半导体光刻工艺介绍
半导体光刻工艺介绍
半导体光刻工艺介绍
半导体光刻工艺是半导体制造中最为重要的工序之一。
主要作用是将图形信息从掩模版（也称掩膜版）上保真传输、转印到半导体材料衬底上。
以下是光刻工艺的主要步骤：
硅片清洗烘干：湿法清洗＋去离子水冲洗＋脱水烘焙（热板150～250℃,1～2分钟，氮气保护）。
涂底：气相成底膜的热板涂底。
旋转涂胶：静态涂胶（Static）。
软烘：真空热板，85～120℃,30～60秒。
对准并曝光：光刻机通常采用步进式 (Stepper)或扫描式 (Scanner)等，通过近紫外光 (Near Ultra-Violet，NUV)、中紫外光 (Mid UV，MUV)、深紫外光(Deep UV，DUV)、真空紫外光 (Vacuum UV，VUV)、极短紫外光 (Extreme UV，EUV)、X-光 (X-Ray)等光源对光刻胶进行曝光，使得晶圆内产生电路图案。
后烘：PEB，Post Exposure Baking。
显影：Development。
硬烘：Hard Baking。
光刻工艺的基本原理是利用涂敷在衬底表面的光刻胶的光化学反应作用，记录掩模版上的器件图形，从而实现将集成器件图形从设计转印到衬底的目的。
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。
半导体光刻工艺技术基础
Litho Equipment Litho Chemistry
Pitch = L + S
LS
PR
SiON
FSG
SiN
光刻关键参数
CD 〔Critical Dimension〕: Line Width,Space Width or Hole Diameter of specified designed pattern to monitor photo process condition and resolution capability.
IMD Film
Si Base
PR Developing 52s Puddle ,45s Rinse
IMD Film
Si Base
ADI inspection
Ion Plasma
+++++++
e-
e-
e-
e-
IMD
e-
Si Base
Etching
IMD Film
Si Base
Hard Bake 110 ºC 60 S
Overlay
光刻关键参数
光刻关键参数
Two Criterions: CD v.s. Overlay
1. 光刻胶的组分 2. 光刻胶的种类 3. 光刻胶特性概要
四、光刻胶
光刻胶的组分
光刻胶的组分
光刻胶的组分
光刻胶的组分
光刻胶的种类
光刻胶的种类
光刻胶的种类
光刻胶的种类
半导体光刻工艺流程
半导体光刻工艺流程
半导体光刻是制造半导体元件的关键步骤之一，其工艺流程大致包括：
1. 硅片准备：将硅片清洗干净并进行表面平整化处理。
2. 底片涂覆：将涂覆剂涂覆在硅片上，使其形成一层平整的覆盖层。
3. 硬化：将底片经过紫外光或热处理硬化，使其形成固定的图案形状。
4. 掩膜对准：将掩膜对准底片，以保证图案的精度和准确性。
5. 曝光：将底片暴露在紫外光下，使得未被硬化的部分被光化学反应所影响，形成表面的图案。
6. 显影：将底片进行显影处理，将未受光化学反应影响的部分去除，形成所需的图案形状。
7. 洗涤：将底片进行洗涤处理，将化学物质清洗干净，以保证元件的纯度和质量。
8. 检验与测试：对半导体元件进行检验测试，以保证其符合设计和性能要求。
整个工艺流程需要精密的仪器设备和复杂的程序控制，以确保半导体元件的高质量制造。
