5光刻与刻蚀工艺汇总
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光刻与刻蚀工艺
高抗蚀性 好黏附性
思考题：为什么光刻胶越薄，分辨率越高？
Jincheng Zhang
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
Jincheng Zhang
Comparison of Photoresists
Jincheng Zhang
正胶 Positive Photoresist
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
Jincheng Zhang
预烘和底胶蒸气涂覆
Jincheng Zhang
光刻3－涂胶 （Spin Coating）
硅圆片放置在真空卡盘上 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
Jincheng Zhang
光刻胶厚度与旋转速率和粘性的关系
问题
为什么不能用光学显微镜检查0.25um尺寸的图形? 因为特征尺寸 (0.25 µm = 250nm) 小于可见光的波长， 可见光波长为390nm (紫光) to 750nm (红光)
Jincheng Zhang
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，
Jincheng Zhang
光刻工序
Jincheng Zhang
1、清洗硅片 Wafer Clean
Jincheng Zhang
2、预烘和底膜涂覆 Pre-bake and Primer Vapor
思考题：为什么光刻胶越薄，分辨率越高？
Jincheng Zhang
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
Jincheng Zhang
Comparison of Photoresists
Jincheng Zhang
正胶 Positive Photoresist
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
Jincheng Zhang
预烘和底胶蒸气涂覆
Jincheng Zhang
光刻3－涂胶 （Spin Coating）
硅圆片放置在真空卡盘上 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
Jincheng Zhang
光刻胶厚度与旋转速率和粘性的关系
问题
为什么不能用光学显微镜检查0.25um尺寸的图形? 因为特征尺寸 (0.25 µm = 250nm) 小于可见光的波长， 可见光波长为390nm (紫光) to 750nm (红光)
Jincheng Zhang
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，
Jincheng Zhang
光刻工序
Jincheng Zhang
1、清洗硅片 Wafer Clean
Jincheng Zhang
2、预烘和底膜涂覆 Pre-bake and Primer Vapor
光刻与刻蚀工艺ppt
提高分辨率和对比度
采用旋转涂胶方法可以提高生产效率，同时采用快速热处理技术可以加速光刻胶的化学反应，进一步缩短处理时间。
提高生产效率
光刻工艺的优化
03
刻蚀工艺详细介绍
离子刻蚀机
以离子束或离子束辅助化学反应的方式进行刻蚀。具有各向异性刻蚀、高分辨率和低损伤等优点，但刻蚀速率较慢，设备昂贵。
刻蚀机的种类与特点
国外光刻与刻蚀工艺发展现状
光刻工艺技术创新
介绍光刻工艺中具有代表性的技术创新，包括高分辨率光刻技术、浸润式光刻技术、多晶圆对准技术等。
刻蚀工艺技术创新
介绍刻蚀工艺中具有代表性的技术创新，包括离子束刻蚀技术、等离子刻蚀技术、反应离子刻蚀技术等。
光刻与刻蚀工艺的技术创新
光刻与刻蚀工艺的发展趋势
从技术、应用和产业三个维度分析光刻与刻蚀工艺未来的发展趋势，包括技术发展方向、应用领域拓展和产业布局优化等方面。
挑战1
挑战2
挑战3
挑战4
需要严格控制各种参数，如温度、湿度和压力等。
需要不断优化工艺流程，提高生产效率。
对操作人员的技能和经验有较高的要求。
提高工艺精度的对策
采用先进的设备和技术，提高设备的稳定性和精度。
对策1
优化工艺参数，建立完善的数据库，实现参数的快速检索和准确控制。
对策2
采用高精度测量仪器，对产品进行准确的尺寸测量和质量控制。
曝光系统
曝光系统将掩膜上的图形转换为光束，并投射到光刻胶上。通常由光源、光阑、反射镜和投影透镜等组成。
