第八章光刻8

曝光时产生的光学现象

2、反射问题：主要是反射切口和驻波
在刻蚀形成的 垂直侧墙表面， 反射光到不需 要的曝光的光 刻胶中就会形 成反射切口， 它对线宽 的控 制产生不利因 素
驻波效应


曝光光波在进入到光刻胶之后，如 果没有完全被吸收，就会有一部分光 波穿过光刻胶达到衬底表面，这一部 分光波在衬底表面被反射之后，又回 到光刻胶中。这样，反射光波与光刻 胶中的入射光波发生干涉，从而形成 驻波。 光刻胶在曝光中的驻波现象表现为 在光刻胶中形成强弱相间的曝光区域。
8.3 光刻胶的基本属性(微粒数 量和金属含量)

光刻胶的纯净度与光刻胶中的微 粒数量和金属含量有关。
8.4 多层光刻工艺



减小光刻胶的厚度可以提高分辨率，但 又需要有足够的厚度保护光刻胶下面的 图形，同时还需克服由于各处光刻胶厚 度不均匀所引起的线宽差异。 而只考虑形成清晰的线条还是不够的， 曝光后的光刻胶图形还需要有足够的致 密度以满足其后的工艺条件要求（干法 刻蚀和离子注入） 为了得到即薄而又致密的光刻胶层，在 成像工艺中采用多层光刻胶技术 采用多层光刻胶技术，利用性质不同的 多层光刻胶，满足抗蚀性、平坦化等各 种要求。
双层光刻胶工艺


顶层光刻胶经过曝光和显影形成曝光 图形，并在作为刻蚀掩蔽膜。底层用 来形成平坦化平面，需奥通过干法刻 蚀去掉。 在某些光刻胶工艺中，需要在顶层光 刻胶中加入硅，当底层光刻胶在氧气 氛中进行等离子刻蚀时，顶层光刻胶 中的硅与氧反应生成SiO2。这样，顶 层的光刻胶就不再被氧等离子刻蚀， 起到了一个硬保护层的作用。

热稳定性：要能承受200℃以上 的温度,光刻胶不发生热交联.
8.3 光刻胶的基本属性(黏附力)
黏附力是指光刻胶与衬底的黏附程度。 在刻蚀过程中，黏附不牢将发生钻蚀和 浮胶，直接影响光刻的质量，甚至图形 的消失。 影响因素：衬底材料的性质、表面图形 情况、工艺条件 以SiO2为例


正胶与负胶的比较


从光刻技术的发明到20世纪70年代中 期，负胶一直在光刻工艺中占主导地 位，随着VLSI集成电路发展和2µm到 5µm图形尺寸的出现使负胶的分辨率 变得吃紧。 正胶存在了20年，但它的缺点是黏附 性差，优点是分辨率高，它们良好的 分辨率和防止针孔能力在那时也并不 是很重要，所以一直没有引起人们的 重视。直到20世纪80年代，正胶逐渐 被接受。
8.3 光刻胶的基本属性(溶解度 和黏滞度)


光刻胶由溶剂溶解了固态物质所 形成的液体，其中溶解的固态物 质所占的比重为溶解度 溶解度决定甩胶后所形成的光刻 胶的厚度以及光刻胶的流动性。

黏滞度是影响光刻胶膜厚的因素之一 光刻胶越浓，它的粘度就越大(即 越稠)在相同涂胶条件下所得到的胶 膜就越厚；反之，则粘度小，胶膜薄。 可以通过改变胶液的浓度来调节胶 的粘度，进而控制胶膜厚度。例如光 刻细小图形时，为了提高分辨率，胶 层必须相对地薄些，故必须采用浓度 较稀的胶液

光刻胶的对比度越高，光刻胶层 的侧面越陡
8.3 光刻胶的基本属性（膨胀）

在显影过程中，如果显影液进入 光刻胶中，光刻胶发生膨胀，将 导致图形尺寸发生变化，主要发 生在负胶中。
8.3 光刻胶的基本属性（光敏度）




光敏度是一个表征光刻胶对光敏感 度的性能指标。是指完成所需图形 曝光的最小曝光量 光敏度不同，表示它对光的敏感度 不同即光化学反应所需的曝光量不 同。 正胶的光敏度大，曝光效果好 提高光敏度可以减小曝光时间
第八章 光刻与刻蚀工艺

光刻是集成电路工艺中的关键性技 术，由于光刻技术的不断更新，推 动了ULSI的高速发展。


1958年，光刻技术的发明，研制 成功平面晶体管，推动了集成电 路的发明。 由1959年集成电路发明至今的40 多年里，集成电路的集成度不断 提高，器件的特征尺寸不断减小。 这个时期中，集成电路图形的线 宽缩小了4个数量级，集成度提 高了6个数量级，这一切都归功 于光刻技术的进步。
准分子激光（紫外光源）
曝光时产生的光学现象


