第7章-光学光刻要点教学内容
光刻
光刻一、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。
二、光学基础：光的反射（reflection）。
光射到任何表面的时候都会发生反射，并且符合反射定律：入射角等于反射角。
在曝光的时候，光刻胶往往会在硅片表面或者金属层发生反射，使不希望被曝光的光刻胶被曝光，从而造成图形复制的偏差。
常常需要用抗反射涂层（ARC，Anti-Reflective Coating）来改善因反射造成的缺陷。
光的折射（refraction）。
光通过一种透明介质进入到另一种透明介质的时候，发生方向的改变。
主要是因为在两种介质中光的传播速度不同（λ=v/f）。
直观来说是两种介质中光的入射角发生改变。
所以我们在90nm工艺中利用高折射率的水为介质（空气的折射率为1.0，而水的折射率为1.47），采用浸入式光刻技术，从而提高了分辨率。
而且这种技术有可能将被沿用至45nm工艺节点。
光的衍射或者绕射（diffraction）。
光在传播过程中遇到障碍物（小孔或者轮廓分明的边缘）时，会发生光传播路线的改变。
曝光的时候，掩膜板上有尺寸很小的图形而且间距很窄。
衍射会使光部分发散，导致光刻胶上不需要曝光的区域被曝光。
衍射现象会造成分辨率的下降。
光的干涉（interference）。
光刻
光刻的质量分析----小岛 光刻的质量分析 小岛
含义： 它是指残留在光刻窗口上细小的二氧化硅。这些小岛阻挡 了杂质的扩散，使得PN结不平坦，影响器件的性能。 原因 1）在光刻版上不透光区域中存在小孔或者透光点，因而在 硅片上会有小岛。 2）在光刻胶中有颗粒状不溶性物质残留在硅片的表面，使 得局部小区域的二氧化硅腐蚀不掉，形成小岛 3）曝光过度，使得局部区域显影不干净，残留在胶膜底部， 腐蚀以后形成小岛。 解决方法 掩模版的质量要好，涂胶要均匀，曝光要合适。
时间：时间越长，光刻膜与片基粘贴越好
时间过长：增感剂挥发过多，大大减少了光刻胶 的感光度 时间过短：光刻胶中的溶剂尚未充分挥发 ，降低 显影质量，引起图形变形
速度：对于较厚的胶膜，前烘的速度要慢
表面干燥的过快，内部溶剂来不及挥发，造成胶 膜发泡而产生针孔，导致产生浮胶。
对位曝光 目的：将硅片表面的图形与掩膜版的图形对 准，采用一定的光源激活光刻胶中的光敏成 分，实现图形的转移。 对位：曝光时各大掩膜版之间要严格套准
掩膜版 衬底材料为熔融石英 淀积在衬底材料上的一般为铬，通过溅射淀 积得到 另外也有氧化铁的掩膜版
光刻胶
光刻胶的作用：利用光敏特性，实现临时图 形的转移，并在后续工艺中，保护其下方材 料，具有抗蚀性 光刻胶的种类
正胶—曝光部分被溶解，非曝光部分保留 负胶—非曝光部分被溶解，曝光部分保留
光刻胶的配制
λ ~ 0.004 nm 已得到的最小几何尺寸: 0.014 µm 已得到的最小几何尺寸 可直接复制图形, œ需要掩膜 可直接复制图形 œ 需要掩膜 低产出
离子束（ 离子束（IBL）光刻 ）
λ小于 小于0.0001纳米 小于 纳米 能得到更高的分辨 能得到更
直接曝光（ 类似） 直接曝光（与EBL类似） 类似 直接离子注入和离子轰击刻蚀， 直接离子注入和离子轰击刻蚀，减少工艺步骤
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。
光刻工艺培训资料
对准图形
三种曝光方式
接触曝光：光的衍射效应较小，因而分辨率高；但易损坏
掩模图形。
接近式曝光：延长了掩模版的使用寿命，但光的衍射效应
更为严重，因而分辨率只能达到2—4um 左右。
投影式曝光：掩模不受损伤，提高了对准精度，也减弱了
灰尘微粒的影响。缺点是投影系统光路复杂，对物镜成像 能力要求高。
光刻的意义 光刻是半导体芯片加工中的关键工序！
光刻确定了管芯的关键尺寸，外观图形。
光刻过程中的错误可造成图形歪曲、残缺，可直接导 致图形外观异常，并最终可转化为对管芯的电特性产 生影响。 图形的错位（对版偏移）也会导致类似的不良结果。
光刻工艺流程
衬底 涂胶 衬底 前烘 衬底 曝 光
衬底
坚膜
显影 衬底 衬底
光刻胶