详解半导体的光刻工艺全过程
详解半导体的光刻工艺全过程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0.7～3μm；KrF的厚度约0.4～0.9μm；ArF的厚度约0.2～0.5μm。
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）。
半导体制造工艺第章光刻
半导体制造工艺第章光刻光刻是半导体制造工艺中的一个重要步骤。
在半导体芯片制造的过程中，需要将芯片图形化，将设计图案复制到硅片的表面上。
这个步骤就需要光刻技术。
光刻的定义和原理光刻是利用光学系统在硅片表面上生成不同图案的一项技术。
简单来说，就是将持有芯片光掩模的基片放在硅片表面上，并利用紫外线等光源使光掩模的芯片图形投影到硅片表面上，从而完成芯片的形状和结构。
光刻机的主要部分是光源、光学系统，以及涂层沉积和烘烤系统。
硅片表面被涂上光刻胶，并使用紫外线等光源使光刻胶暴露在某些角度上，使辐射透过掩模辐射到涂在硅片表面上的光刻胶。
被照射的部分得到曝光后，经过一定的处理，剩下的部分形成所需的芯片结构。
光刻胶会在这个过程中起到纹路转移的作用，是传统光防蚀工艺及化学机械平整（CMP）处理工艺的重要保护层。
光刻机的类型目前光刻机主要分为：接触式光刻机（Contact）、非接触式光刻机（Non-contact）以及半接触光刻机（Semi-contact）。
根据不同的光掩模和涂层材料，选择不同类型的光刻机可以实现不同的功能需求。
•接触式光刻机接触式光刻机是光刻机的最早类型，利用距离近到可以接触到硅片表面的光掩模，将所需芯片结构投影到硅片表面。
这种方式比较慢，且容易产生挂膜现象，造成芯片质量下降。
但是设计和制造成本相对较低，因此在一些低端应用场景中还在使用。
•非接触式光刻机非接触式光刻机则是直接将掩模和硅片分开一定的距离，利用掩模上的光结构将所需图案投影到硅片表面。
这种光刻机的缺点就是昂贵和对粘附的材料要求更高。
因此，非接触式光刻机主要应用于高端芯片制造行业。
•半接触光刻机半接触光刻机则是将掩模和硅片之间留出一定的距离，既能够保证光防蚀层的不变性，又能够在一些场景下提升芯片制造的速度。
光刻胶的选择与性能光刻胶的选择与性能直接关系到芯片的最终质量。
不同的光刻胶材料对于不同的工艺流程具有不同的优势和劣势。
•碳链长度不同的光刻胶中含有的碳链长度不同，碳链长度决定了光刻胶对于制造工艺中反后效应的抑制效果。
半导体光刻技术原理
半导体光刻技术原理
半导体光刻技术是一种制造集成电路（IC）的关键工艺，其原理
可以概括为以下几个步骤：
1. 光刻胶涂覆：首先，在半导体晶片表面涂覆一层光刻胶，光
刻胶是一种感光聚合物材料。
这一步的目的是将光刻胶涂覆在晶片上，形成一个平整的薄膜。
2. 接触或光刻机对齐：将掩膜（即芯片的图案）和晶片通过接
触方式或光刻机对齐，确保图案准确地投射到光刻胶层上。
3. 曝光：通过强光源，将光刻胶层中未被掩模遮挡的部分进行
曝光，使其变化。
在半导体中，光刻胶中有两种常见的类型：正型光
刻胶和负型光刻胶。
正型光刻胶在曝光后变得难以溶解，而负型光刻
胶在曝光后变得容易溶解。
4. 显影：将已曝光的光刻胶表面进行显影处理。
对正型光刻胶
来说，通过显影剂将未曝光区域的光刻胶去除，暴露出底部的晶片表面。
对负型光刻胶来说，未曝光的区域的光刻胶被保留下来。
5. 刻蚀或镀膜：通过化学刻蚀或物理镀膜等方式，将暴露的晶
