第5章：光刻
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）
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涂胶/显影系统设备（AIO-700型）
涂胶/显影系统设备（AIO-700型）
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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）
第04章 硅的氧化
A 2D( ) ks hg
激活能。
2. 对于抛物线速率常数B，温度的影响 是通过扩散系数D体现的。具体表现
B 2DHPg N1
在干氧和水汽氧化具有不同的激活能，
这是因为干氧和水汽在硅中的扩散激
活能不一样。
氯对氧化速率的影响
掺氯能增大B/A和B。Si-O键能4.25 eV, Si-Cl键能0.5 eV, Cl2先与S 反应生成氯硅化合物，然后再与氧反应生成SiO2，起催化作用。
该处气体物质的压强成正比：
CO HPS
可求得
F1
hg
(CG
PS kT
)
hg
(CG
CO HkT
)
令h=hg/HkT，C*=HkTCG=HPG，则 F1 h(C* CO )
F2：从氧化物层表面扩散到Si/SiO2界面的氧分子流密度
根据费克Fick第一定律，有
F2
D
CO
CI x
假设：稳态过程，氧化剂 通过SiO2没有损耗
水汽法氧化
气体仪表板
高温炉
尾气 洗涤室 燃烧室
HCl N2 O2 H2
在氧化中硅的消耗
氧化前
x 0.56 x 0.44 x
氧化后
穿过氧化层的氧扩散
供应到 反应表面的氧
O2
O2/SiO2 表面
SiO2/Si 表面
SiO2
Si
Deal－Grove模型－硅的热氧化模型
• Deal－Grove模型（线性－抛物线模型）
栅氧化
栅
源
漏
晶体管位置
p+ 硅衬底
Comments: 通常栅氧化膜厚度从大约30 Å 到 500 Å. 干法氧化是优选的生长方法。
电子科大微电子工艺(第五章)光刻工艺
Example Viper defect clips
p
Hot Plate
Spin Station
光刻机
Track Robot
Developer dispenser
Hot Plate
Track
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
美国的gca日本的canonnikon及荷兰的asml用较小的透镜尺寸获得较大的曝光场从而获得较大的芯片尺寸扫描过程调节聚焦透镜缺陷硅片平整度变化自动补偿步进扫描光刻机系统工作过程nsr2005i9c型nikon光刻机步进式序号性能参数参数要求分辨率045m焦深07m套刻精度110nm最大曝光面积2020mm曝光光强600mwcmnsr2005i9c型nikon光刻机主要性能指标nsr2005i9c型nikon光刻机光刻关键尺寸sem照片1nsr2005i9c型nikon光刻机光刻关键尺寸sem照片255硅片平坦化cmp减小表面的凹凸度显出边缘的相移层阻挡层1111硅片上光强上电场硅片上电场相移掩膜技术psm光学邻近修正级次衍射级次衍射针孔掩膜投影光学系统wafer离轴照明极紫外光刻技术示意图步进扫描承步进扫描4倍反射投影掩膜版大功率激光靶材料euv等离子多层涂层镜投影掩膜版的14图形真空腔电子束步进扫描静电透镜系统4
平均曝光 干涉增强 强度 过曝光 干涉相消 欠曝光
光刻胶表面
/nPR
衬底表面
5、半导体工艺原理-光刻
6. 显影 （Develop）
工艺目的： 溶解硅片上 曝光区域 的胶膜，形 成精密的光 刻胶图形。
工艺方法： 正胶显影液： 2.38% 的四甲基氢氧化铵（TMAH）
特点：碱性、水性显影液、轻度腐蚀硅 1. TMAH 喷淋显影，转速1000rpm～1500rpm 2. 去离子水喷淋定影，转速 1000rpm～1500rpm 3. 原位旋转甩干 工艺要求：
版图文件
亮版
暗版
光刻机