定义: 光刻胶(Photoresist简称PR)又称光致抗蚀剂，它是一种对光敏感的 有机化合物，它受紫外光曝光后，在显影液中的溶解度会发生变化。 作用： a、将掩膜板上的图形转移到晶片表面的光刻胶中； b、在后续工序中，保护下面的材料（刻蚀）。 目前我厂用到的光刻胶： 正性光刻胶： EPG 518 （用于台面光刻）、 RZJ-304(用于ITO、SIO2光刻）。 负性光刻胶：KMP3130B(用于PN光刻）
光刻胶 衬底 蒸镀材料
涂胶方式
光刻胶的涂覆常用方法是旋转涂胶法：静态旋转和动态喷洒 静态涂胶：首先把光刻胶通过管道堆积在晶圆的中心，然后低速 旋转使光刻胶铺开，再高速旋转甩掉多余的光刻胶，高速旋转时 光刻胶中的溶剂会挥发一部分。
光刻工艺流程
动态喷洒：随着wafer直径越来越大，静态涂胶已不能满 足要求，动态喷洒是以低速旋转，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，然后高速旋转完成最终要求薄而均匀的光刻 胶膜。
光刻基本知识介绍
光刻基本知识介绍(Optical Lithography)随着科技的进步，微电子工业的制造技术一日千里，其中微影技术扮演着最重要的角色之一。
只要关于图形上的定义（patterning），皆需要使用微影技术，本文将对一般最常使用的光学微影技术（Optical Lithography）作一简单的介绍。
所谓的光微影术，简单的说就是希望将设计好的线路图形，完整且精确地复制到晶圆上。
如图一所示，半导体厂首先需将设计好的图形制作成光罩（photo mask），应用光学成像的原理，将图形投影至晶圆上。
由光源发出的光，只有经过光罩透明区域的部分可以继续通过透镜，而呈像在晶圆表面。
晶圆表面事先需经清洁处理，再涂抹上类似底片功能的感光化学物质，称为光阻剂(photo resist）。
通过光罩及透镜的光线会与光阻剂产生反应，通常我们称此步骤为曝光。
图一：为标准光微影制程，曝光源通过光罩、透镜，最后将光罩图形成像于晶圆上。
(取自Ref. 1)曝光后的晶圆需再经显影( development ) 步骤，以化学方式处理晶圆上曝光与未曝光的光阻剂，即可将光罩上的图形完整地转移到芯片上，然后接续其它的制程。
因此在光微影技术中，光罩、光阻剂、光阻涂布显影设备、对准曝光系统等，皆是在不同的制程中，可以视需要选择使用不同的光阻剂，以移除或保留选定的图形，类似雕刻中的阴刻或阳刻技巧。
如图二所示，右边使用的是正光阻，经光罩阻挡而未曝光的部份可以保护底下的晶圆，曝光的部份最后则经蚀刻移除；图左使用的是负光阻，移除的是曝光的部份。
图二：选择使用不同的光阻剂的制程；右下图使用的是正光阻，左下图使用的是负光阻。
(取自Ref. 2)一般来说，IC的密度越高，操作速度越快、平均成本也越低，因此半导体厂商无不绞尽脑汁要将半导体的线宽缩小，以便在晶圆上塞入更多晶体管。
然而，光微影术所能制作的最小线宽与光源的波长成正比(稍后解释) ，因此要得到更小的线宽，半导体制程不得不改采波长更短的光源。
光刻培训
2. 根据光刻胶能形成图形的最小光刻尺寸来分：传统光刻胶和化学放大 光刻胶。 传 统 光 刻 胶 。 适 用 于 I 线 （ 365nm ） 、 H 线 （ 405nm ） 和 G 线 （436nm），关键尺寸在0.35μm 及其以上。 化学放大光刻胶（ CAR ， Chemical Amplified Resist ）。适用于 深紫外线（DUV）波长的光刻胶，如KrF（248nm）和ArF（193nm）。
前烘（软烘）注意事项
掩膜板/光罩
1、掩膜板的分类： (1) 光掩膜板（ Photo Mask ）包含了整 个衬底片的芯片图形特征，进行 1 ： 1 图形复制。该掩膜板用于接近式光刻 和扫描对准投影机中; (2)投影掩膜板（Reticle）。只包含衬 底片上的一部分图形（例如四个芯 片），一般为缩小比例（一般为 4 ： 1）。需要步进重复来完成整个硅片的 图形复制。 投影掩膜板的优点：投影掩膜板的 特征尺寸较大（4×），掩膜板制造更 加容易；掩膜板上的缺陷会缩小转移 到硅片上，对图形复制的危害减小； 使曝光的均匀度提高。
光刻基本知识
