光刻基本工艺

• 工艺宽容度
整个光刻过程步骤之多，而且每一步骤都 会影响最终的图形尺寸， 另外每一工艺步骤都 有它的内部变异。不同的光刻胶对工艺变异的 容忍性都不一样。那么，容忍性越高，在晶园 表面达到所需要尺寸的可能性就越大，或者说 工艺的宽容度就越大。
• 针孔
所谓针孔是指光刻胶层中尺寸非常小的空 穴。可以是涂胶工艺中由环境中的微粒污染物 造成的，也可以由光刻胶层结构上的空穴造成。 针孔是有害的，因为它可以允许刻蚀剂渗过光 刻胶层进而在晶园表面层刻蚀除小孔。
曝光
污垢 (a)
玻璃裂纹
负胶 氧化物 晶圆
(b)
• 正胶成本比负胶高，但良品率高；
• 负胶所用的显影剂容易得到，显影过程中图形 尺寸相对稳定。
• 对于要求高的制作工艺选择正胶，而对于那些 图形尺寸大于2微米的工艺还是选择负胶。图
8.21显示了两种类型光刻胶属性的比较。
参数
正胶
负胶
纵横比（分辨力） 黏结力
• 微粒清除
虽然光刻前的每一步工艺（氧化、掺杂等） 都是在清洁区域完成的，但晶园表面有可能吸 附一些颗粒状的污染物，所以必须给以清除。 微粒清除方法见下图。
高压氮气吹除 化学湿法清洗 旋转刷刷洗 高压水流
• 脱水烘焙
经过清洁处理后的晶园表面可能会含有一定 的水分（亲水性表面），所以必须脱水烘焙使 其达到清洁干燥（憎水性表面），以便增加光 刻胶和晶园表面的黏附能力。
到了400℃（中温）时，与晶园表面结合较松 的水分子会离开。当超过750℃（高温）时， 晶园表面从化学性质上讲恢复到了憎水性条件。 通常采用低温烘焙，原因是操作简单。
• 涂底胶
涂底胶的目的是进一步保证光刻胶和晶园 表面的粘结能力。底胶的选择必须保证一个很 好的黏附和平滑的表面。 底胶的作用是从化学 上把晶园表面的水分子系在一起，因此增加了 表面的黏附能力。
首先把光刻胶通过管道堆积在晶园的中心， 堆积量由晶园大小和光刻胶的类型决定，堆积 量非常关键，量少了会导致涂胶不均匀，量大 了会导致晶园边缘光刻胶的堆积甚至流到背面， 如图所示。
涂胶
铺展
旋转
高转 速
真空
静态旋转工艺 光刻胶膜的最终厚度是由光刻胶的粘度、 旋转速度、表面张力和国光刻胶的干燥性来决 定的。
• 曝光速度 灵敏性和曝光源
光刻胶的感光灵敏度反应了光刻胶感光所 必须的照射量，而照射量正比于光的强度和感 光时间。光强度是和光源特定的波长有关系。 不同光源（射线）对应的波长如下图所示。
波长越短的光源（射线）能量越高。
可见光
广播
名称 伽马射线 X 射线 紫外 线
红外 线
短无 线
无线
（ UV ） （ IR ）
金属 掩膜
艺层的数量之大，所以光刻工
#5
艺是一个主要的缺陷来源。
PAD 掩膜
8.2 光刻蚀工艺概况
光刻蚀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园表面的每 一层。
图形转移通过两步完成。首先，图形被转 移到光刻胶层。光刻胶经过曝光后自身性质和 结构发生变化（由原来的可溶性物质变为非可 溶性物质，或者相反）。再通过化学溶剂（显 影剂）把可以溶解的部分去掉，在光刻层下就 会留下一个孔，而这个孔就是和掩膜版不透光 的部分相对应。
用正胶需要改变掩膜版的极性，这并不是 简单的图形翻转。因为用掩膜版和两种不同光 刻胶结合，在晶园表面光刻得到的尺寸是不一 样的（见下图）由于光在图形周围的衍射效应， 使得用负胶和亮场掩膜版组合在光刻胶层上得 到的图形尺寸要比掩膜版上的图形尺寸小。用 正胶和暗场掩膜版组合会使光刻胶层上的图形 尺寸变大。
光刻胶中的感光剂是用来产生或者控制聚 合物的特定反应。如果聚合物中不添加感光剂， 那么它对光的敏感性差，而且光谱范围较宽， 添加特定的感光剂后，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 制在某一波长的光。
• 添加剂 光刻胶中的添加剂主要在光刻胶薄膜中用
来吸收和控制光线，可以阻止光刻胶没有被曝 光的部分在显影过程中被溶解。
方法有：沉浸式 旋转式 蒸汽式
各有优缺点，使用时根据具体情况选择。
8.10 涂光刻胶
目的是在晶园表面建立薄而均匀并且没有 缺陷的光刻胶膜。要做到这一点必须用精良的 设备和严格的工艺控制才能达到。