片表面进行加工，例如在半导体中形成导线或沟槽等细微结构。
这一
步骤通常需要使用一系列化学和物理过程。
通过上述步骤的重复，可以逐步在晶片上形成多层结构，最终制
造出具有丰富功能的集成电路芯片。
这样的芯片可以完成各种计算和
存储任务，成为现代电子设备的核心。
半导体器件-半导体工艺介绍光刻
4、曝光
曝光是指用汞灯紫外光对已涂敷光刻胶 膜的底片进行选择性曝光。经过光照的 胶膜发生光化学反映，改变了这部分胶 膜在显影液中的溶解度；显影后，光刻 胶膜就呈现出与掩膜板相对应的图形。
可采用的曝光的方法包括：接触曝光法、 投影曝光法、电子束曝光法、离子束曝光 法和X射线曝光法等；
曝光时间过短，胶感光不足， 光刻胶的光化学反映不充分， 光刻胶的抗蚀性能就会降低， 显影时部分胶会溶解；曝光时 间过长，会使光刻胶不感光部 分的边缘微弱感光，产生“光 晕”现象，腐蚀后边界模糊或 出现皱纹，使分辩率降低。
图形化工艺——光刻
• 图形化工艺是半导体工艺过程中最重要的工 序之一。图形化工艺包括光刻、光掩膜、掩 膜、去除氧化膜、去除金属膜和微光刻。这 个工艺的目标有两个：1、在晶圆中和表面上 形成图形，图形的尺寸在集成电路或器件的 设计阶段形成；2、将电路图形精确的定位在 晶圆的表面。 • 光刻是一种复印图形与化学腐蚀相结合的综 合性技术。它将光刻版上的图形精确地复印 在涂有感光胶的基片上。然后利用光刻胶的 保护作用，对基片进行选择性腐蚀，从而在 基片上得到与光刻版相应的图样
参考书：《芯片制造－半导体工艺制程 实用教程》，电子工业出版社，赵树武 等译，2004-10
图形化工艺
图形化工艺——目的
1、了解各个光刻工艺步骤的作用。 2、画出各个光刻工艺步骤后晶圆的截面图。 3、解释正胶和负胶对光的反应。 4、解释在晶圆表面建立空洞和岛区所需要 的正确光刻胶和掩膜板的极性。
胶膜均匀，达到预定的厚度，无灰尘等。 光刻胶又称感光胶，一般由感光剂、增感 剂和溶剂所组成；感光剂是一种对光特别 敏感的高分子化合物，当它受到适当波长 的光照射时，能吸收一定的光能量，使之 发生交联、聚合或分解等光化学反应，使 光刻胶改变性能。
半导体制造技术-光刻
26
3. 软烘（soft baking）
• 因为光刻胶是一种粘稠体，所以涂胶结束后并不能 直接进行曝光，必须经过烘焙，使光刻胶中的溶剂 蒸发。烘焙后的光刻胶仍然保持“软”状态。但和 晶圆的粘结更加牢固。 • 目的:去除光刻胶中的溶剂。
蒸发溶剂的原因：
1）溶剂吸收光，干扰了曝光中聚合物的化学反应。
9
光刻（lithography）技术的特点
1、光刻是一种表面加工技术； 2、光刻是复印图象和化学腐蚀相结合的综合性 技术； 3、器件的尺寸越小，集成电路的集成度越高， 对光刻精度的要求就越高，难度就越大。
10
对光刻的基本要求
• 高的图形分辨率（resolution)
分辨率：将硅片上两个邻近特征图形区分开的能力—特 征尺寸、关键尺寸（曝光的波长减小到CD同样大小）
• 高灵敏度(sensitivity)； • 低缺陷(defect)； • 精密的套刻对准（alignment and overlay)
套准精度：硅片上的图案与掩膜版上的图案精确对准
• 高工艺宽容度
工艺宽容度：光刻始终如一处理特定要求产品的能力
12
光刻胶
负胶：
晶片上图形与掩膜相反 曝光部分发生交联反应，不可溶解，变硬 没有曝光的部分去除
更高
更好 更快
有机溶剂 酸 氯化溶剂化合物
更少 更好 更高 水溶性溶剂 酸 普通酸溶剂
光刻工艺8步骤
21
22
23
1、气相成底膜
目的：增强光刻胶与硅片的粘附性