1、衍射现象：当光穿过一个小 孔或经过一个轮廓分明的边缘时， 发生衍射现象。 解决： 减小曝光的波长 通过透镜俘获衍射光
透镜俘获衍射光
光刻机和光刻胶的分辨能力主要 是由曝光的波长决定的，曝光的波长 越短，分辨率越高，这主要是由于光 的衍射现象的存在，波长越长衍射现 象越严重，成为曝光系统分辨率的限 制条件。


图8.10
8.4 曝光


紫外光学：汞灯、准分子激光 非光学： X射线、电子束 曝光源的选择主要是根据光刻 胶的光谱响应范围和所需达到的 特征图形尺寸决定的。
深紫外DUV 248nm 真空紫外VUV 157nm 极紫外EUV 13nm
193nm
光学曝光源：汞灯
曝Baidu Nhomakorabea时光刻胶与特定的UV波长 有相应的特定光谱响应
正胶与负胶的比较
参数 负胶 纵横比(分辨率) 黏结力 更好 针孔数量 阶梯覆盖度 成本 显影剂 有机溶剂
丙酮 丁酮
正胶 更高 更少 更好 更高 水溶性溶剂
碱性
光刻去除剂 曝光 速度
容易 更快5~15s 3~4倍的时间
光刻胶的组成（正胶）

光刻胶是由感光剂、溶剂和聚合物(树脂) 所组成。 感光剂是一种对光敏感的高分子化合物， 当它受适当波长的光照射之后，就能吸收 一定波长的光能量，发生交联，聚合成分 解等光化学反应，使光刻胶改变性质。 溶剂是使光刻胶在涂到硅片表面之前保持 为液态。 聚合物(树脂)在光照时，不发生化学反应， 其主要作用是保证光刻胶薄膜的附着性和 抗腐蚀性。
硅烷基化光刻胶表面成像工艺 图8.10

为了减少多层光刻工艺的复杂性， 通过对光刻胶所形成的图形进行 选择性的硅基烷化（硅扩散到成 像层中），从而使光刻胶顶层的 成像层和底层分离，这种选择性 的将硅扩散到成像层中的方法称 为扩散增强硅烷基化光刻胶工艺
扩散增强硅烷基化光刻胶工艺

步骤：
光刻胶经过曝光之后，在光刻胶上 形成隐性图形 对光刻胶进行前烘，使未曝光的光 刻胶形成交叉链接 在光刻胶上形成硅基烷化的图形， 干法刻蚀光刻胶，在光刻胶上形成 图形
8.3 光刻胶的基本属性（抗蚀 能力和热稳定性）

光刻胶的抗蚀能力是指在图形转移的过程中， 光刻胶抵抗刻(腐)蚀的能力。通常光刻胶对湿 法腐蚀有比较好的抗腐蚀能力。对于干法刻蚀， 大部分光刻胶的抗腐蚀能力较差。

要求光刻胶对酸，碱化学腐蚀液具有很好 的抗蚀能力。利用光刻胶的保护作用，进行选
择性化学腐蚀。 对负性光刻胶要求其在30℃以上的环境温 度中，能够经受较长时间的酸，碱腐蚀的浸蚀。 实际上对光刻胶（包括光刻胶薄膜）只有在针 孔密度小，及其粘附性能好的情况下，才可能 有好的抗蚀能力。
5 坚膜
6 腐蚀 7 去胶
光刻的工艺流程

1涂胶：是在Si片或其它薄膜表面， 涂上一层粘附良好，厚度适当，均 匀的光刻胶膜。 脱水烘焙 方法：旋转法 步骤：喷胶——加速——保持
前烘：



是使胶膜体内溶剂充分地挥发，使胶 膜干燥以增加胶膜与SiO2膜（或金属 膜）的粘附性和胶膜的耐磨性，即在 曝光对准时允许胶膜与掩模版有一定 紧贴而不磨损胶膜，不沾污掩模版； 同时，只有光刻胶干燥，在曝光时才 能充分进行光化学反应。 严格控制时间和温度 条件：80℃ 20min
平整，致密，清洁，干燥的SiO2表面利于 光刻胶的粘附。 湿氧氧化生长的SiO2,表面有硅烷醇(Si-OH) 所以吸水性很强，影响光刻胶的粘附。 含有高浓度P的SiO2表面，使光刻胶粘附 变差,在P扩散后进行光刻时容易出现浮胶 或钻蚀。

增强黏附方法：对硅片进行脱水处理、 使用增黏剂、提高坚膜的温度
驻波表证入射光 和反射光之间的 干涉，这种干涉 将引起随光刻胶 厚度变化的不均 匀曝光

负胶的特点：由可溶性转变为不 可溶性即是原来的胶膜可被某些 溶剂溶解，当受到适当波长的光 照后发生聚合反应，硬化成为不 可溶解的物质。

因此采用负胶进行光刻时，在衬 底表面将得到与掩模板遮光图案 完全相反的保护胶层。负胶时必 须采用负版（版子上的图案与光 刻后衬底的表面腐蚀出来的图案 相反） 。

腐蚀:

