫描方法和矢量扫描方法有何区别。
光刻工艺资料整理
光刻工艺资料整理上一篇/ 下一篇 2007-12-10 20:10:25 / 个人分类：光刻查看( 121 ) / 评论( 0 ) / 评分( 0 / 0 )光刻工艺资料整理概述：光刻技术是集成电路的关键技术之一，在整个产品制造中是重要的经济影响因子，光刻成本占据了整个制造成本的35％。
光刻也是决定集成电路按照摩尔定律发展的一个重要原因，如果没有光刻技术的进步，集成电路就不可能从微米进入深亚微米再进入纳米时代。
所以说光刻系统的先进程度也就决定了光刻工程的高低。
1.光刻工艺简介光刻是通过一系列生产步骤将晶圆表面薄膜的特定部分除去的工艺。
在此之后，晶圆表面会留下带有微图形结构的薄膜，被除去的部分可能形状是薄膜内的孔或是残留的岛状部分。
光刻工艺也被称为大家熟知的Photomasking, masking, photolithography, 或microlithography。
在晶圆的制造过程中，晶体三极管、二极管、电容、电阻和金属层的各种物理部件在晶圆表面或表层内构成。
这些部件是每次在一个掩膜层上生成的，并且结合生成薄膜及去除特定部分，通过光刻工艺过程，最终在晶圆上保留特征图形的部分。
光刻生产的目标是根据电路设计的要求，生成尺寸精确的特征图形，并且在晶圆表面的位置正确且与其它部件（parts）的关联正确。
光刻是所有四个基本工艺中最关键的。
光刻确定了器件的关键尺寸。
光刻过程中的错误可造成图形歪曲或套准不好，最终可转化为对器件的电特性产生影响。
图形的错位也会导致类似的不良结果。
光刻工艺中的另一个问题是缺陷。
光刻是高科技版本的照相术，只不过是在难以置信的微小尺寸下完成。
在制程中的污染物会造成缺陷。
事实上由于光刻在晶圆生产过程中要完成5层至20层或更多，所以污染问题将会放大。
光刻工艺过程包括有：涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜、腐蚀、去胶等。
课程内容：1 光刻前的准备工作1.1 准备要求1.2 准备方法1.2.1 光刻前待光刻片子置于干燥塔中1.2.2 氧化片出炉后可立即送光刻工序涂胶1.2.3 对氧化片可在涂胶前重吹段时间干氧（氧化温度）1.2.4 涂胶前片子置于80度烘箱中烘30分钟2 涂胶2.1 涂胶的要求2.2 涂胶的方法2.2.1 旋转涂胶法2.2.2 喷涂法2.2.3 浸涂法3 前烘3.1 前烘要求3.2 前烘的方法3.2.1 在80度烘箱中烘15分钟-20分钟3.2.2 在红外烘箱中烘3分钟-5分钟4 曝光4.1 曝光的要求4.2 曝光的方法5 显影5.1 显影的要求5.2 显影的方法6 坚膜6.1 坚膜的要求6.2 坚膜的方法6.2.1 置于恒温箱中，在180度烘30 分钟左右6.2.2 置于红外烘箱中烘10分钟左右7 腐蚀7.1 腐蚀的要求7.2 腐蚀的方法7.2.1 腐蚀二氧化硅的方法7.2.2 腐蚀铝电极的方法8 去胶8.1 去胶的要求8.2 去胶的方法课程重点：本节介绍了光刻工艺及对各光刻工艺步骤的要求。
光刻与刻蚀工艺
等离子刻蚀广泛应用于微电子、纳米科技、光电子等领域，用于 制造集成电路、微机械器件和光电器件等。
特点
等离子刻蚀具有高精度、高选择性和高效率等特点，但同时也具有 设备昂贵、维护成本高等问题。
反应离子刻蚀（RIE）
原理
反应离子刻蚀是通过将气体分子电离产生离子，然后利用离子与材料表面相互作用来去除 材料表面的涂层或氧化层。同时，反应离子刻蚀过程中还会发生化学反应，使得刻蚀更加 深入。
要点二
损伤控制
是指在刻蚀过程中避免对材料产生损伤。对于某些特殊 材料，如脆性材料，损伤控制尤为重要。如果刻蚀过程 中产生过多损伤，可能会导致材料性能下降甚至破裂。