厚度：0.5～1.5µm，均匀性：±0.01µm
常用方法：旋转涂胶法
分手动，半自动，全自动
• 静态涂胶工艺
暗场掩膜版主要
用来制作反刻金属互 联线。
亮场 暗场
刚才介绍了对光有负效应的光刻胶，称为负
性胶。同样还有对光有正效应的光刻胶，称为正 胶。用正性胶和亮场掩膜版在晶园表面建立凸起 图形的情况如图8.7所示。
右图显示了用不同极
性的掩膜版和不同极
掩膜版极性
性的光刻胶相结合而
负
正
产生的结果。通常是
根据尺寸控制的要求
电波
电波
波长 10 （ cm ）
10
10
10
10
10
10
• 除了普通光源，经常还根据不同需要选择X射线 或者电子束作为曝光光源。那么光刻胶灵敏性 作为一个参数，使通过能够使基本的反应开始 所需要的能量总和来衡量的，它的单位是mJ/平 方厘米
• 负性胶通常的曝光时间是5～15秒，而正性胶则 需要用上3～4倍的时间。
• 阶梯覆盖度
随着晶园表面上膜层的不断增加，表面不再是 完全平坦化的，
如图所示。 所以要求光刻
硅晶片
胶必须具有良 再氧化之前
好的阶梯覆盖
( a)
特性。
台阶 硅晶片
再氧化之后 ( b)
8.6 正胶和负胶的比较
在工艺发展的早期，负胶一直在光刻工艺 中占主导地位，随着VLSI IC和2～5微米图形 尺寸的出现，负胶已不能满足要求。随后出现 了正胶，但正胶的缺点是粘结能力差。
亮场 光刻
空穴
凸起
和缺陷保护的要求来 胶极性
暗场 凸起
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
空穴
选择光刻胶和掩膜版
极性的。
工艺步骤 对准和曝光
目的
掩膜版和图形在晶圆上的 精确对准和光刻胶的曝光。 正胶被光溶解
显影
去除非聚合光刻胶
刻蚀
表层去除
光刻胶去除 光刻胶去除
晶圆 晶圆
掩膜版 / 图形 光刻胶 氧化层
光刻胶 氧化层
晶圆
晶圆
8.3 光刻10步法
顺序在晶园表面一层一层叠加建立起来的。图 形定位的要求就好像是一幢建筑物每一
层之间所要求的正确对准。如 #2
果每一次的定位不准，将会导 栅掩膜
致整个电路失效。除了对特征 #1
阱掩膜
图形尺寸和图形对准的控制，
#3 接触
在工艺过程中的缺陷水平的控
掩膜
制也同样是非常重要的。光刻 #4
操作步骤的数目之多和光刻工
CH
CH
CH
能量
双键 CH
×××××××××× 未聚合的
聚合的
(a)
(b)
正性胶的基本聚合物是苯酚－甲醛聚合物， 也称为苯酚－甲醛树脂。如图所示。
邻位 （2和 6）
间位
间甲 酚
（3和 4）
对位（ 4 ）
甲醛
在光刻胶中聚合物是相对不可溶的，用适
当能量的光照后变成可溶状态。这种反应称为 光溶解反应。
下表列出了用在光刻胶产品上的聚合物，正胶 和负胶相对的有点。
8.5 光刻胶的表现要素
对光刻胶的要求包括一下几个方面：
• 分辨率
在光刻胶层能够产生的最小图形通常被作 为对光刻胶的分辨率。产生的线条越小，分辨 率越高。分辨率不仅与光刻胶本身的结构、性 质有关，还与特定的工艺有关，比如：曝光光 源、显影工艺等。
• 粘结能力
光刻胶与衬底膜层（SiO2、Al等）的粘结 能力直接影响光刻的质量。不同的衬底表面， 光刻胶的粘结能力是不同的。负性胶通常比正 性胶有更强的粘结能力。
第八章 基本光刻工艺流程
光刻的目的和意义第四章已做过简单的描 述，这一章主要介绍基本光刻工艺中的表面准 备至曝光的工艺步骤及光刻胶的特性。
8.1 简介
晶圆
光刻工艺首先是
在晶园表面建立尽可
表面层
能接近设计规则中所 要求尺寸的图形，其 次是在晶园表面正确
晶圆 图形层
定位图形。
晶圆
因为最终的图形是用多个掩膜版按照特定的
光刻胶
正性
负性 PMMA PMIPK PBS TFECA COP (PCA)
聚合物
酚醛树脂（间 甲酚甲醛） 聚异戊二烯 聚甲基丙烯酸酯
聚甲基异丙烯基酮
聚丁烯 1 砜
聚三氟乙烷基氯丙烯 酸酯 共聚物（ a 氰乙基丙烯酸， a 氨基乙烷基丙烯酸酯）
极性
感光性
曝光光源
(Coul/cm )
+
3-5 × 10
8.4.1 光刻胶的组成
光刻胶由4种 成分组成： 聚合物
成分 聚合物
溶剂
感光剂
溶剂