步骤：
清洗，
脱水，
硅片表面成底膜处理。
24
2.旋转涂胶（Spin-on PR Coating）
• 1.分滴：当硅片静止或者旋转的非常慢时，光刻胶 被分滴在硅片上 • 2.旋转铺开：快速加速硅片使光刻胶伸展到整个硅 片表面 • 3.旋转甩掉：甩掉多于的光刻胶，在硅片上得到均 匀的光刻胶胶膜覆盖层。 • 4.溶剂挥发：以固定转速继续旋转涂胶的硅片，直 到溶剂挥发，光刻胶胶膜几乎干燥
第六讲：光刻工艺(半导体制造技术)
纵横比（分辨力） 黏结力 曝光速度 针孔数量 阶梯覆盖度 成本 显影液 光刻胶去除剂 氧化工步 金属工步
更高
有机溶剂 酸 氯化溶剂化合物
更少 更好 更高 水溶性溶剂 酸 普通酸溶剂
聚合物 聚合物是由一组大而且重的分子组成， 包括碳、氢和氧。对负性胶，聚合物曝光后会 由非聚合状态变为聚合状态。在大多数负性胶 里面，聚合物是聚异戊二烯类型。是一种相互 粘结的物质－－抗刻蚀的物质，如图所示。
（a）亮场掩膜 版和负胶组合 图形尺寸变小
晶圆 (a) 聚合光刻胶 非聚合光刻胶
（b）暗场掩膜 版和正胶组合 图形尺寸变大
晶圆 (b)
用正胶和暗场掩 膜版组合还可以在晶 圆表面得到附加的针 孔保护。如果是亮场 掩膜版，玻璃上的任 何缺陷及污染物微粒 都会影响光刻质量， 若是暗场掩膜版则可 以避免上述缺陷的产 生，如图所示。
低转 速
高转 速 真空
自动旋转器 自动系统如图所示，包含了晶圆表面处理、 N O 吹除 涂底胶 和涂光刻胶 自动晶圆 装载 N 光 底 的全部过程， 刻 胶 胶 器 标准的系统 通向 排气 传送 到 晶圆 盒 配置就是一 或软烘焙 条流水线。 捕获 杯
旋转电机 真空
光 刻 胶
光 刻 版
掩膜版分类：亮、暗
下表总结了不同的烘焙方式
方法
烘焙时间（分钟）
温度控制
生产率 类型
速度 Waf/Hr 60 400 200 90 90 60
排队
热板 对流烘箱 真空烘箱 移动带式红外烘箱 导热移动带 微波
5~15 30 30 5~7 5~7 0.25
好 一般（好） 差（一般） 差（一般） 一般 差（一般）
单片（小批量） 批量 批量 单片 单片 单片
半导体器件与工艺-光刻
光刻工艺
■脱水烘焙 干燥的表面称做憎水性表面，在憎水性表面上液体会形成 小滴。憎水性表面有益于光刻胶的粘贴。有两个重要的方法来 保持憎水性表面。一是把室内湿度保持在50％以下，并且在晶 圆完成前一步工艺之后尽可能快地对晶圆进行涂胶。另一种方 法是把晶圆存储在干燥器中。在大多数光刻蚀工艺中，只用低 温烘焙。通过热板，箱式对流传导或者真空烤箱很容易完成。 ■晶圆涂底胶 除了脱水烘焙外，晶圆还可以通过涂底胶步骤来保证它能 和光刻胶粘贴得很好。在半导体光刻蚀工艺中，底胶的作用是 从化学上把晶圆表面的水分子系在一起，因此增加了表面的附 着能力。
光刻机的分类
接触式光刻系统依赖人操作，并且容易被沾污，因为掩 膜版和光刻胶是直接接触的。颗粒沾污损坏了光刻胶层、 掩膜版或两者都损坏了，每5次到25次操作就需更换掩膜版。 颗粒周围的区域都存在分辨率问题。由于接触式光刻中一 块掩膜版在整个硅片上形成图形，对准时整个硅片的偏差 又必须在所需容差之内，因此当硅片尺寸增加就有套准精 度问题。 接触光刻确实能够在硅片表面形成高分辨率的图形，因 为掩膜版图形和硅片非常接近。这种接近减少了图像失真。 然而，接触光刻非常依赖于操作者，这就引人了重复性和 控制问题。
引言
光刻工艺概述
