光刻与刻蚀工艺流程

曝光部分可以溶解在显影液中
正影（光刻胶图形与掩膜图形相同） 更高分辨率（无膨胀现象） 在IC制造应用更为普遍



Jincheng Zhang
对光刻胶的要求

高分辨率
– Thinner PR film has higher the resolution – Thinner PR film, the lower the etching and ion implantation resistance

显影
Jincheng Zhang
显影后剖面
正常显影
不完全显影
欠显影
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过显影
光刻9－坚膜（Hard Bake）
蒸发PR中所有有机溶剂
提高刻蚀和注入的抵抗力 提高光刻胶和表面的黏附性 聚合和使得PR更加稳定 PR流动填充针孔

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10、图形检测 Pattern Inspection
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光刻1－硅片清洗
目的 --去除污染物、颗粒 --减少针孔和其它缺陷 --提高光刻胶黏附性 基本步骤 – 化学清洗 – 漂洗 – 烘干

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光刻2－预烘

脱水烘焙--去除圆片表面的潮气 增强光刻胶与表面的黏附性
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5&6、Alignment and Exposure

Most critical process for IC fabrication Most expensive tool (stepper) in an IC fab. Most challenging technology Determines the minimum feature size Currently 0.13 μm and pushing to 0.09 or 0.065 μm
下一代光刻Next Generation Lithography (NGL)

超紫外Extreme UV (EUV) lithography X射线X-Ray lithography 电子束Electron beam (E-beam) lithography
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EUV 超紫外
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光刻4－前烘
①作用：促进胶膜内溶剂充分挥发，使胶膜干燥； 增加胶膜与SiO2 （Al膜等）的粘附性及耐磨 性。 ②影响因素：温度，时间。 烘焙不足（温度太低或时间太短）－显影时易浮胶， 图形易变形。 烘焙时间过长－增感剂挥发，导致曝光时间增长， 甚至显不出图形。 烘焙温度过高－感光剂反应（胶膜硬化）， 不易溶于显影液，导致显影不干净。

过坚膜
－光刻胶流动造成分辨率变差
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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
过坚膜
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光刻10－图形检测（Pattern Inspection）
• 检查发现问题，剥去光刻胶，重新开始
– 光刻胶图形是暂时的 – 刻蚀和离子注入图形是永久的 • 光刻工艺是可以返工的， 刻蚀和注入以后就不能再返工 • 检测手段：SEM（扫描电子显微镜）、光学显微镜

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提高分辨率



提高NA – 更大的凸镜, 可能很昂贵而不实际 – 减小DOF（焦深），会引起制造困难 减小光波长 – 开发新光源, PR和设备 – 波长减小的极限：UV到DUV, 到EUV, 到X-Ray 减小K1 – 相移掩膜（Phase shift mask）
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Photoresist(PR)－光刻胶
光敏性材料
临时性地涂覆在硅片表面 通过曝光转移设计图形到光刻胶上 类似于照相机胶片上涂覆的光敏材料

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Photoresist
Negative Photoresist 负性光刻胶－负胶 曝光后不可溶解 显影时未曝光的被溶解 便宜

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光刻胶厚度与旋转速率和粘性的关系
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滴胶
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光刻胶吸回
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Photoresist Spin Coating
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Photoresist Spin Coating

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投影系统
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步进式曝光机


现代IC制造中最常用的曝光工具 通过曝光缩小掩膜图形以提高分辨率 分辨率：0.25 μm 或更小 设备很昂贵
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步进-&-重复
对准/曝光
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曝光光源
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1、清洗硅片 Wafer Clean
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2、预烘和底膜涂覆 Pre-bake and Primer Vapor
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3、光刻胶涂覆 Photoresist Coating
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4、前烘 Soft Bake
短波长 高亮度（高光强） 稳定
高压汞灯 受激准分子激光器



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驻波效应

入射光与反射光干涉
周期性过曝光和欠曝光 影响光刻分辨率


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光刻胶中的驻波效应
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Biblioteka Baidu
光刻7－曝光后烘焙（后烘，PEB）
机理：光刻胶分子发生热运动，过曝光
图形检测

通过图形检测，即可进入下一步工艺
刻蚀或离子注入

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光刻间全部流程
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未来趋势 Future Trends

更小特征尺寸 Smaller feature size
更高分辨率 Higher resolution 减小波长 Reducing wavelength 采用相移掩膜 Phase-shift mask
和欠曝光的光刻胶分子发生重分布；