6. 数值孔径（NA, Numerical Aperture）。透镜收集衍射光（聚光）的 能力。一般来说NA 大小为0.5－0.85。提高数值孔径的方法：提高介 质折射率n，采用水代替空气；增大透镜的半径； 7. 分辨率（Resolution）。区分临近最小尺寸图形的能力。提高分辨率 的方法：减小光源的波长、采用高分辨率的光刻胶、增大透镜半径、 采用高折射率的介质，即采用浸入式光刻技术、优化光学棱镜系统以 提高k（0.4-0.7）值（k 是标志工艺水平的参数）； 8. 焦深（DOF，Depth of Focus ）。表示焦点周围的范围，在该范围内 图像连续地保持清晰。焦深是焦点上面和下面的范围，焦深应该穿越 整个光刻胶层的上下表面，这样才能够保证光刻胶完全曝光。增大焦 深的方法：增大光源的波长、采用小的数值孔径、利用CMP 进行表面 平坦化。由于前两种方法会降低分辨率，而分辨率是芯片制造所努力 提升的重要参数，因此我们需要在看上去相互矛盾的两个方面做出某 种平衡。一般在保证基本的焦深要求下不降低分辨率，即以分辨率为 主。所以，现在一般采用CMP平坦化技术保证足够的焦深。
光刻工艺.pptx
一、接触式曝光
由于掩膜版与硅片相接触磨损，是掩膜 版的寿命降低。
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二、接近式曝光
接近式曝光是以牺牲分辨率来延长 了掩膜版的寿命 大尺寸和小尺寸器件上同时保持线 宽容限还有困难。另外，与接触式 曝光相比，接近式曝光的操作比较 复杂。
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三、投影式曝光
避免了掩膜版与硅片表面的摩擦，延长 了掩膜版的寿命。
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几种实用的光刻胶配方。 PMMA对210nm到260nm的紫外光有感光性， 感光性最佳的紫外光光谱约为220nm； PMIK的紫外光感光光谱为220nm到330nm， 峰值光谱约为190nm和285nm。
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AZ240系列光刻胶的感光光谱为240nm到 310nm，峰值光谱约为248nm、300nm、 315nm。 ODVR系列光刻胶的感光光谱为200nm到 315nm，峰值光谱为230nm、280nm、 300nm。
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打底膜（六甲基二硅亚胺HMDS）
六甲基二硅亚胺HMDS反应机理
OH
SiO2 ＋(CH3) 3SiNHSi(CH3)
3
OH
O-Si(CH3) 3
SiO2
+NH
O-Si(CH3) 33
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曝光方法
曝光有多种方法：光学曝光就可分为接 触式、接近式、投影式、直接分步重复 曝光。此外，还有电子束曝光和X射线曝 光等。曝光时间、氮气释放、氧气、驻 波和光线平行度都是影响曝光质量
掩膜版的尺寸可以比实际尺寸大得多， 克服了小图形制版的困难。
消除了由于掩膜版图形线宽过小而产生 的光衍射效应，以及掩膜版与硅片表面接 触不平整而产生的光散射现象。
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投影式曝光虽 有很多优点， 但由于光刻设 备中许多镜头 需要特制，设 备复杂
《微纳制造技术》教学大纲
《微纳制造技术》教学大纲课程代码：NANA2027课程名称：微纳制造技术英文名称：Nanofabrication课程性质：专业教学课程学分/学时： 2分/36时考核方式：闭卷考试、课堂报告、课后作业开课学期： 5适用专业：纳米材料与技术先修课程：半导体器件物理后续课程：新能源材料与技术、纳米材料表征技术选用教材：唐天同，《微纳加工科学原理》，电子工业出版社，2010年一、课程目标通过本课程的理论教学与课后作业，使学生具备以下能力：熟悉微纳制造常用的工艺及方法，了解其应用场景及对比不同方法之间优缺点；可以运用公式计算解决材料选择、加工参数相关问题；对新兴微纳制造技术及未来发展趋势有一定了解。
（支撑毕业要求1-2）了解微纳制造工艺的基本概念、方法、理论、加工设备的发展演变过程和发展趋势，并结合微纳制造工艺在集成电路、纳米传感、光电子等器件领域应用，对微纳制造这一前沿研究领域有初步认识，建立相关领域的知识储备结构，并能在今后的工作中加以结合与应用。