感谢您的观看
THANKS
随着半导体技术的发展，光刻工艺对于提高芯片性能、降低 成本、推动科技创新等方面具有重要作用。
02
光刻工艺的类型
接触式光刻
直接接触
掩膜板直接与光刻胶接触，优点是简单、高效，缺点是容易造成掩膜板损伤 和光刻胶涂层的污染。
烘烤式接触
光刻胶涂层在掩膜板下进行烘烤，优点是改善了光刻胶的流动性，提高了图 像质量，缺点是操作复杂。
刻蚀速率
指的是材料被刻蚀的速度，通常以单位时 间内被刻蚀材料的厚度来衡量。刻蚀速率 快，则能在较短的时间内完成大面积的材 料刻蚀，提高生产效率。
选择比
指的是不同材料被刻蚀的速度之比。选择 比高，意味着对某些材料的刻蚀速度远高 于其他材料，因此在刻蚀过程中能更好地 保护某些材料不被过度刻蚀。
刻蚀均匀性
刻蚀工艺的基本步骤
1 2
准备样品
将待刻蚀的基底样品进行必要的处理，如清洗 、干燥等。
选择合适的刻蚀气体
根据待刻蚀的基底材料选择合适的刻蚀气体。
光刻工艺---精品管理资料
光刻工艺一、提示:光刻工艺是集成电路制造中最关键的工艺之一。
光刻是一种复印图像和化学腐蚀相结合的综合性技术.光刻的本质是把临时电路结构复制到以后要进行刻蚀和掺杂的晶圆上。
这些结构首先以图形形式制作在被称为光刻掩膜版的石英膜版上,光刻工艺首先将事先做好的光刻掩膜版上的图形精确地、重复地转移到涂有光刻胶的待腐蚀层上，然后利用光刻胶的选择性保护作用，对需腐蚀图形层进行选择性化学腐蚀，从而在表面形成与光刻版相同或相反的图层.二、概要：光刻实际是将图形转移到一个平面的任一复制过程.本章先介绍了光刻的概念，接着介绍了光刻工艺的基本步骤，并相继介绍了光刻过程中的必备的两种材料，即掩膜版和光刻胶,然后对多种光刻设备做了简要介绍。
本章需重点掌握光刻工艺、光刻胶及光刻设备等.三、关键知识:光刻的概念：光刻处于晶圆加工过程的中心,一般认为是集成电路（IC)制造中最关键的步骤,需要高性能以便结合其他工艺获得高成品率。
光刻过程实际是图形由掩膜版转移到晶圆表面的过程。
光刻工艺的基本步骤:光刻工艺是一个复杂的过程，其中有很多影响其工艺宽容度的工艺变量。
为了方便起见，这里将光刻工艺分成8个基本操作：气相成底膜、旋转涂胶、软烘（前烘）、曝光、烘焙、显影、坚膜(后烘)、显影检查.光刻胶的分类：光刻包括两个基本的工艺类型，即正性光刻和负性光刻,因此用于光刻的光刻胶也有正胶和负胶之分。
正性光刻是把与掩膜版上相同的图形复制到晶圆上，负性光刻是把与掩膜版上图形的相反图形复制到晶圆表面.光刻设备：从早期的晶圆制造以来，光刻设备经历了几代的发展，每一代又以当时获得的特征尺寸分辨率所需的设备类型为基础。
主要的光刻设备认为以下五代:接触式光刻机、接近式光刻机、扫描投影光刻机、分步重复光刻机和步进扫描光刻机。
四、重点讲解：1、光刻的主要参数:（1）特征尺寸：一般是指MOS管的最小栅长，减小特征尺寸可以在单个晶圆上布局更多的芯片。
光刻技术决定了在晶圆上的特征尺寸数值.(2）分辨率:是指将晶圆上两个邻近的特征图形区分开来的能力.焦深是光焦点周围的一个范围，在这个范围内图像连续地保持清晰。
光刻工艺介绍
光刻工艺原理
将电路图案转移到晶元上 为了将电路图案转移到晶片上，将光罩暴露在光 下。通过使用缩小透镜聚焦光，甚至可以转移更 精细的电路图案。电路图中的线越窄，可传输的 半导体元件数量越多，因此芯片的性能和功能也 就越高
当暴露在光下时，光刻胶会 发生变化，并且使用显影溶 液去除暴露部分，这样电路 图案就转移到了晶元上
负胶：曝光后显影时没有曝光部分被溶解，而曝光的 部分被留下来——聚乙烯醇肉桂酸酯和聚乙烯氧乙基肉 桂酸酯
光刻胶对大部分可见光敏感，但对黄光不敏感
光刻三要素
光刻胶主要成分