光刻工艺是一种多步骤的图形转移过程。首先是在掩膜版上形成 所需要的图形，之后通过光刻工艺把所需要的图形转移到晶圆表面的 每一层。 图形转移是通过两步来完成的。首先，图形被转移到光刻胶层。 光刻胶是一种感光物质。曝光后会导致它自身性质和结构的变化。光 刻胶被曝光的部分由可溶性物质变成了非溶性物质。这种光刻胶类型 被称为负胶，这种化学变化称为聚合。通过化学溶剂（显影剂）把可 以溶解的部分去掉，在光刻胶层就会留下一个孔，这个孔就是和掩膜 版不透光的部分相对应的。
光刻工艺流程
光刻工艺流程光刻工艺是半导体制造中至关重要的一步，它通过光刻胶和光刻机将芯片上的图形转移到硅片上。
光刻工艺的精准度和稳定性直接影响着芯片的质量和性能。
下面将介绍光刻工艺的主要流程和关键步骤。
1. 掩膜制备。
在光刻工艺中，首先需要准备好掩膜。
掩膜是一种透明的基板，上面覆盖着光刻胶，并且有芯片图形的透明部分。
掩膜的制备需要经过光刻胶的旋涂、烘烤和曝光三个步骤，以确保掩膜上的图形清晰可见。
2. 曝光。
曝光是光刻工艺中最关键的一步。
在曝光过程中，掩膜上的图形会被光刻机上的紫外光照射到覆盖在硅片上的光刻胶上。
曝光的时间和强度需要精确控制，以确保图形的清晰度和精准度。
3. 显影。
曝光后，需要将硅片放入显影液中进行显影。
显影液会溶解掉光刻胶中未曝光部分的部分，从而在硅片上形成所需的图形。
显影时间的控制非常重要，它直接影响着图形的精准度和清晰度。
4. 清洗。
经过显影后，硅片需要进行清洗。
清洗的目的是去除掉显影液残留在硅片上的化学物质，以及光刻胶的残留物。
清洗后的硅片表面应该干净无尘，确保后续工艺的顺利进行。
5. 检测。
最后，经过光刻工艺的硅片需要进行检测。
检测的主要目的是确认图形的精准度和清晰度是否符合要求。
只有通过检测的硅片才能进入下一步的工艺流程，否则需要进行修正或者重新进行光刻工艺。
光刻工艺流程是半导体制造中不可或缺的一部分，它直接影响着芯片的性能和质量。
通过精确控制每一个步骤，可以确保光刻工艺的稳定性和可靠性。
希望本文对光刻工艺流程有所帮助，谢谢阅读。
半导体制造工艺中的光刻技术[课件]
![半导体制造工艺中的光刻技术[课件]](https://img.taocdn.com/s3/m/ef8124c90066f5335b812145.png)
接触式
光源
光学系统
接近式
投影式
掩膜版 光刻胶
硅片
三种光刻方式
光学各曝光方式及其利弊
接 触
优点：设备简单，分辨率较高
式
缺点：掩模版与晶片易损伤，成品率低
优点：掩模版寿命长，成本低
接近式
缺点：衍射效应严重，影响分辨率 非
接
触 式
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
投影式
折射
– Step 3A 曝光后烘焙 : • g line, i line，减小驻波效应。 • DUV, 是光敏产酸物与聚合物链反应完成曝光过程的关键 工艺。
– Step 3B 湿化学显影: 溶解曝光区的光刻胶 – Step 3C DI 水漂洗: 结束显影 – Step 3D 显影检查: 对准校验和各种缺陷.
– 蚀刻: 用湿化学或者等离子来除去底层的没有覆盖光刻胶的薄 膜
– 离子注入 (not shown): 在没有覆盖光刻胶的区域注入掺杂杂质
photoresist
oxide
sisliicliocnonsusbusbtsrtartaete
oxide
基本工艺
• Step 5: 去除光刻胶:
– Step 5A: 去胶
• 返工: 如果确定有缺陷和其他问题 ，晶片并不需要废弃， 可以去除光刻胶,再重做。这个工艺对晶片几乎没有损害.