作用：平衡驻波效应，提高分辨率。
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PEB减小驻波效应
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光刻8－显影(Development)
显影液溶剂溶解掉光刻胶中软化部分
从掩膜版转移图形到光刻胶上 三个基本步骤: – 显影 – 漂洗 – 干燥
Jincheng Zhang
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图形检测
未对准问题：重叠和错位

- Run-out, Run-in, 掩膜旋转，晶圆旋转，X方向错位，Y 方向错位

临界尺寸Critical dimension (CD)（条宽） 表面不规则：划痕、针孔、瑕疵和污染物
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未对准问题
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接触式曝光
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接近式曝光机
掩膜与圆片表面有5－50μm间距 优点：较长的掩膜寿命 缺点：分辨率低（线宽> 3 um）

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接近式曝光机
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接近式曝光
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投影式曝光机
类似于投影仪 掩膜与晶圆图形 1:1 分辨率：～1 um
Positive Photoresist 正性光刻胶－正胶 曝光后可溶解 显影时曝光的被溶解 高分辨率
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负胶的缺点

聚合物吸收显影液中的溶剂
由于光刻胶膨胀而使分辨率降低 其主溶剂，如二甲苯等会引起环境和安全问题


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正胶 Positive Photoresist
电子束曝光E-Beam

λ＝几十－100Å ；可获得最小尺寸: 14 nm 用于制造掩膜和刻线


可以直写, 不需要掩膜
– 效率很低
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光刻总结



光刻：临时的图形转移过程 IC生长中最关键的工艺 需要：高分辨率、低缺陷密度 光刻胶：正和负 工艺过程：预烘、底胶旋涂、PR旋涂、前烘、对准、 曝光、后烘PEB、显影、坚膜、检测 分辨率R与λ、NA的关系 下一代光刻技术：EUV和电子束光刻



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光衍射
光衍射影响分辨率

衍射光
投射光 强度
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衍射光的减小

波长越短，衍射越弱 光学凸镜能够收集衍射光并增强图像
偏离的折射光
被凸镜收集 的衍射光
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数值孔径（Numerical Aperture：NA）



通常大约100 °C
与底胶涂覆合并进行

底胶广泛使用: Hexamethyldisilazane (HMDS，六甲基
乙硅氮烷)

HMDS的作用：去除SiO2表面的-OH基。
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光刻3－涂胶 Spin Coating
硅圆片放臵在真空卡盘上
高速旋转 液态光刻胶滴在圆片中心 光刻胶以离心力向外扩展 均匀涂覆在圆片表面 设备--光刻胶旋涂机

l = 10 到14 nm
更高分辨率 预期应用 ~ 2010年



0.1 mm 和以下
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X射线光刻（X-ray lithography）

λ＝2-40Å ，软X射线； 类似于接近式曝光机 很难找到纯的 X-ray源


掩膜制造存在挑战
不大可能在生产中使用
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光刻概述 Photolithography
临时性地涂覆光刻胶到硅片上
把设计图形最终转移到硅片上

IC制造中最重要的工艺
占用40 to 50% 芯片制造时间

决定着芯片的最小特征尺寸
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光刻需要

高分辨率 High Resolution
光刻胶高光敏性 High PR Sensitivity 精确对准 Precision Alignment
NA：表示凸镜收集衍射光的能力
NA = 2 r0 / D
– r0 : 凸镜的半径
– D ： 目标（掩膜）与凸镜的距离
NA越大，凸镜收集更多的衍射光，产生更尖
锐的图形
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分辨率 Resolution
表征光刻精度； 定义－光刻时所能得到的光刻图形的最小尺寸。 表示方法：每mm最多可容纳的线条数。若可分辨 的最小线宽为L（线条间隔也L），则 R＝1/(2L) (mm-1) R由曝光系统的光波长λ和数值孔径NA决定， R=K1λ/NA 注：这里的R就是最小线宽L。 K1 为系统常数, λ光波长, NA = 2 r0/D； NA: 凸镜收集衍射光的能力
光刻胶热流动填充针孔
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坚膜（Hard Bake）
热板最为常用
检测后可在烘箱中坚膜

坚膜温度: 100 到130 °C
坚膜时间：1 到2 分钟

坚膜温度通常高于前烘温度
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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
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5、对准 Alignment
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6、曝光Exposure
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7、后烘 Post Exposure Bake
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8、显影 Development
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9、坚膜 Hard Bake


高抗蚀性
好黏附性
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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
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光刻工序
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.

Jincheng Zhang
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对准和曝光设备
接触式曝光机 接近式曝光机 投影式曝光机 步进式曝光机（Stepper）

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接触式曝光机


设备简单 分辨率：可达亚微米 掩膜与圆片直接接触，掩膜寿命有限 微粒污染
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接触式曝光机
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