IC制造中最关键的步骤 IC 晶圆中最昂贵的设备 最有挑战性的技术 决定最小特征尺寸
接触式光刻机 光刻的三种方式 接近式光刻机
投影式光刻机
5.2 光刻工艺原理
光刻工艺的8个基本步骤
1. 气相成底膜 3. 软烘 5. 曝光后烘培（PEB） 7. 坚膜烘培
2. 旋转涂胶 4. 对准和曝光 6. 显影 8. 显影检查
光的衍射
方形小孔的衍射图像（接触孔）
透镜
透镜是一种光学元件，来自物体的光并通过它折 射形成物体的像。 光通过透镜聚焦相当于做一次傅里叶变换。例如 平行光聚焦成一个点。
光通过掩膜版小孔图形衍射进行第一次傅里叶变 换，再通过透镜聚焦进行第二次傅里叶变换，掩 膜版图形在硅片上成像。
曝 光 机 光 学 系 统
投影式对准曝 光系统示意图
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线 传递到硅片表面光刻胶膜上, 形成光敏感物质在空 间的精确分布，最终达到图形精确转移的目的。
对准标记
8张掩膜版及经过8次对准和曝光形成的CMOS器件结构
接触式光刻机
设备简单 70年代中期前使
自动涂胶/显影系统－涂胶模块
涂胶模块剖面图
涂胶模块 示意图
(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。
第04章硅的氧化
D－G模型小结
适用条件： 1. 平坦、无图形的平面硅的氧化 2. 轻掺杂硅的氧化 3. 单一O2或H2O的氧化 4.初始氧化硅的厚度大于20 nm
B/A被称为线性速率系数； B被称为抛物线速率系数
薄氧化层
1. D－G模型在薄氧化层范围内不适用。 2. 在薄氧化阶段，氧化速率非常快，其氧化机理
至今仍然存在争议，但可以用经验公式来表示。 3. 由于薄氧化阶段的特殊存在， D－G模型需要用
D：氧化剂在SiO2中的 扩散系数，cm2/s
F3：通过Si/SiO2界面产生化学反应的氧分子流密度
F3ksCI
பைடு நூலகம்
ks：界面反应 速率，cm/s
在稳态条件下，应有 F1F2F3
CI 1kC s * ksx1 C k*sx (hks) hD D
Cg
x
Cs
C*
CI=C*
SiO2
Si
Cg
x
Cs C*
SiO2
栅氧化
栅
源
漏
晶体管位置
p+ 硅衬底
Comments: 通常栅氧化膜厚度从大约30 Å 到 500 Å. 干法氧化是优选的生长方法。
氧化硅的应用: 垫氧化层
Purpose: 做 Si3N4缓冲层以减小应力
Nitride
Passivation Layer
ILD-5 M-4
ILD-4 M-3
Pad oxide
O Si 0.162nm
0.262nm
➢由Si－O四面体组成 四面体中心是硅原子，四个顶角上是氧原子 四面体之间由Si-O-Si连接 与两个硅连接的氧原子称为桥键氧或氧桥
结构
桥联氧 非桥联氧
水晶
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。
半导体集成电路复习题及答案
第8章动态逻辑电路填空题对于一般的动态逻辑电路，逻辑部分由输出低电平的网组成，输出信号与电源之间插入了栅控制1、极为时钟信号的 ,逻辑网与地之间插入了栅控制极为时钟信号的。
【答案：NMOS, PMOS, NOMS】对于一个级联的多米诺逻辑电路，在评估阶段：对PDN网只允许有跳变，对 PUN网只允许有跳变，2、PDN与PDN相连或PUN与PUN相连时中间应接入。
【答案：】解答题从逻辑功能，电路规模，速度3方面分析下面2电路的相同点和不同点。
从而说明CMOS动态组合逻辑1、电路的特点。
【答案：】图A是CMOS静态逻辑电路。
图B是CMOS动态逻辑电路。
2电路完成的均是NAND的逻辑功能。
图B的逻辑部分电路使用了2个MOS管，图A使用了4个MOS管，由此可以看出动态组合逻辑电路的规模为静态电路的一半。
图B的逻辑功能部分全部使用NMOS管，图A即使用NMOS也使用PMOS，由于NMOS的速度高于PMOS，说明动态组合逻辑电路的速度高于静态电路。