– Step 3E 后烘（坚膜）: • 目的：去除显影后胶层内残留的溶剂，使胶膜坚固，同时 提高粘附力和抗蚀。 • 烘烤条件100～140℃，10～30min。
基本工艺
• Step 4: 形成永久图案 (Etch or Implant)
• 目前使用的干法去胶和紫外光分解去胶 • 干法去胶与湿法去胶相比有以下优点:操作简单安全;过程中引入污染
半导体光刻工艺简介
涂胶（COATING）
涂胶就是在圆片衬底上均匀的涂上一层一定厚 度的光刻胶，一般均采用旋转涂敷的方法。旋转 涂敷的机理主要是以下几个因素的相互作用使其 影响增强或减弱的结果：
• • • • 光刻胶的流动性 光刻胶中树脂成份中分子间的束缚力 旋转离心力 光刻胶溶剂的挥发力
光刻胶工艺
光刻胶分负性光刻胶和正性光刻胶两种
正性光刻胶构成
• • • • 树脂 （RESIN ） 感光剂 （SENSITIZER ） 溶剂 （SOLVENT ） 其它添加剂 （ 如稳定剂，染色剂，表面活性 剂 ）
涂胶前处理（PRIMING）
• • • 目的：增加圆片衬底与光刻胶的粘附性 化学试剂：HMDS （ 六甲基二硅胺 ） 气相涂布方法：1。常温下的HMDS批处理箱 2。高温低真空下的 HMDS批处理箱 3。高温低真空下（高温下）的HMDS单片处理模 块 确认HMDS的效果用接触角计测量，一般要求大于65度 来片衬底必须是干净和干燥的 HMDS处理后应及时涂胶 HMDS处理不能过度 安全使用HMDS
•
涂胶（COATING）
影响光刻胶厚度和均匀性的主要参数： • 环境温度 • 环境湿度 • 排风净压力 • 光刻胶温度 • 光刻胶量 • 旋转马达的精度和重复性 • 回吸量 • 预旋转速度，预旋转时间，最终旋转速度，最终旋转 时间，最终旋转加速度
软烘 （ SOFTBAKE ）
软烘目的： • 去除光刻胶中的溶剂 • 增加粘附性 • 提高E0的稳定性 • 减少表面张力 软烘方法： • 热对流烘箱 • 红外线辐射 • 接触式（接近式）热版 软烘的关键控制点是温度和时
驻波效应（STANDING WAVE）
• 驻波效应是由于入射光与反射光产生干涉使沿胶厚的方 向的光强形成波峰和波谷产生的
LED芯片制造之光刻简介
➢光通量（lm）
指人眼所能感觉到的辐射功率，某一光源 向四周空间中发射的总能量。由于人眼对 不同波长光的相对视见率不同，所以不同 波长光的辐射功率相等时，其光通量并不 相等。光通量的单位为“流明”。光通量 通常用Φ来表示
➢光强（cd）
光源在单位立体内发出的光通量，单位是 坎德拉
➢光效（lm/W）
LED的发光原理
➢结温(℃)
LED芯粒内部的温度，当电流通过LED器件时，PN结的温 度会升高，由于芯粒很小，所以也把芯粒的温度称为结温。 结温影响LED寿命和光效。
➢热阻(℃/W)
导热过程的阻力，用来衡量热量从PN结通过导热通道导出的 能力，低热阻=良好的散热
➢显色指数(Ra)
光源对物体颜色呈现的程度，也称为显色性，物体的真实颜 色与某一标准光源下所显示颜色的关系。测试颜色在标准光 源与被测试光源下做比较，色差越小则表明被测光源的显色 性越好。
•坚膜
•图形检查
坚膜就是通过加温烘烤使胶膜更牢固地黏附在晶圆表面，并可 以增加胶层的抗刻蚀能力，坚膜并不是一道必需的工艺。
好处： • 能够改善光刻胶的抗刻蚀、注入能力。 • 改善光刻胶与晶圆表面的黏附性，有利于后续湿法腐蚀工艺。 • 改善光刻胶中存在的针孔。
PR Substrate
PR Pinhole Fill by Thermal Flow
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。
➢光刻胶（Photo Resist）
光刻简介
光刻的本质是把制作在掩膜版上的图形 复制到以后要进行刻蚀的晶圆上。其原 理与照相相似，不同的是半导体晶圆与 光刻胶代替了照相底片与感光涂层。
光刻流程图
前部工艺 清洗
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
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。
半导体光刻工艺
半导体光刻工艺
半导体光刻工艺是一种重要的微电子制造工艺，它的主要目的是制作集成电路中的光刻图形，即光刻光源通过光掩模将光线投射到半导体衬底上，通过光化学或物理反应制造出微小结构。
这个工艺需要高度精确的设备和技术来确保制造出高质量的光刻图形。
半导体光刻工艺包括以下步骤：光掩模的制备、感光胶的涂覆、曝光、显影、清洗等。
在这个过程中，光掩模的质量、感光胶的粘附性、光源的波长等都是非常关键的因素。