1.树脂(聚合物)：光照不发生反应，保证光刻胶的附着性和抗腐 蚀性，决定光刻胶薄膜的膜厚，弹性和热稳定性。
2.光敏剂(PAC)：受光辐照后发生化学反应，如果聚合物中不添 加光敏剂，那么他对光的敏感性差，而且光谱范围较宽，添加特 定的光敏剂后，可以增加感光灵敏度，而且限制反应光的光谱范 围，或者把反应光限制在某一特定的波长。
3.溶剂：使光刻胶在涂到晶元表面之前保持液态，添加溶剂的目 的是使光刻胶处于液态，以便光刻胶能够通过旋转的方式涂在晶 元表面
光刻三要素 掩膜版（光罩）
掩膜版上的图形代表一层IC设计，将 综合的布局图按照工艺分成各层掩膜
版，如隔离区为一层，栅极区为另一 层等，这些掩膜版的组合就是一组IC 工艺流程
光刻三要素
普通光源
波长范围大，图形边缘衍射现象严 重，满足不了特征尺寸的要求
晶元生产曝光光源
光刻机种类
光学
接触式 投影式
非光学
X射线 电子束
短波长（波长越短可曝光的特征尺寸越小）
高强度（为了保持合适的曝光时间）
高稳定性
光刻三要素
光刻机——曝光光源
(第五章)光刻工艺
典型高压汞灯的发射光谱
Intensity (a.u)
Deep UV (<260)
I-line (365)
G-line (436)
H-line (405)
300
400
500
600
Wavelength (nm)
光刻光源
汞灯 准分子激光
氟激光
名称
G-line H-line
I-line XeF
XeCl
KrF (DUV) ArF F2
不完全显影 PR
Substrate 过显影
Litho process-Auto ADI
Array Misplacement on first layer Wrong Reticle (RV option)
Example Viper defect clips
p
Hot Plate Track Robot
5.2 光刻工艺步骤及原理
光刻工艺的八个基本步骤
一、气相成底膜 二、旋转涂胶 三、软烘 四、对准和曝光 五、曝光后烘培〔PEB 六、显影 七、坚膜烘培 八、显影检查
光刻工艺的八个基本步骤 涂胶
曝光
显影
检查
一、气相成底膜
工艺目的：增加光刻胶与硅片的粘附性. 工艺过程： 1. 在气相成底膜之前,硅片要进行化学清洗、甩
Wafer
PR
EBR
Drain
SSoollvveenntt
分滴
Chuck
PPRR ssuucckk bbaacckkExPnnohRozazzduzlilsesetpenser
Vacuum
WWaaffeerr
旋转铺开 旋转甩掉 溶剂挥发 去除边圈
光刻的工艺
光刻的工艺
光刻工艺是一种重要的微细加工技术，通常用于制造集成电路和微纳米器件。
下面是光刻工艺的一般步骤：
1. 接收光刻图案设计：根据需要制造的器件，设计图案，并将其转化为数字格式。
2. 芯片表面处理：对芯片表面进行预处理，例如清洗、去除杂质等，以确保光刻的质量。
3. 底片涂覆：将光刻底片（通常为玻璃或石英材料）涂覆在芯片表面，形成光刻胶层。
4. 软对准：使用专用设备将光刻底片和芯片对准，确保图案正确布局。
5. 曝光：使用光刻机器将光刻底片上的图案投射到光刻胶层上。
这通常通过使用紫外线光源，通过掩模和透镜将光照射到芯片的特定区域。
6. 显影：将芯片浸泡在特定的化学液中，将未暴露于光的光刻胶溶解掉，从而形成所需的图案。
这需要控制显影时间和温度以确保正确的图案转移。
7. 清洗：将芯片浸泡在去离子水或其他清洗剂中，去除显影过程中产生的任何
残留物。
8. 检验：检查芯片上的图案是否按照设计要求制造，并进行必要的测量和质量控制。
以上是光刻工艺的一般步骤，具体的工艺参数和步骤可能因应用和芯片制造技术的不同而有所变化。
光刻工艺的优化和控制是集成电路制造中的关键技术之一，对于实现高精度、高性能的微纳米器件具有重要意义。