就是用适当的腐蚀剂，对未被 胶膜覆盖的SiO2或其它薄膜进行 腐蚀，按照光刻胶膜上已显示出 来的图形，完整、清晰、准确地 腐蚀，供选择性扩散或达到金属 布线的目的。它是影响光刻精度 的重要环节。
去胶：



把覆盖在图形表面的光刻胶膜从硅 片表面去掉。 包括：干法和湿法去胶 湿法去胶分为有机溶液和无机溶液
高分辨率 高灵敏度的光刻胶 低缺陷 精密的套刻对准 对大尺寸晶片的加工
8.1光刻的工艺流程

在光刻过程中，光刻胶在受到光 辐照之后发生光化学反应，其内 部分子结构发生变化，在显影液 中光刻胶感光与未感光部分的溶 解度速度相差非常大！
8.1光刻的工艺流程
1 涂胶
2 前烘
3 曝光 4 显影
1―基片 ２―光刻胶膜 ３―ＳiO2 ４―掩膜 ５―光刻窗口


分类：正胶和负胶 正胶的感光区在显影时可以溶解掉， 而没有感光的区域在显影时不溶解， 因此所形成的光刻胶图形时掩模版图 形的正映像，因而称为正胶 负胶的感光区在显影时不可以溶解， 而没有感光的区域在显影时溶解，因 此所形成的光刻胶图形时掩模版图形 的负映像，因而称为负胶
掩蔽膜
衬底
因此当采用正胶进行光刻时，可在衬 底表面得到与光刻掩膜板遮光图案完全相 同的保护胶层。 正光刻胶必须采用正版（版式上的图 案与光刻后衬底的表面腐蚀出来的图案相 一致）
曝光：

就是对涂光刻胶的基片进行选择 性的光化学反应，使曝光部分的 光刻胶改变在显影液中的溶解性， 经显影后的光刻胶膜上得到和 “掩模”相对应的图形。
显影：

是把曝光后的基片放在显影液 里，将应去除的光刻胶膜溶除干 净，以获得腐蚀时所需要的抗蚀 剂膜的保护图形。
坚膜:
就是在一定的温度下，将显影后 的片子进行烘焙，除去显影时进 胶膜所吸收的显影液和残留水分， 改善胶膜与基片间粘附性，增强 胶膜的抗蚀能力，以及消除显影 时所引起的图形变形。 条件：200℃ 20min
8.3 光刻胶的基本属性（对比度）


对比度会直接影响到曝光后光刻胶膜 的倾角和线宽 理想的曝光过程中，投到光刻胶层的 辐照区域应该等于掩模版 上的透光图 形区域，在其他区域应该没有辐照能 量。 实际的曝光过程中，由于衍射和散射 的影响，光刻胶中所接受的辐照具有 一定的分布。对于正胶，大于最小曝 光剂量的光刻胶区域，在显影中除掉； 小于最小曝光剂量大于不发生曝光所 允许的最大曝光剂量时，在显影时只 有部分溶解，因此显影后光刻胶的侧 面都有一定的斜坡。



在甩胶和和前烘后，在光刻胶上甩上一层 对比增强层。这层通常是不透明的，但在 投影曝光系统中，不透明对比增强层在强 光的作用下变为透明，光线通过透明的对 比增强层对下面的光刻胶曝光。 在曝光中，不透明的对比增强层可以吸收 衍射光线。 对比增强层直接与光刻胶接触，它的作用 类似接触式曝光中的掩模版，达到接触式 曝光的效果，而不受其限制。 曝光后，通过显影可以去除对比增强层
光刻图形的硅化学增强工艺



采用两层光刻胶，底层是保护衬底图 形，并在起伏的衬底上形成一层平坦 化的光刻胶平面，顶层光刻胶很薄， 用作成像层，分辨率很高 顶层光刻胶含有硅，在刻蚀底层的光 刻胶时，顶层光刻胶中的硅与氧反应 生成SiO2，形成硬保护层的作用。 （图8.8）
对比增强层（图8.9）


光刻技术处于半导体制造技术的 核心，被认为是IC制造中最关键 的步骤。
光刻的目的

光刻的目的就是在二氧化硅或金 属薄膜上面刻蚀出与掩膜版完全 对应的几何图形从而实现选择性 扩散和金属薄膜布线的目的
光刻的定义
光刻是一种复印图像同化学腐蚀相
结合的综合性技术。
ULSI对光刻的基本要求



8.2 分辨率
分辨率R是对光刻工艺中可以达到 的最小光刻图形尺寸的一种描述。 R是表示每mm内能刻蚀出可分辨的 最多线条数。 R定义 R=1/2L（mm-1） L为线宽 分辨率为每mm内包含有多少个 可分辨的线对数 例 线宽和间距均为1μm,R为多少？ 分辨率为500 线对

8.3 光刻胶的基本属性