随着半导体制造技术的不断进步，光刻工艺也不断发展，现在已经发展出了极紫外光刻技术和多层光刻等高级工艺，大大提高了微处理器的集成度和性能。
半导体中的光刻
第十一章光刻11.1光刻工艺光刻是一种图象复印的技术，是集成电路制程中一项关键的工艺技术。
简单的说，光刻就是用照相复印的方法，将掩膜版上之图形精确地复印到涂在硅片表面的光致抗蚀剂（下面统称光刻胶）上面，然后在光刻胶的保护下对硅片进行离子注入，刻蚀（干，湿法），金属蒸镀等。
一个光刻刻蚀的工艺过程见图11.1。
使光刻胶感光成图形的可以是可见光，近紫外光（NUV），深紫外光（DUV），真空紫外光（VUV），极短紫外光（EUV），X射线等光源，近来又发展了电子束，离子束曝光技术。
光学相关波长范围见图11.2。
随着芯片集成度的提高，特征尺寸从微米到亚微米，现在已进入深亚微米时代，对光源的要求也从全光谱光源到G线（436nm）、I线（365nm）、进而到248nm 线、193nm线。
本章将介绍光刻工艺的整个过程，光刻曝光的方式，影响光刻质量的一些因素及光刻技术的一些最新发展。
11.2 光刻工艺的8个基本步骤一．硅片表面处理衬底材料对光刻工艺的影响有三个方面：表面清洁度、表面性质（疏水或亲水）、平面度。
清洁、干燥的表面能和光刻胶保持良好的粘附，硅片表面的颗粒沾污会损坏光刻图形，造成成品率的下降，要防止高温过程产生的热应力造成硅片形变，使平面度下降，影响光刻分辨率。
二．增粘处理需光刻的硅片先要在高温氮气气氛中烘焙，以除去硅片表面的水气，再涂上一层增粘剂（HMDS），以增加光刻胶与硅片的粘附性，HMDS的作用机理就是将二氧化硅表面亲水的硅烷醇结构转变为疏水的硅氧烷结构。
三．涂光刻胶将光刻胶均匀地涂敷在硅片的表面，它的质量要求是：（1）膜厚符合设计要求，同时膜厚均匀，胶面上看不到干涉花纹；（2）胶层内无点缺陷（如针孔等）；（3）涂层表面无尘埃，碎屑等颗粒。
膜厚的关系式为：T = KP2 / S1/2 式（11—1）T为膜厚，P为光刻胶固体含量百分比，S为转速，K为常数。
四．前烘前烘是光刻的一道关键工序。
前烘条件的选取，对光刻胶的溶剂挥发量和光刻胶的粘附特性，曝光特性，显影特性以及线宽的精确控制都有较大的影响。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
14 - 19
Eight Steps of Photolithography
S te p 1 . V a p o r p r im e 2 . S p in c o a t 3 . S o ft b a ke 4 . A lig n m e n t a n d e x p o s u re 5 . P o s t-e x p o s u re b a k e (P E B ) 6 . D e v e lo p 7 . H a rd b a k e 8 . D e v e lo p in s p e c t C h a p te r 13 13 13 14 15 15 15 15
Areas exposed to light become crosslinked and resist the developer chemical. Island Exposed area of photoresist
Photoresist
Ultraviolet light Chrome island on glass mask
14 - 1
Objectives
• Basic concepts for photolithography, including process overview, critical dimension generations, light spectrum, resolution and process latitude. • Difference between negative and positive lithography. • Eight basic steps to photolithography. • Wafer surface preparation for photolithography. • Photoresist physical properties. • Applications of conventional i-line photoresist. • Deep UV resists • Photoresist application techniques • Soft bake processing
-12
-10
(nm)
157
193
248
365 i
405 436 h g
VUV DUV DUV
Common UV wavelengths used in optical lithography.