（支撑毕业要求2-2）二、教学内容第一章绪论（支撑毕业要求1-2）课时：1周，共2课时教学内容：一、微电子的发展历史二、集成电路基本工艺流程三、纳米制造的发展要求学生：了解微电子工业以及微纳制造技术的发展历史，认识当前集成电路加工的主要流程和工艺。
第二章微电子与光电子集成技术中使用的材料（支撑毕业要求1-2，2-2）课时：2周，共4课时教学内容第一节晶体结构与性质一、晶体的几何结构二、晶体的电学性质三、晶体的光学性质第二节半导体材料一、元素半导体二、I II-V族半导体三、I I-VI族半导体四、I V-IV族化合物半导体第三节纳米结构与材料一、半导体超晶格结构二、量子阱、量子线和量子点要求学生：对晶体材料的几何结构、能带结构和电学性质基础认知；了解硅与几种典型半导体材料的特点和用途；了解新型一维、二维材料的结构特点以及用途。
第三章光刻（支撑毕业要求1-2，2-2）课时：2周，共4课时教学内容第一节光学光刻一、接触式和接近式曝光光刻二、投射式光刻三、先进光刻技术和其他改进分辨率的方法第二节光刻胶一、光刻胶类型三、涂敷和显影工艺三、光刻胶的化学放大和对比度增强技术第三节 X射线曝光技术一、X射线曝光原理二、X射线曝光技术应用要求学生：了解光刻技术的种类；学会改进分辨率的方法及相关参数计算；熟悉光刻工艺的具体步骤；认识新型光刻设备的优点及其应用；掌握使用软件绘制简单的光刻掩膜版的能力。
第七章 图形转移
7.3.3பைடு நூலகம்掩 膜 版
• 传统的光学光刻掩膜版是在石英板上淀积薄的铬层，然后在铬 传统的光学光刻掩膜版是在石英板上淀积薄的铬层， 是在石英板上淀积薄的铬层 层上形成图形。 层上形成图形。 • 石英玻璃板：热扩散系数低，受温度变化的影响小；对248nm 石英玻璃板：热扩散系数低，受温度变化的影响小； 波长的通透效果最好。 和193nm波长的通透效果最好。 波长的通透效果最好 • 铬层：对光线完全不透明，而且淀积和刻蚀都比较容易。实际 铬层：对光线完全不透明，而且淀积和刻蚀都比较容易。 上由三层组成，其中铬层的下面是氮化物或氧化物 氮化物或氧化物层 上由三层组成，其中铬层的下面是氮化物或氧化物层，作用是 增加铬膜与石英玻璃之间的黏附力；铬层上面还有20nm左右 增加铬膜与石英玻璃之间的黏附力；铬层上面还有 左右 抗反射层。 的Cr2O3抗反射层。 • 保护膜：采用硝化纤维素醋酸盐和碳氟化合物，形成1－2微米 保护膜：采用硝化纤维素醋酸盐和碳氟化合物，形成 － 微米 的保护膜，保护掩膜版不受灰尘等污染。 的保护膜，保护掩膜版不受灰尘等污染。
反射式曝光系统复杂
掩膜构造复杂， 掩膜构造复杂 ， 曝光方式本质 上是电子作用。 上是电子作用。
1.很高分辨率，可用于光刻修补； 很高分辨率，可用于光刻修补； 很高分辨率 2.存在随机空间电荷问题； 存在随机空间电荷问题； 存在随机空间电荷问题 3.直写，不需要掩膜版。 直写， 直写 不需要掩膜版。
光收集： 光收集：2 混光： 混光：7 光过滤： 光过滤：5,6 准直和成形： 准直和成形： 4,9
对光学成像系统进行评价的指标 分辨率 聚焦深度 对比度
表示能分辨的最小线宽， 表示能分辨的最小线宽，能分辨的线宽越 分辨率越高。用雷利判据表示。 小，分辨率越高。用雷利判据表示。 沿着光通路，在图形聚焦的情况下， 沿着光通路，在图形聚焦的情况下，衬底 可以移动的距离。 可以移动的距离。 是指曝光图形的光学反差，对比度越高， 是指曝光图形的光学反差，对比度越高， 刻出来的图形质量越好。 刻出来的图形质量越好。
第7章光刻胶
4、匀胶后烘（软烘）
使光刻胶中的大部分溶剂蒸发 溶剂帮助得到薄的光刻胶膜但是吸收光并且影
响黏附性 曝光后烘时间和温度取决于工艺条件 过烘：聚合，光敏性降低 后烘不足：影响黏附性和曝光
5、曝光
软烘条件控制的重要性
前烘的作用是去除胶中大部分溶剂，使胶的曝光性能稳 定。胶在显影剂中的溶解速度极大地依赖于光刻胶中最 终的溶剂浓度。
例 题 8.2
7.5 光刻胶的涂敷和显影
介绍光刻工艺中除曝光与刻蚀以外的工序。
硅片清洗
去除玷污 去除微粒
减少针孔和其他缺陷
提高光刻胶黏附性
基本步骤
化学清洗
传统方法
冲洗
高压氮气吹
干燥
刷子旋转刷
高压水冲洗
1、光刻工艺-前烘
去水烘干 去除硅片表面的水份 提高光刻胶与表面的黏附性 通常在100℃ 与前处理同时进行