2、分析下面的电路，指出它完成的逻辑功能，说明它和一般动态组合逻辑电路的不同,说明其特点。
【答案：】该电路可以完成OUT=AB的与逻辑。
与一般动态组合逻辑电路相比，它增加了一个MOS管M kp,这个MOS 管起到了电荷保持电路的作用，解决了一般动态组合逻辑电路存在的电荷泄漏的问题。
3、分析下列电路的工作原理，画出输出端OUT的波形。
【答案：】答案：4、结合下面电路，说明动态组合逻辑电路的工作原理。
【答案：】动态组合逻辑电路由输出信号与电源之间插入的时钟信号PMOS,NMOS逻辑网和逻辑网与地之间插入的时钟信号NMOS组成。
当时钟信号为低电平时，PMOS导通，OUT被拉置高电平。
此时电路处于预充电阶段。
当时钟信号为低电平时，PMOS截至，电路与V DD的直接通路被切断。
这时NOMS导通，当逻辑网处于特定逻辑时，电路输出OUT被接到地，输出低电平。
否则，输出OUT仍保持原状态高电平不变。
第5章 选择性激光烧结成形技术
SLS系统的工艺原理和基本组成
SLS系统基本 组成： C02激光器、 光学系统、粉 料送进与回收 系统、升降机 构、工作台、 构造室等。
Surface Finish: The surface of an SLS® part is powdery, like the base material whose particles are fused together without complete melting. The smoother surface of an SLA part typically wins over SLS® when an appearance model is desired. In general, SLA is a better process where fine, accurate detail is required. However, a varnish-like coating can be applied to SLS® parts to seal and strengthen them. Varnish n.清漆, 凡立水, 光泽面, 掩饰 v.修饰
Material Properties: The SLA (stereolithography) process is limited to photosensitive resins which are typically brittle. The SLS® process can utilize polymer powders that, when sintered, approximate thermoplastics quite well.
逆向工程与快速成形技术 Reverse Engineering and Rapid Prototype Technology
第5章 选择性激光烧结成形技术
Selective Laser Sintering 方法介绍
天津科精技选大可编学辑Tppiat njin University of Science & Techn5ology
Selective Laser Sintering (SLS®, registered trademark by DTM™ of Austin, Texas, USA) is a process that was patented in 1989 by Carl Deckard, a University of Texas graduate student. Its chief advantages over Stereolithography (SLA) revolve around material properties. Many varying materials are possible and these materials can approximate the properties of thermoplastics such as polycarbonate [化]聚碳酸酯, nylon, or glass-filled nylon.