光刻工艺介绍
光刻⼯艺介绍光刻⼯艺介绍⼀、定义与简介光刻是所有四个基本⼯艺中最关键的，也就是被称为⼤家熟知的photo，lithography，photomasking, masking, 或microlithography。
在晶圆的制造过程中，晶体三极管、⼆极管、电容、电阻和⾦属层的各种物理部件在晶圆表⾯或表层内构成，这些部件是预先做在⼀块或者数块光罩上，并且结合⽣成薄膜，通过光刻⼯艺过程，去除特定部分，最终在晶圆上保留特征图形的部分。
光刻其实就是⾼科技版本的照相术，只不过是在难以置信的微⼩尺⼨下完成，现在先进的硅12英⼨⽣产线已经做到22nm，我们这条线的⽬标6英⼨砷化镓⽚上做到0.11um。
光刻⽣产的⽬标是根据电路设计的要求，⽣成尺⼨精确的特征图形，并且在晶圆表⾯的位置正确且与其它部件的关联正确。
⼆、光刻⼯艺流程介绍光刻与照相类似，其⼯艺流程也类似：实际上，普通光刻⼯艺流程包括下⾯的流程：1)Substrate Pretreatment 即预处理，⽬的是改变晶圆表⾯的性质，使其能和光刻胶（PR）粘连牢固。
主要⽅法就是涂HMDS，在密闭腔体内晶圆下⾯加热到120℃，上⾯⽤喷⼊氮⽓加压的雾状HMDS，使得HMDS和晶圆表⾯的-OH健发⽣反应已除去⽔汽和亲⽔健结构，反应充分后在23℃冷板上降温。
该⽅法效果远⽐传统的热板加热除湿好。
2)Spin coat即旋转涂光刻胶，⽤旋转涂布法能提⾼光刻胶薄膜的均匀性与稳定性。
光刻胶中主要物质有树脂、溶剂、感光剂和其它添加剂，感光剂在光照下会迅速反应。
⼀般设备的稳定⼯作最⾼转速不超过4000rpm，⽽最好的⼯作转速在2000～3000rpm。
3)Soft Bake(Pre-bake)即软烘，⽬的是除去光刻胶中溶剂。
⼀般是在90℃的热板中完成。
4)Exposure即曝光，这也是光刻⼯艺中最为重要的⼀步，就是⽤紫外线把光罩上的图形成像到晶圆表⾯，从⽽把光罩上⾯的图形转移到晶圆表⾯上的光刻胶中。
光刻工艺流程
光刻⼯艺流程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。
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Vacuum
微波烘箱
四、对准和曝光
工艺目的： 对准和曝光是将掩膜板上的图形通过镜头由紫外 光传递到涂有光刻胶的硅片上, 形成光敏感物质的 空间精确分布，从而实现精确的图形转移。
对准——同轴和离轴对准系统
曝光
对准标记
对准标记
1. 投影掩膜版的对位标记(RA) ：在版的左右两 侧， RA与步进光刻机上的基准标记对准 2. 整场对准标记(GA):第一次曝光时被光刻在硅 片左右两边，用于每个硅片的粗对准 3. 精对准标记(FA)：每个场曝光时被光刻的，用 于每个硅片曝光场和投影掩膜版的对准
传统负性I线光刻胶
1. 树脂是悬浮于溶剂中的聚异戊二烯橡胶聚合物 2. 曝光使光敏感光剂释放出氮气 3. 释放出的氮气产生自由基 4. 自由基通过交联橡胶聚合物（不溶于显影液）使光刻胶聚合
深紫外（DUV）光刻胶
1. 具有保护团的酚醛树脂使之不溶于显影液 2. 光酸产生剂在曝光时产生酸 3. 曝光区域产生的酸作为催化剂，在曝光后热烘过程中移除树脂保护团 4. 不含保护团的光刻胶曝光区域溶解于以水为主要成分的显影液
数值孔径在成像中的作用
分辨率（R） 将硅片上两个相邻的关键尺寸图形区分开的能力。
R k
NA
k为工艺因子，范围是0.6～0.8， λ为光源的波长， NA为曝光系统的数值孔径
要提高曝光系统的分辨率即减小关键尺寸，就要 降低光源的波长λ 。
焦深（DOF） 是焦点上下的一个范围，在这个范围内图像连 续保持清晰。焦深也就是景深，集成电路光刻 中的景深很小，一般在1.0μm左右或更小。