硅片自动输送轨道系统；真空卡盘吸住硅片；胶盘 排气系统：可控旋转马达；给胶管和给胶泵 边缘清洗（去边）
边缘光刻胶的去除方法
a、化学的方法（Chemical EBR）。软烘 后，用PGMEA或EGMEA去边溶剂，喷出少 量在正反面边缘出，并小心控制不要到达光刻 胶有效区域；
b、光学方法（Optical EBR）。即硅片边缘 曝光（WEE，Wafer Edge Exposure）。在 完成图形的曝光后，用激光曝光硅片边缘，然 后在显影或特殊溶剂中溶解。
酚醛树脂基化合物是IC制造中最常用的光刻胶的主要 成分。胶中通常有三种成分，即树脂或基体材料、感 光化合物（PAC）、溶剂。PAC是抑制剂，感光前， 抑制光刻胶在显影液中的溶解。感光后，起化学反应， 增加了胶的溶解速度。
光刻胶分正胶和负胶。
光刻胶的类型
光学光刻技术
光学光刻技术一、光学光刻光学光刻是通过广德照射用投影方法将掩模上的大规模集成电路器件的结构图形画在涂有光刻胶的硅片上，通过光的照射，光刻胶的成分发生化学反应，从而生成电路图。
限制成品所能获得的最小尺寸与光刻系统能获得的分辨率直接相关，而减小照射光源的波长是提高分辨率的最有效途径。
因为这个原因，开发新型短波长光源光刻机一直是各个国家的研究热点。
除此之外，根据光的干涉特性，利用各种波前技术优化工艺参数也是提高分辨率的重要手段。
这些技术是运用电磁理论结合光刻实际对曝光成像进行深入的分析所取得的突破。
其中有移相掩膜、离轴照明技术、邻近效应校正等。
运用这些技术，可在目前的技术水平上获得更高分辨率的光刻图形。
20世纪70—80年代，光刻设备主要采用普通光源和汞灯作为曝光光源，其特征尺寸在微米级以上。
90年代以来，为了适应IC集成度逐步提高的要求，相继出现了g谱线、h谱线、I谱线光源以及KrF、ArF等准分子激光光源。
目前光学光刻技术的发展方向主要表现为缩短曝光光源波长、提高数值孔径和改进曝光方式。
二、移相掩模光刻分辨率取决于照明系统的部分相干性、掩模图形空间频率和衬比及成象系统的数值孔径等。
相移掩模技术的应用有可能用传统的光刻技术和i线光刻机在最佳照明下刻划出尺寸为传统方法之半的图形，而且具有更大的焦深和曝光量范围。
相移掩模方法有可能克服线/间隔图形传统光刻方法的局限性。
随着移相掩模技术的发展,涌现出众多的种类,大体上可分为交替式移相掩膜技术、衰减式移相掩模技术；边缘增强型相移掩模,包括亚分辨率相移掩模和自对准相移掩模；无铬全透明移相掩模及复合移相方式(交替移相+全透明移相+衰减移相+二元铬掩模)几类。
尤其以交替型和全透明移相掩模对分辨率改善最显著,为实现亚波长光刻创造了有利条件。
全透明移相掩模的特点是利用大于某宽度的透明移相器图形边缘光相位突然发生180度变化,在移相器边缘两侧衍射场的干涉效应产生一个形如“刀刃”光强分布,并在移相器所有边界线上形成光强为零的暗区,具有微细线条一分为二的分裂效果,使成像分辨率提高近1倍。
光刻工艺培训教程
光刻工艺培训教程2009年10月31日星期六15:51一. 总纲1. 什么是光刻？对光刻总的质量要求是什么？光刻就是将掩膜版上的几何图形转移到涂有一层光刻胶的硅片表面的工艺过程。
对光刻总的质量要求为：①条宽符合指标要求②套刻精度符合指标要求③胶厚符合指标要求④无缺陷⑤胶图形具有较好的抗腐蚀能力2. 在我们生产线的工艺中，一般有那些光刻工序层次？其中那些是关键层，为什么称之为关键层？对不同的工艺流程，光刻的层次可能会有所不同，一个典型的1.0微米单多晶双铝工艺一般需要有如下的光刻层次：阱，有源区，场注，多晶，N-LDD，N+S/D，P+S/D，接触孔，孔注，金属-1，通孔，金属-2，钝化孔。
其中，有源区，多晶，接触孔，金属-1，通孔，金属-2我们称之为关键层。
之所以称之为关键层，是因为这些层次的光刻：①直接影响器件的电学性能或对最终成品率有重大影响②条宽要求最严格③套刻精度要求最严格3. 典型的光刻流程。
一个典型的光刻全过程为：硅片表面预处理→涂胶（去边）→前烘→（对位）曝光→PEB烘→显影→后烘→显检（测量）二. 涂胶前处理1. 涂胶前为什么要进行增粘处理？一般可利用亲水/疏水理论对其进行解释。
由于衬底表面吸水存在氢氧基团，使疏水的光刻胶无法与亲水的硅片表面结合良好。