天津科精技选大可编学辑Tppiat njin University of Science & Techn11ology
Copper Pellets
Part
Ramp
Ceramic plPlate
模具制造过程原理
天津科技大精学选可T编i辑anppjitn University of Science & Technolo1g2y
天津科精技选大可编学辑Tppiat njin University of Science & Techn10ology
光刻机原理教学课程设计
光刻机原理教学课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生理解光刻机的基本原理，掌握其工作流程中的关键步骤；2. 学生掌握光刻机中光学、机械及电子等基本部件的功能和相互作用；3. 学生了解光刻技术在半导体制造领域的重要性和应用。
技能目标：1. 学生能够运用所学知识，分析并解释光刻机在芯片制造过程中的作用；2. 学生通过小组合作，设计简单的光刻实验，提高动手操作和团队协作能力；3. 学生能够运用光刻技术的基本原理，对实际生产中的问题进行初步分析。
情感态度价值观目标：1. 学生培养对光刻技术及相关科学研究的兴趣，激发探索精神；2. 学生认识到科技创新在国家发展中的重要性，增强民族自豪感；3. 学生在学习过程中，培养严谨、细致、合作、探究的学习态度。
课程性质分析：本课程为高年级物理或电子学科相关课程，旨在帮助学生深入理解光刻技术及其在芯片制造领域的作用。
学生特点分析：高年级学生对物理、电子等专业知识有一定的基础，具备较强的逻辑思维能力和动手能力，对新技术和新知识充满好奇。
教学要求：1. 结合学生特点，注重理论与实践相结合，提高学生的实际操作能力；2. 创设问题情境，引导学生主动探究，培养学生的创新思维；3. 强调团队合作，提高学生的沟通与协作能力。
二、教学内容1. 光刻技术概述：介绍光刻技术的发展历程、应用领域及重要性。
- 教材章节：第二章“光刻技术简介”2. 光刻机原理及其工作流程：详细讲解光刻机的基本原理、工作流程及关键参数。
- 教材章节：第三章“光刻机原理与结构”3. 光刻机主要部件及其功能：分析光刻机中的光学系统、机械系统、电子系统等主要部件的作用及相互关系。
- 教材章节：第四章“光刻机主要部件”4. 光刻工艺流程：介绍光刻工艺的步骤，包括预处理、涂胶、曝光、显影、蚀刻等。
- 教材章节：第五章“光刻工艺流程”5. 光刻技术在半导体制造中的应用：分析光刻技术在芯片制造过程中的具体应用及其影响。
- 教材章节：第六章“光刻技术在半导体制造中的应用”6. 光刻技术发展趋势：探讨光刻技术的发展趋势，如极紫外光刻、纳米光刻等技术。
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。
半导体工艺原理作业题集
集成电路工艺作业第一章半导体衬底1、列举生产半导体级硅的三个步骤，给出反应方程式。
说明半导体级硅有多纯？2、为什么要用单晶进行硅片制造？3、CZ单晶生长法定义Czochralski(CZ)－查克洛斯基法生长单晶硅，把熔化了的半导体级硅液体变为有正确晶向并且被掺杂成n型或p型的固体硅锭。
85％以上的单晶硅是采用CZ法生长出来的。
CZ法特点：a. 低功率IC的主要原料。
b. 占有～80％的市场。
c. 制备成本较低。
d. 硅片含氧量高。
4、影响CZ法直拉工艺的两个主要参数是什么？拉伸速率和晶体旋转速率。
5、区熔法的特点是什么？a. 硅片含氧量低、纯度高。
b. 主要用于高功率IC。
c. 制备成本比CZ法低。
d. 难生长大直径硅晶棒。
e. 低阻值硅晶棒掺杂均匀度较差。
7、使用更大直径硅片的主要原因是什么？300mm硅片比200mm硅片面积大2.25倍，这样就会在一块硅片上生产更多的芯片。
每块芯片加工和处理时间都减少了，设备生产效率提高了。