未正确套刻情形
放大
缩小
旋转
X轴方向偏移
Y轴方向偏移
曝光场
驻波与抗反射涂层 当光刻胶下面的底层是反光的衬底（如金属和多 晶），光线将从衬底反射并可能损害临近未曝光 的光刻胶，这种反射现象会造成反射切入。在反 光衬底上增加一层抗反射涂层（如TiN）可消除反 射切入和驻波现象。
底部抗反射涂层(BARC)
光学介质镜
复眼透镜均匀照明系统
第一排复眼透镜 将光源形成多个光 源像进行照明；
第二排复眼透 镜的每个小透镜将 第一排复眼透镜对 应的小透镜重叠成 像于照明面上。
光的衍射
数值孔径（NA） 透镜能够把一些衍射光会聚到一点成像，把 透镜收集衍射光的能力称为透镜的数值孔径。
透镜半径
NA (n)Sinqm (n) 透镜焦长 n为图像介质的折射率，θm为主光轴和透镜 边缘线夹角。透镜半径越大数值孔径越大成 像效果越好。
典型高压汞灯的发射光谱
Intensity (a.u)
Deep UV (<260)
I-line (365)
G-line (436)
H-line (405)
300
400
500
600
Wavelength (nm)
光刻光源
汞灯 准分子激光
氟激光
名称
G-line H-line
I-line XeF
XeCl
KrF (DUV) ArF F2
PR Substrate
正确显影 PR
Substrate 显影不足
PR Substrate
不完全显影 PR
Substrate 过显影
Litho process-Auto ADI
Array Misplacement on first layer Wrong Reticle (RV option)
Example Viper defect clips
光刻是集成电路制造的关键工艺
一、光刻技术的特点
产生特征尺寸的关键工艺； 复印图像和化学作用相结合的综合性技术； 光刻与芯片的价格和性能密切相关，光刻成本占
整个芯片制造成本的1/3。
二、光刻三个基本条件
掩膜版 光刻胶 光刻机
掩膜版（Reticle或Mask）的材质有玻璃 版和石英版，亚微米技术都用石英版，是 因为石英版的透光性好、热膨胀系数低。 版上不透光的图形是金属铬膜。
四甲基氢氧化铵 二甲苯
TMAH
Xylene
去离子水 DI water
醋酸正丁酯 n-Butylacetate
七、坚膜烘培
工艺目的： 使存留的光刻胶溶剂彻底挥发，提高光刻胶的粘 附性和抗蚀性。这一步是稳固光刻胶，对下一步 的刻蚀或离子注入过程非常重要。
八、显影检查
工艺目的： 1.找出光刻胶有质量问题的硅片 2.描述光刻胶工艺性能以满足规范要求
工艺过程：
1.上掩膜版、硅片传送 2. 掩膜版对准（ RA ）（掩膜版标记与光刻机基准
进行激光自动对准）
3. 硅片粗对准（ GA ）（掩膜版与硅片两边的标记 进行激光自动对准）
4. 硅片精对准（ FA ）（掩膜版与硅片图形区域的 标记进行激光自动对准）
经过8次的对准和曝光，形成了CMOS器件结构
Mask
Reticle
传统相机底片
光刻三个基本条件——光刻胶PR(PhotoResist)
正性光刻胶
硅片上图形与掩膜版一样 曝光区域发生光学分解反应，在显影液中软化
溶解而去除掉
未曝光区域显影后保留
负性光刻胶 硅片Fra bibliotek图形与掩膜版相反 曝光区域发生光学交联反应硬化，在显影液中
DOF 2( NA) 2
分辨率和焦深的关系
套准精度
掩膜版上的图形与硅片上的图形的对准程度。 按照光刻的要求版上的图形与片上图形要精确 对准。套准精度也是光刻中一个重要的性能指 标。套准精度一般是关键尺寸的1/4 ~ 1/3。
通过对不同层次之间的千分尺结构套刻记号的 位置误差或来测定套准精度。
p