通常的方法是使用hydroxy getter化学方法去除表面的OH基团，一般采用alkylsilane compounds,如HMDS.2. 使用烘箱进行HMDS增粘处理要注意那些问题？使用烘箱进行HMDS增粘处理的注意事项：①预处理完的硅片应在一定的时间内尽快涂胶，以免表面吸附空气中的水分，降低增粘效果。
但同时也要充分冷却，因硅片的温度对胶厚有很大的影响。
②反复预处理反而会降低增粘效果。
③HMDS的瓶盖打开后，其寿命有限，一定要尽快用完。
三. 涂胶1. 对涂胶总的质量要求是什么？对涂胶总的质量要求为：①胶厚符合指标要求②均匀性符合指标要求③缺陷少④去边整齐⑤硅片背面沾污小2. 涂胶的典型过程。
光学光刻
使阳极高速旋转。
2、等离子体 X 射线源 用聚焦的高能电子束或激光束轰击金属薄膜，使之蒸发成 为等离子体。超热的金属等离子体蒸汽将发射 X 射线，波长为 0.8 ~ 10 nm 。 这种 X 射线源从激光到 X 射线的转换效率约为 10%，光强 比较强，并有非常小的直径，比较适合于光刻。
例：当 0.436 μm (g线), g 20μm 时，Wmin 2.95μm
三 投影式光刻机
一、分辨率与焦深
投影式光刻机的分辨率由 雷利第一公式 给出，即
Wmin k1
NA
式中，k1 是与光刻胶的光强响应特性有关的常数，约为 0.75 。 NA 为镜头的 数值孔径，
NA n sin
制散射投影电子束光刻（Scattering with Angular Limitation Projection Electron-beam Lithorgraphy, SCALPEL），它是
利用散射反差的对比来产生图形。掩模版的透明区用低 Z 材料
制成，不透明区用高 Z 材料制成。不透明区不是吸收电子而是 以足够大的角度散射电子，使之被光阑阻挡。这就允许使用极 高的能量，从而使低 Z 材料区几乎完全透明。 掩模版的透明区通常是富硅的氮化硅，厚约 0.1 m 。不透 明区可采用 W/Cr，厚约 0.05 m 。 在图像质量和生产效率之间存在矛盾。低电子流ns
曲折的步进图形
图形曝光在硅片上是投影 掩膜版上视场的1/5 4 mm × 3 mm, 4 die 每次曝光
Wafer
小结
限制光学曝光方式的分辨率的主要因素是衍射效应。最早 使用的接触式光刻机，分辨率可到 1 m以下，但容易损伤掩模 和硅片。解决的办法是使用接近式光刻机，但要影响分辨率。 介绍了具有亚微米分辨率的投影曝光系统。为了解决分辨率和
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。
第七章光刻
关于抗反射涂层
• 在光刻胶的下面是最终要被刻蚀形成图案的底层 薄膜。如果这个底层膜是反光的，例如金属和多 晶硅层，那麽光线将从这个膜层反射并有可能损 害临近的光刻胶。这个损害能够对线宽控制产生 不利的影响。 • 两种最主要的光反射问题是反射切口和驻波。在 刻蚀形成的垂直侧墙表面，光反射到不需暴光的 光刻胶中就会形成反射切口。驻波表征入射光波 和反射光波之间的干涉，这种干涉引起了随光刻 胶厚度变化的不均匀暴光。由于驻波，暴光后光 刻胶侧面是由过暴光和欠暴光而形成条痕。
2.高灵敏度；光刻胶的感光速度 3.精密的套刻对准； 4. 加工大尺寸硅片的效率； 5.低缺陷。
７.２ 接触式曝光
接近式曝光
光的衍射
• 接触式曝光时，掩膜与硅片表面是彼此接
触的，曝光后，胶膜中的潜影和掩膜上的
图案完全相同，比例为1比1，分辨率好(可
达1微米)。但掩膜与硅片接触会产生摩擦
和小微粒，影响转移图案的质量，因此已
７.５.２ X射线光刻掩膜
• 一倍X射线光刻掩膜一般由 低原子序 数的轻元素材料组成的约2微米厚的透光薄 膜衬基和高原子序数的重元素材料组成的 吸收体图形组成。 • 薄膜衬基要有良好的透光性和较高强度和 稳定性。薄膜衬基材料有：硅，氮化硅， 铍,碳化硅，金刚石等；
• 吸收体应有高的X射线吸收系数和足够的厚 度，吸收体图形应有足够的高宽比。材料 有金，钨，钽，钨-钛等。 • X射线光刻掩膜制备： 衬基材料如氮化硅多采用LPCVD技术， 吸收体层常采用物理蒸镀。 吸收体图形的加工要使用电子束直写和 干法刻蚀等图形能够转换技术来实现。
光学光刻PPT课件
ArF 准分子激光：193 nm
光
源
极紫外光（EUV），10 ~ 15 nm
X 射线，0.2 ~ 4 nm
电子束
离子束
.