使用300mm直径的硅片可以把每块芯片的成本减少30％。
节省成本是驱使半导体业转向使用更大直径硅片的主要原因。
8、硅中的晶体缺陷：点缺陷、位错、层错。
第二章氧化1、半导体器件生产中使用的介质材料有二氧化硅、氮化硅、多晶硅、硅化物。
2、二氧化硅的基本性质有哪些？a、可以方便地利用光刻和刻蚀实现图形转移、b、可以作为多数杂质掺杂的掩蔽、c、优秀的绝缘性能、d、很高的击穿电场(>107 V/cm)、e、体电学性能稳定、f、稳定、可重复制造的Si/ SiO2界面3、金属层间绝缘阻挡层目的：用于金属连线间的保护层。
4、热生长SiO2 的各种运用对厚度有不同要求栅氧（0.18μm工艺）：20~60埃；STI隔离氧化物：150埃；场氧：2500～15000埃5、有几种类型的电荷存在于氧化层内部或在SiO2和Si/SiO2界面附近？a)界面陷阱电荷; b)固定氧化层电荷; c)移动离子电荷; d)大量氧化层陷阱电荷6、干氧和湿氧氧化反应方程式及氧化层的特点？这两种反应都在700 ºC～1200 ºC之间进行，湿氧氧化比干氧氧化反应速率约高10倍。
第5章光刻工艺
投影曝光机
STEPPER的对准曝光示意图
5.3 影响光刻质量的因素
5.3.1 硅片表面状况对光刻工艺的影响
硅片的表面状况对光刻工艺的影响有三个 方面：
表面清洁度
表面粘附性
表面平面度
5.3.2 硅片平面度对光刻工艺的影响
描述平面度的方法之一是用 “峰谷间 距（PV）”来表示，即：圆片表面上最高 点与最低点之间的高度差。为了保证分辨 率，曝光时必须要保证衬底上所有各点都 处于成像透镜的焦深范围之内。
前烘的方式有烘箱烘烤、红外线加 热和热板烘烤。
匀胶、前烘一体机
5.1.5 曝光
曝光就是把掩模版上的图形成像到硅片上
接触式光刻机掩模版
硅圆片
1:1曝光
投影（缩小）曝光
投影式光刻机掩模版
硅圆片
5.1.6 显影和坚膜
显影是把曝光后的硅片放在显影液里进行 处理。对于负胶，未曝光部分被溶解在显影液 里；对于正胶，曝光部分被溶解在显影液里。 要正确地控制曝光量和合适的显影条件（温度、 浓度、时间），既不能曝光、显影不足，也不 能曝光、显影过度。
真空接触
硬接触
软接触
20 μm 接近式 20 μm 接近式（胶中加了 增强对比度材料）
接触式曝光机
接近式曝光机
间隙 调整杆
接近式曝光机原理
掩膜版 硅片
正面图形对准
图形
掩膜版 硅片
背面图形对准
图形 有些工艺需要在没有对准记号的硅片背面 进行加工，这就需要利用正面图像上的对准记 号进行对准，对背面的光刻胶曝光。
涨性好； ● 去胶容易，不留残渣；
光刻胶的留膜率
光刻胶的留膜率是光刻胶的重要指标之一。 从理论上讲，正胶的未曝光部分（负胶则是曝 光部分）是不溶于显影液的（以下统称为“非 溶性胶膜”） ，实际上也被显影液溶解，只是 困难些。所以光刻胶的“留膜率”就是曝光显影 后非溶性胶膜厚度（如正胶的未曝光部分）与 曝光前胶膜厚度之比。要求光刻胶具有较高的 留膜率。
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。
第3章_5_光刻
ASML选择Cymer公司EUV光源 伴随着大量的新闻发布，Cymer公司在SEMICON West 2007期间宣布其在极紫外线（EUV）光刻 光源上的成功。
资料2
国内首台具有世界领先水平、拥有自主知识产权 的直写式光刻机即将于2007年12月底在合肥面世， 标志着我国亚微米级光刻机完全依赖进口的局面 将被打破。 据悉，由芯硕半导体（合肥）有限公司生产的两 台直写式光刻机样机已进入最后的总装调试阶段， 其分辨率达到亚微米级，从两个主要的性能指标 分辨率和产能考虑，与目前在此领域先进的日本 和德国同类产品相比，芯硕的产品处于世界领先 水平。
5 显影