14 - 11
Light Sources
Decreasing feature sizes requires shorter λ.
Window
Shadow on photoresist
Photoresist Oxide Silicon substrate
Oxide Silicon substrate
Resulting pattern after the resist is developed.
14 - 16
Positive Lithography
14 - 6
Steps in Lithography Process
Lithography has three parts: (1) Light source, (2) Wafer exposure (3) Resist
14 - 7
14 - 8
Photomask and Reticle for Microlithography
Important Wavelengths for Photolithography Exposure
U V W a v e le n g t h (n m ) 436 405 365 248 193 157 W a v e le n g t h N am e g - lin e h - lin e i- lin e D eep U V (D U V ) D eep U V (D U V ) V acu u m U V (V U V ) U V E m issio n S o u r c e M e r c u r y a r c la m p M e r c u r y a r c la m p M e r c u r y a r c la m p M e r c u r y a r c la m p o r K r y p t o n F lu o r id e ( K r F ) e x c im e r la s e r A r g o n F lu o r id e ( A r F ) e x c im e r la se r F lu o r in e ( F 2 ) e x c im e r la se r
Table 13.1
14 - 13
Importance of Mask Overlay Accuracy
Top view of CMOS inverter
The masking layers determine the accuracy by which subsequent processes can be performed. The photoresist mask pattern prepares individual layers for proper placement, orientation, and size of structures to be etched or implanted. Small sizes and low tolerances do not provide much room for error.
Visible Microwaves
12
Gamma rays
X-rays
UV
Infrared
Radio waves
10
f (Hz) (m)
10 10
22
10 10
20
10 10
18
10 10
-8
16
10 10
-6
14
10 10
-4
10 10
-2
10 10 0
8
10 10 2
6
10 10 4
4
-14
14 - 4
Three Basic Exposure Methods
1:1 Exposure 1:1 Exposure ~5:1 Exposure
14 - 5
• Contact printing capable of high resolution but has unacceptable defect densities. May be
Ultraviolet light Areas exposed to light are dissolved. Chrome island on glass mask Shadow on photoresist
Island
photoresist Photoresist
Window
Exposed area of photoresist
• Positive Resist
– Mask image is same as wafer image – Exposed resist softens and is soluble – Developer removes exposed resist
14 - 15
Negative Lithography
14 - 17
Relationship Between Mask and Resist
Desired photoresist structure to be printed on wafer Island of photoresist
Substrate
Chrome Window
Quartz Island
1:1 Mask 4:1 Reticle
14 - 9
Three DΒιβλιοθήκη mensional Pattern in Photoresist
Linewidth Space Photoresist
Thickness
Substrate
14 - 10
Section of the Electromagnetic Spectrum
14 - 18
Clear Field and Dark Field Masks
Clear Field Mask Dark Field Mask
Simulation of metal interconnect lines (positive resist lithography)
Simulation of contact holes (positive resist lithography)
Test/Sort
Implant
14 - 3
Photolithography Concepts
• Patterning process – Photomask – Reticle • • • • • Critical dimension generations Light spectrum and wavelengths Resolution Overlay accuracy Process latitude
used in Development but not manufacturing. • Proximity printing cannot easily print features below a few mm in line width. Used in nano-technolgy. • Projection printing provides high resolution and low defect densities and dominates today. Typical projection systems use reduction optics (2X - 5X), step and repeat or step and scan. They print » 50 wafers/hour and cost $5 - 10M.