3
接触式
有掩模方式
接近式
非接触式
反射
投影式
全场投影
曝
光
折射 步进投影
方
扫描步进投影
式
矢量扫描
无掩模方式
光栅扫描
（聚焦扫描方式） 混合扫描
.
4
7.2 衍射
当一个光学系统中的所有尺寸， 如光源、反射器、透镜、掩模版上的 特征尺寸等，都远大于光源波长时， 可以将光作为在光学元件间直线运动 的粒子来处理。
但是当掩模版上的特征尺寸接近曝光波长时，就应该把光
的传输作为电磁波来处理，必须考虑衍射和干涉。由于衍射的
作用，掩模版透光区下方的光强减弱，非透光区下方的光强增
加，从而影响光刻的分辩率。
.
5
7.3 调制传输函数和光学曝光
光 强
无衍射效应
.
有衍射效应
6
定义图形的 调制传输函数 MTF 为
MTF Imax Imin Imax Imin
.
20
.
21
优点：
1、掩模版寿命长，图形缺陷少； 2、可以使用高数值孔径的透镜来提高分辨率，通过分步 聚焦来解决焦深问题，可以在大晶片上获得高分辨率的图形；
3、由于掩模尺寸远大于芯片尺寸，使掩模制造简单，可 减少掩模上的缺陷对芯片成品率的影响。
Wmin 0.90μ. m, 7.54μm
16
二、1 : 1 扫描反射投影光刻机
优点：
光源
1、掩模寿命长，图形缺陷少。
半导体制造工艺教案7-光刻
授课主要内容或板书设计
课堂教学安排
1.1光刻的概念
光刻处于晶圆加工过程的中心，一般被认为是集成电路（
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。
光刻的基本原理图
光刻的目的
光刻实际是图形的转移，把掩膜版上的图形转移到晶圆的表面。
光刻的主要参数
光刻的环境条件
在晶圆的批量生产中，光刻机对环境的要求非常苛刻，特别是现在的深亚微米尺寸的生产线。
微小的环境变化就可能导致器件的各种缺陷。
刻设备有一个要求非常严格的密封室控制各种条件，例如温度、振动、颗
光刻的基本工艺步骤
气相成底膜示意图旋转涂胶
旋转涂胶示意图
曝光设备的结构示意图
显影示意图
显影检查
接近式光刻的示意图扫描投影光刻机
步进光刻的示意图
光刻质量控制
光刻胶的质量控制
光刻胶的质量控制主要体现在粘附性、胶膜厚度等方面。
对准和曝光的质量控制
对准和曝光的质量控制主要体现在光源的强度、光源的聚焦、分辨率和投影掩膜版的质量控制上。
显影检查。
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
[工学]第七章 光刻刻蚀
![[工学]第七章 光刻刻蚀](https://img.taocdn.com/s3/m/63049ad377a20029bd64783e0912a21614797fd7.png)
第四页，共156页。
两次图形转移：
掩模板图形转移到光刻胶层（光刻） 光刻胶层到晶圆层（刻蚀）
5
第五页，共156页。
）精密的套刻对准 （4）大尺寸硅片上的加工 （5）低缺陷
6
第六页，共156页。
1. 高分辨率
分辨率是将硅片上两个邻近的特征图形区分开来的能力，
目的：促进光刻胶的化学反应，提高光刻 胶的粘附性并减少驻波。
35 第三十五页，共156页。
6. 显影（Development）
• 显影液溶解部分光刻胶 • 将掩膜上的图形转移到光刻胶上
三个基本步骤: 显影－清洗－干燥
36
第三十六页，共156页。
显影的三个主要类型的问题：
不完全显影 显影不足 严重过显影。
❖ 正胶曝光后显影时感光的胶层 溶解了。
❖ 现有VLSI工艺都采用正胶
11
第十一页，共156页。
正胶机制
曝光使感光材料(PAC) 中分子裂解，被裂解的
分子在显影液中很易溶 解，从而与未曝光部分 形成强烈反差。
12
第十二页，共156页。
负性光刻胶 Negative Optical resist
负胶的光学性能是从可溶解 性到不溶解性。
光刻胶由4种成分组成： 树脂（聚合物材料）
感光剂 溶剂 添加剂（备选）
17
第十七页，共156页。
树脂
树脂是一种惰性的聚合物，包括碳、氢、氧的有机高 分子。用于把光刻胶中的不同材料聚在一起的粘合剂。
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。
通常人们用特征尺寸来评价一个集成 电路生产线的技术水平。
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Microelectronic Fabrication & MEMS Technology
11
Relative Intensity (%)
高压汞灯的光谱线
120
Emission spectrum of high-intensity mercury lamp
100
i-line
365 nm
80
g-line
第7章-光学光刻要点
Microelectronic Fabrication & MEMS Technology
1
光刻工艺的８个步骤
HMDS
Resist
1) 气相成底膜
2) 涂胶
3)前烘
UV Light
Mask
4) 对准和曝光
5) 曝光后烘焙
6)显影
7)坚膜
8)显影后检查
Microelectronic Fabrication & MEMS Technology
157 193 248 (nm)
VUV hDUV DUV
365 405 436
i
g
Common UV wavelengths used in optical lithography.