把已曝光的硅晶片浸入显影液中，使胶膜中的潜 影显示出来。 经过曝光后的光刻胶中受到光照的部分因发生化 学反应，大大改变了这部分光刻胶在显影液中的 溶解度。 对于正胶来说，受到光照部分的光刻胶在显影液 中被溶解掉。 对于负胶来说，未受到光照部分的光刻胶在显影 液中被溶解掉。
6、坚膜
光刻在显影时被泡软，为了去除显影后胶残留的溶 剂使显影后胶膜进一步变硬，并使其与SiO2更好的 粘附，必须经再一次烘烤，150~200 ℃温度下烘 烤20~40分钟，也称硬烤。
1.22109 对电子： L E 1/ 2 2.738 1011 对离子： L [ E ( M / M )]1/ 2 P
M是离子的质量，MP是质子的质量
3.5.3 紫外线曝光
通常使用汞弧光灯所产生的紫外光作为步进曝 光机的光源。考虑光刻胶及光学系统的影响： K1 L NA K1是与光刻胶材料及工艺相关的常数，NA是曝 光机光学系统的光圈值。 聚焦深度： K2 DOF NA K2是另一个与光刻胶有关的常数，要在硅晶片 上获得良好的图形，要有小的最小线宽，一定 的聚焦深度。两者要兼顾。
(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
光刻技术
光刻技术第一章光刻摘要目前，集成电路已经从2O世纪6O年代的每个芯片上仅几十个器件发展到现在的每个芯片上可包含约1O亿个器件，其增长过程遵从摩尔定律，即集成度每3年提高4倍。
集成电路之所以能飞速发展，与由光刻技术直接决定单个器件的物理尺寸的减小密切相关。
光刻技术的不断发展为集成电路技术的进步提供了3方面的保证：其一是大面积均匀曝光，在同一块硅片上能同时做出大量器件和芯片，保证了批量化的生产水平；其二是图形线宽不断缩小，使用权集成度不断提高，生产成本持续下降；其三，由于线宽的缩小，器件的运行速度越来越快，使用权集成电路的性能不断提高。
全球IC制造业在2004年取得辉煌业绩，销售总额达到2180亿美元，提前完成了国际半导体技术发展路线图(ITRs)的90 rim节点进程，1O多座300 inn3晶圆厂正在投产或共建，全球以Intel为首的十大IC供应商都在加紧研发65 am工艺，Intel、TI、三星、东芝、台积电开始小批量生产65 rim工艺的IC，谋求技术领先，抢占市场。
根据2004年修正的ITRS最新技术进程可知，90 nnl 节点正好在2004年完成了DRAM 指标，65 rim节点预定在2007年和45 nm节点预定在2010年达到DRAM 的生产水平(如表1所示)，由于存储器IC的制造工艺最成熟，而且单元电路相同，比较容易设计和测试。
对于电路单元更复杂的逻辑IC和混合IC来说，65 am节点和45 nm节点的完成时间要推后2年，分别至2009年和2012年完成。
．表1 2003年ITRS最新Ic技术进程年份2003 2004 2005 2006 2008 2009 2010 2011 2012 DRAM半栅长100 90 80 70 65 55 50 45 35 生产水平/nm随着集成度的提高，光刻技术所面临的困难也越来越多。
为了解决这些问题，人们想出许多新的光刻技术，下面就介绍各种新型光刻技术的进展，主要有193 nm浸入式技术、157 rim极短紫外光(EUV)、电子束投影光刻(EPL)和纳米压印光刻等。
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光刻胶厚度
t=k p2
k约等于100
p是光刻胶中固体含量百分比（p越大粘度越大）
ω是涂胶的旋转转速
光刻胶越厚，台阶覆盖和抗刻蚀性能越好，但分辨 率越差，一般厚度1微米左右。
光刻胶旋转速度曲线
3. 软烘（Soft Bake）
工艺目的：去除光刻胶中的溶剂
改善胶的粘附性
优化胶的光吸收特性和显影能力
掩膜版（Reticle或Mask）
掩膜版的材质有玻璃和石英之分，亚微米及以下 技术都用石英版，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。