添加剂
感光剂
添加剂
功能
当被对准机光源曝光时， 聚合物结构由可溶变成 聚合（或反之）
稀化光刻胶，通过旋转 形成薄膜
在曝光过程中控制和 / 或 调节光刻胶的化学反应
各种添加的化学成分实 现工艺效果，例如染色
• 聚合物
聚合物是由一组大而且重的分子组成，包 括碳、氢和痒。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。
光刻 胶浇 注
不充 分 覆盖
旋转 后
完整光 刻胶 覆盖
过多 光刻 胶
光刻胶覆盖
• 动态喷洒
随着晶园直径越来越大，静态涂胶已不能 满足要求，动态喷洒是晶园以500rpm的速度低 速旋转，其目的是帮助光刻胶最初的扩散，用 这种方法可以用较少量的光刻胶而达到更均匀 的光刻胶膜。待扩散后旋转器加速完成最终要 求薄而均匀的光刻胶膜。
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
更好 更快
有机溶剂 酸 氯化溶剂化合物
更高
更少 更好 更高 水溶性溶剂
酸 普通酸溶剂
8.8 光刻工艺
这一节将介绍基本的光刻工艺10步法，包 括每一步的目的、技术考虑、选项和工艺控制 方法等。
8.9 表面准备
为确保光刻胶能和晶园表面很好粘结，必 须进行表面处理，包括三个阶段：微粒清除、 脱水和涂底胶。
紫外
-
紫外
+
5 × 10
电子束
+
1 × 10
电子束 /
深紫外
+
2 × 10
电子束
+
8 × 10
电子束
-
5 × 10
电子束
X 射线
PMPS
聚甲基戊烯 1 砜
+
2 × 10
电子束
• 溶剂
光刻胶中容量最大的成分是溶剂。添加溶 剂的目的是光刻胶处于液态，以便是光刻胶能 够通过旋转的方法涂在晶园表面。
• 感光剂
低转 速 真空
高转 速
• 自动旋转器
自动系统如图所示，包含了晶园表面处理、
涂底胶
N O 吹除
和涂光刻胶 自动晶圆
的全部过程， 装载
标准的系统 配置就是一 条流水线。
N
通向 排气
底
光
胶
刻
器
胶
传送 到 晶圆 盒 或软烘焙
保持憎水性表面通常通过下面两种方法： 一是保持室内温度在50℃以下，并且在晶园完 成前一步工艺之后尽可能快的进行涂胶。
亲水 性 表面
憎水 性 表面
另一种方法是把晶园存储在用干燥并且干 净的氮气净化过的干燥器中。
除此之外，一个加热的操作也可以使晶园表面 恢复到憎水表面。有三种温度范围：
150～200℃（低温），此时晶园表面会被蒸发
（a）亮场掩膜 版和负胶组合 图形尺寸变小
（b）暗场掩膜 版和正胶组合 图形尺寸变大
晶圆 (a)
非聚合光刻胶 聚合光刻胶
晶圆 (b)
用正胶和暗场掩
膜版组合还可以在晶 园表面得到附加的针 孔保护。如果是亮场 掩膜版，大部分区域 铬 是空穴，这样，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。
把图形从掩膜版上转移到晶园表面是由多 个步骤完成的（见图8.9），特征图形尺寸、 对准精度、晶园表面情况和光刻层数都会影响 到特定光刻工艺的难以程度。虽然许多光刻工 艺都不尽相同，但大部分都是基于光刻10步法 的变异或选项。所以了解和掌握基本的光刻10 步法是非常必要的。
8.4 光刻胶
光刻胶是光刻工艺的核心，光刻过程中的 所有操作都会根据特定的光刻胶性质和想达到 的预期结果而进行微调。光刻胶的选择和光刻 工艺的研发是一个非常漫长的过程。
工艺步骤 目的
对准和曝光
在掩膜版和图形在晶圆上 的精确对准和光刻胶的曝 光。负胶是聚合物
掩膜 / 图形
光刻胶
晶圆
氧化层
显影
去除非聚合的光刻胶
光刻胶 氧化层 晶圆
其次，把图形从光刻胶层转移到晶园上。 这一步是通过不同的刻蚀方法把晶园上没有被 光刻胶保护的部分的薄膜层去掉。这时图形转 移就彻底完成了。如图所示。
工艺步骤 刻蚀
目的
将晶圆顶层通过光刻 胶的开口去除
光刻胶 氧化层 晶圆
光刻胶去除
从晶圆上去除光刻 胶层
氧化层 晶圆
如果掩膜版的图形 是由不透光的区域决 定的，称其为亮场掩 膜版；而在一个暗场 掩膜版中，掩膜版上 的图形是用相反的方 式编码的，如果按照 同样的步骤，就会在 晶园表面留下凸起的 图形。