Microelectronic Fabrication & MEMS Technology
44
紫外光谱
紫外光谱
EUV
22
g 线：436 nm 紫外光（UV） i 线：365 nm
深紫外光（DUV）
KrF 准分子激光：248 nm ArF 准分子激光：193 nm
光
源
极紫外光（EUV），10 ~ 15 nm
X 射线，0.2 ~ 4 nm
电子束 离子束
Microelectronic Fabrication & MEMS Technology
方
扫描步进投影
式
矢量扫描
无掩模方式
光栅扫描
（聚焦扫描方式） 混合扫描
Microelectronic Fabrication & MEMS Technology Nhomakorabea6
7.2 衍射
当一个光学系统中的所有尺寸， 如光源、反射器、透镜、掩模版上的 特征尺寸等，都远大于光源波长时， 可以将光作为在光学元件间直线运动 的粒子来处理。
深紫外光的曝光方式与紫外光基本相同，但需注意两点， 1、光刻胶 2、掩模与透镜材料 248 nm 波长的光子能量为 4.9 eV，193 nm 波长的光子能量 为 6.3 eV ，而纯净石英的禁带宽度约为 8 eV。波长越短，掩模 与透镜材料对光能的吸收就严重，造成曝光效率降低和掩模与 透镜发热。
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Photolithography light sources
可见光谱：波长在390nm到780nm之间； 紫外光谱：波长在4nm到450nm之间。
Microelectronic Fabrication & MEMS Technology
55
接触式
有掩模方式
接近式
非接触式
反射
投影式
全场投影
曝
光
折射 步进投影
3
电磁光谱
Visible
f (Hz)
MicroGamma rays X-rays UV Infrared waves Radio waves
1022 1020 1018 1016 1014 1012 1010 10 8 10 6 10 4
(m) 10-14 10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 10 0 10 2 10 4
光 强
无衍射效应
有衍射效应
Microelectronic Fabrication & MEMS Technology
8
定义图形的调制传输函数 MTF 为
MTF Imax Imin Imax Imin
无衍射效应时，MTF = 1 ；有衍射效应时 ，MTF < 1 。 光栅的周期（或图形的尺寸）越小，则 MTF 越小；光的波长 越短，则 MTF 越大。
但是当掩模版上的特征尺寸接近光源的波长时，就应该把 光的传输作为电磁波来处理，必须考虑衍射和干涉。由于衍射 的作用，掩模版透光区下方的光强减弱，非透光区下方的光强 增加，从而影响光刻的分辩率。
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7
7.3 调制传输函数和光学曝光
VUV DUV
(nm)
可见光
Mid-UV
Violet Blue Green Yellow Orange Red
4 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700
13
126 157 193 248
365 405 436
i hg
准分子激光
汞灯
不再能被复制。
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10
7.4 光源系统
对光源系统的要求 1、有适当的波长。波长越短，曝光的特征尺寸就越小； 2、有足够的能量。能量越大，曝光时间就越短； 3、曝光能量必须均匀地分布在曝光区。 常用的 紫外光 光源是高压弧光灯（高压汞灯）。高压汞灯 有许多尖锐的光谱线，经过滤光后使用其中的 g 线（436 nm） 或 i 线（365 nm）。
Microelectronic Fabrication & MEMS Technology
9
图形的分辩率还要受光刻胶对光强的响应特性的影响。
D100 Dcr
D0
理想光刻胶：光强不到临界光强 Dcr 时不发生反应，光强 超过 Dcr 时完全反应，衍射只造成线宽和间距的少量变化。
实际光刻胶：光强不到 D0 时不发生反应，光强介于 D0 和 D100 之间时发生部分反应，光强超过 D100 时完全反应，使线条 边缘出现模糊区。在一般的光刻胶中，当 MTF < 0.4 时，图形
60
h-line 405 nm
436 nm
40
20
0
DUV 248 nm
200
300
400
500
600
Microelectronic Fabrication & MEMS Technology
12
由于衍射效应是光学曝光技术中限制分辨率的主要因素， 所以要提高分辨率就应使用波长更短的光源如 深紫外光。实际 使用的深紫外光源有 KrF 准分子激光（248 nm）、ArF 准分子 激光（193 nm）和 F2 准分子激光（157 nm）等。
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各种光学曝光光源的使用情况