掩膜版的制造
用设计软件例如Cadence生成版图文件（ .gds）。
制版机根据版图文件用激光或者电子束将图形写 到掩膜版上，小尺寸图形需要用电子束，花费也 相对更高。
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。
工艺方法：热板，温度高于前两次烘焙
8. 显影检查
8. 显影检查
由于光刻胶和 衬底折射率不 匹配，抗反射 膜（ARC）类 型不匹配
由于光刻胶 和衬底酸碱 不平衡
由于光刻胶 顶部受到过 多的显影
8. 显影检查
由于光刻胶 受到空气中 氨分子（碱 性）对其光 酸分子在表 面的中和
4. 对准和曝光（Align and Exposure）
对准曝光系统分为两大类：接触式对准曝光系统 和投影式对准曝光系统。 接触式对准曝光系统简单、相对便宜，硅片上图 形与掩膜版完全相同
接触式曝光 易损坏掩膜版
接近式曝光 掩膜版寿命长、分辨率差
投影式曝光是集成电路主流工艺
可实现4倍到10倍的图形缩小，分辨率高
成分的显影液
涂胶工艺
工艺目的：在硅片上沉积一层均匀的光刻胶薄膜。
工艺方法：
1. 滴胶
2. 匀胶 ：转速500rpm～700rpm
3. 旋转：转速 3000rpm-5000rpm
工艺要求：
厚度：1.0μm左右 均匀性：3％以内
自动涂胶/显影系统－涂胶模块
涂胶模块剖面图
涂胶模块 示意图
套准精度
套准精度与曝光前的对准步骤相关
好的套准精度可以有更宽松的版图设计规则，从 而减小器件尺寸
光刻质量监控图形
光刻质量监控图形
光刻质量监控图形
光刻质量监控图形
光刻质量监控图形
最大曝光场（步进光刻机）
一般来说，曝光视场决定了最大芯片面积。
投影缩小越大，制版要求越低，曝光视场越小。
制版时需说明为亮版还是暗版。
版图文件
亮版
暗版
5.2 光刻工艺原理
光刻工艺的8个基本步骤 2. 旋转涂胶
1. 气相成底膜
3. 软烘
5. 曝光后烘培（PEB）
4. 对准和曝光
6. 显影
7. 坚膜烘培
8. 显影检查
光刻工艺的8个基本步骤
1. 气相成底膜（HMDS priming)
工艺目的： 增加光刻胶（共价键）与硅片表面层的粘附性，在 表面为二氧化硅等（离子键、亲水）时尤其重要。
缓解涂胶时产生的应力
防止曝光时挥发污染设备。
溶剂含量
65%~85% 10%~20% 4%~7%
涂胶前
涂胶后
软烘后
工艺方法：热板烘烤 温度：85oC到120oC
时间：30秒到60秒
特点：光刻胶底部溶剂先挥发，避免气泡
每次一片，适合自动轨道流水作业
自动涂胶/显影系统设备－热板
软烘不当的后果 温度过高或时间过长： 光刻胶光敏感度降低 温度过低或时间不够： 光刻胶显影选择比下降
特点：碱性、水性显影液、轻度腐蚀硅
1. TMAH 喷淋显影，转速1000rpm～1500rpm
2. 去离子水喷淋定影，转速 1000rpm～1500rpm
3. 原位旋转甩干
工艺要求： 均匀性：3％以内
显影及显影后的硅片图形
7. 坚膜烘培（Hard Bake）
工艺目的：
使存留在光刻胶中的溶剂彻底挥发，提高光刻胶
工艺步骤： 1、硅片清洗：污染物会导致光刻胶起层和针孔 2、脱水烘焙：光刻胶与水分子的粘附性差 3、HMDS成底膜：防止硅片吸潮、增强光刻胶粘附
气相HMDS成底模技术
最常用的HMDS成底模技术 原理：HMDS是液态具有很高的蒸汽压，使HMDS 气流通过加热的硅片表面即可形成底膜。 优点：HMDS消耗量小 工艺时间短 沾污风险小
NIKON光刻机
5. 曝光后烘培（PEB）
工艺目的：促进关键化学反应（DUV光刻胶）
去除溶剂增强粘附性（I线光刻胶）
防止产生驻波效应（I线光刻胶）
工艺方法：热板，温度高于软烘
6. 显影 （Develop）
工艺目的： 溶解硅片上 曝光区域 的胶膜，形 成精密的光 刻胶图形。