Hot Plate Track Robot
Spin Station 光刻机
Developer Hot Plate Track dispenser
思考题：
如果使用了不正确型号的光刻胶进行光刻 会出现什么情况？
5.3 光学光刻
光学光刻是不断缩小芯片特征尺寸的主要限制因 素。 光源 光的能量能满足激活光刻胶，成功实现图形转移 的要求。光刻典型的曝光光源是紫外（UV ultraviolet）光源以及深紫外（DUV）光源、极 紫外（EUV）光源。 1.高压汞灯 2.准分子激光
顶部抗反射涂层(TARC)
5.4 光刻设备
一、光刻机分类
按照曝光进行方式分为： 掩蔽式(shadow printing)：接触式(Contact)，接 近式(Proximity) 投影式(projection printing)：扫描式(Scan)，步 进式(Stepping)，步进-扫描式(Step and Scan)
CChhuucckk SSppiinnddllee
TToo vvaaccuuuumm pppuuummmppp
丙烯乙二醇一甲胺以太醋酸盐PGMEA 乙烯乙二醇一甲胺以太醋酸盐EGMEA
光刻胶作用： 1. 将掩膜版图案转移到硅片表面顶层的光刻胶中； 2. 在后续工艺中，保护下面的材料（例如刻蚀或 离子注入阻挡层）
工艺宽容度，工艺发生一定变化时，在规定范 围内仍能达到关键尺寸要求的能力。
5.2 光刻工艺步骤及原理
光刻工艺的八个基本步骤
一、气相成底膜 二、旋转涂胶 三、软烘 四、对准和曝光 五、曝光后烘培（PEB） 六、显影 七、坚膜烘培 八、显影检查
光刻工艺的八个基本步骤 涂胶
曝光
显影
检查
一、气相成底膜
Developer puddle
Wafer Form puddle
Spin spray
Spin rinse and dry
经曝光的正胶逐层溶解，中和反应只在光 刻胶表面进行。
非曝光区的负胶在显影液中首先形成凝胶 体，然后再分解，这就使整个负胶层被显影液 浸透而膨胀变形。
显影液 漂洗液
正性光刻胶 负性光刻胶
五、曝光后烘培（PEB）
工艺目的：使得曝光后的光敏感物质在光刻胶内 部进行一定的扩散，可以有效地防止产生驻波效 应。 对DUV深紫外光刻胶，曝光后烘焙提供了酸扩散 和放大的热量，烘焙后由于酸致催化显著的化学 变化使曝光区域图形呈现。
入射光和反射光发生干涉并引起光刻胶在厚度方 向上的不均匀曝光，这种现象称为驻波效应。驻 波效应降低了光刻胶成像的分辨率。深紫外光刻 胶由于反射严重驻波效应严重。
不可溶解而保留
未曝光区域显影后溶解
正性光刻胶 负性光刻胶
传统胶片相机正片 传统胶片相机负片
光刻三个基本条件——光刻机
光刻机
传统相片放大机
三、光刻技术要求 光源
分辨率，是将硅片上两个相邻的特征尺寸图形 区分开的能力。
套准精度，掩膜版上的图形与硅片上的图形的 对准程度。按照光刻的要求版上的图形与片上 图形要精确对准。
波长 (nm)
436 405
365 351
308
248 193 157
CD分辨率 (um)
0.50
0.35 to 0.25
0.25 to 0.15 0.18 to 0.13 0.13 to 0.1
光学系统
掩蔽组件 聚光透镜
目镜
平面反光镜
反光镜 聚光透镜 反光镜 准直透镜
滤光片 快门 汞灯
灯监视器
第五章 光刻
学习目标：
光刻基本概念 负性和正性光刻胶差别 光刻的8个基本步骤 光刻光学系统 光刻中对准和曝光的目的 光刻特征参数的定义及计算方法 五代光刻设备
5.1 引言
光刻是把掩膜版上的电路图形超精确地转移到涂 覆在硅片上的光刻胶膜上，为后续刻蚀或离子注 入提供掩蔽膜，以完成图形的最终转移的工艺过 程。
工艺过程： 1.分滴 2.旋转铺开 3.旋转甩掉 4.溶剂挥发 5.去除边圈