工艺方法：
正胶显影液： 2.38% 的四甲基氢氧化铵（TMAH）
焦深限制光刻胶厚度，并要求表面平坦化
焦深
从焦深公式中看出提高分辨率降低了焦深，两个 参数互相制约。 分辨率和焦深是现代分步重复光刻机或步进扫描 光刻机非常重要的参数
套准精度
套准精度是掩膜版上的图形与硅片上的图形的对 准程度。
根据光刻的要求，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。 套准精度一般是特征尺寸的1/5 ~ 1/4
由于光刻胶 对光的吸收， 使得光刻胶 底部接收到 的光比顶部 少
由于光刻胶 同衬底的粘 附性不好， 或者HMDS 表面处理不 良，或底部 切入
5.3 光学光刻
光谱
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。
入射光线
θ1
折射率n1
折射率n2
θ2
折射光线
Snell定律：n1 sinθ1 = n2 sinθ2
光的衍射
当光穿过一个小孔或经过一个轮廓分明的边缘时，
沿小孔边缘产生了干涉图形，结果得到了一个模糊
的图像，这种现象称为衍射。
波长越大 小孔尺寸越小 衍射越明显
光的衍射
衍射光强度随衍射角的变化由小孔图形的傅里叶变
投影式对准曝光系统组成
1. 紫外光源 2. 光学系统
3. 投影掩膜版
4. 对准系统 5. 载片台
投影式对准曝 光系统示意图
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线
传递到硅片表面光刻胶膜上, 形成光敏感物质在空
间的精确分布，最终达到图形精确转移的目的。
工艺方法：
4. 添加剂（控制光刻胶特殊方面的化学物质，备选）
正胶和负胶 正胶：曝光的部分易溶解，占主导地位 负胶：曝光的部分不易溶解 负胶的粘附性和抗刻蚀性能好，但分辨率低
正胶 光刻胶 负胶
光刻胶的种类： 根据光刻的要求，光刻胶制成与特定波长的紫外 线有显著的光化学响应，一般按照紫外线把胶分 类：i线光刻胶、g线光刻胶、DUV线光刻胶等。
提高分辨率的方法
减小工艺因子k：先进曝光技术 减小光源的波长：汞灯准分子激光（等离子体） 增大介质折射率：浸入式曝光
增大θm：增大透镜半径、减小焦距
图中分辨率为0.25μm
焦深（DOF）
焦深是焦点上下的一个范围，在这个范围内图像 连续保持清晰。焦深类似照相的景深，集成电路 光刻中的景深很小，一般在1.0μm左右。
气相成底模工艺方法：
硅片放在成底膜真空腔中的热板上，热板温度控 制在200 ℃ ～250℃，用N2携带六甲基二硅胺烷 （HMDS）进入真空腔，处理时间60秒。这样在 硅片上形成了底膜。
自动涂胶/显影系统－气相成底膜模块
2. 旋转涂胶（Spin Coating）
光刻胶是一种有机化合物，它受紫外线曝光后在显 影液中的溶解度发生显著变化。
传统的正性I线光刻胶溶解于显影液的机理
1. 树脂是悬浮于溶剂中的酚醛甲醛聚合物（ 线性酚
醛树脂）
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 学分解产生羧酸 4. 羧酸提高光刻胶曝光区域的线性酚醛树脂的溶解 度
化学放大（CA）深紫外光刻胶 常规的I线光刻胶体系的光吸收敏感性对于更短的 DUV波长较差。
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
对准标记
8张掩膜版及经过8次对准和曝光形成的CMOS器件结构
分步重复式光刻机
NSR2005 i9c 型
光刻胶的目的
1. 做硅片上的图形模版（从掩膜版转移到硅片上的图 形） 2. 在后续工艺中，保护下面的材料（例如刻蚀或离子 注入）
光刻对光刻胶的要求：
1. 分辨率高（区分硅片上两个相邻特征尺寸图形的 能力强） 2. 对比度好（指曝光区和非曝光区过渡的陡度）