运动系统
运动系统用于在光刻胶上扫描光束，以实现大面积的光刻。
光刻机工作原理
光学接触剂和干法接触剂
正性胶和负性胶
厚胶和薄胶
采用旋转涂胶方法可以提高生产效率，同时采用快速热处理技术可以加速光刻胶的化学反应，进一步缩短处理时间。
提高生产效率
光刻工艺的优化
03
刻蚀工艺详细介绍
离子刻蚀机
以离子束或离子束辅助化学反应的方式进行刻蚀。具有各向异性刻蚀、高分辨率和低损伤等优点，但刻蚀速率较慢，设备昂贵。
刻蚀机的种类与特点
国外光刻与刻蚀工艺发展现状
光刻工艺技术创新
介绍光刻工艺中具有代表性的技术创新，包括高分辨率光刻技术、浸润式光刻技术、多晶圆对准技术等。
刻蚀工艺技术创新
介绍刻蚀工艺中具有代表性的技术创新，包括离子束刻蚀技术、等离子刻蚀技术、反应离子刻蚀技术等。
光刻与刻蚀工艺的技术创新
光刻与刻蚀工艺的发展趋势
从技术、应用和产业三个维度分析光刻与刻蚀工艺未来的发展趋势，包括技术发展方向、应用领域拓展和产业布局优化等方面。
挑战1
挑战2
挑战3
挑战4
需要严格控制各种参数，如温度、湿度和压力等。
需要不断优化工艺流程，提高生产效率。
对操作人员的技能和经验有较高的要求。
提高工艺精度的对策
采用先进的设备和技术，提高设备的稳定性和精度。
对策1
优化工艺参数，建立完善的数据库，实现参数的快速检索和准确控制。
对策2
采用高精度测量仪器，对产品进行准确的尺寸测量和质量控制。
曝光系统
曝光系统将掩膜上的图形转换为光束，并投射到光刻胶上。通常由光源、光阑、反射镜和投影透镜等组成。
运动系统
运动系统用于在光刻胶上扫描光束，以实现大面积的光刻。
光刻机工作原理
光学接触剂和干法接触剂
正性胶和负性胶
厚胶和薄胶
光刻与刻蚀工艺经典案例
→腐蚀时易浮胶或钻蚀。 若T>300℃：光刻胶分解，失去抗蚀能力。
8.1 光刻工艺流程
8.1.6 腐蚀（刻蚀） ①对腐蚀液（气体）的要求：
既能腐蚀掉裸露的SiO2（金属），又不损伤光刻胶。 ②腐蚀的方法 ⅰ）湿法腐蚀：腐蚀剂是化学溶液。
特点：各向同性腐蚀。 ⅱ)干法腐蚀：腐蚀剂是活性气体，如等离子体。
第八章 光刻与刻蚀工艺
掩模版
掩膜版的质量要求 若每块掩膜版上图形成品率＝90％，则 6块光刻版，其管芯图形成品率＝（90％）6＝53％； 10块光刻版，其管芯图形成品率＝（90％）10＝35％； 15块光刻版，其管芯图形成品率＝（90％）15＝21％； 最后的管芯成品率当然比其图形成品率还要低。
8.9.2 SiO2和Si的干法刻蚀
刻蚀剂：CF4、CHF3、C2F6、SF6、C3F8 ；
等离子体： CF4 → CF3*、CF2* 、CF* 、F*
化学反应刻蚀：
F*+Si→SiF4↑
F*+SiO2→ SiF4↑+O2↑
CF3*+SiO2→ SiF4↑+CO↑+CO2↑
实际工艺：
L h 2p
若ΔL为线宽，即为最细线宽，则
最高分辨率
Rmax
1 2L
p h
Rmax
1 2L
p h
① 对光子：p=h/λ，故 L 2。
上式物理含义：光的衍射限制了线宽≥ λ/2。
最高分辨率：
Rmax1(mm1)
②对电子、离子：具有波粒二象性（德布罗意波），则
强化学活性的离子及游离基--等离子体。 CF4 RF CF3*、CF2* 、CF* 、F* BCl3 RF BCl3* 、BCl2* 、Cl*
8.1 光刻工艺流程
8.1.6 腐蚀（刻蚀） ①对腐蚀液（气体）的要求：
既能腐蚀掉裸露的SiO2（金属），又不损伤光刻胶。 ②腐蚀的方法 ⅰ）湿法腐蚀：腐蚀剂是化学溶液。
特点：各向同性腐蚀。 ⅱ)干法腐蚀：腐蚀剂是活性气体，如等离子体。
第八章 光刻与刻蚀工艺
掩模版
掩膜版的质量要求 若每块掩膜版上图形成品率＝90％，则 6块光刻版，其管芯图形成品率＝（90％）6＝53％； 10块光刻版，其管芯图形成品率＝（90％）10＝35％； 15块光刻版，其管芯图形成品率＝（90％）15＝21％； 最后的管芯成品率当然比其图形成品率还要低。
8.9.2 SiO2和Si的干法刻蚀
刻蚀剂：CF4、CHF3、C2F6、SF6、C3F8 ；
等离子体： CF4 → CF3*、CF2* 、CF* 、F*
化学反应刻蚀：
F*+Si→SiF4↑
F*+SiO2→ SiF4↑+O2↑
CF3*+SiO2→ SiF4↑+CO↑+CO2↑
实际工艺：
L h 2p
若ΔL为线宽，即为最细线宽，则
最高分辨率
Rmax
1 2L
p h
Rmax
1 2L
p h
① 对光子：p=h/λ，故 L 2。
上式物理含义：光的衍射限制了线宽≥ λ/2。
最高分辨率：
Rmax1(mm1)
②对电子、离子：具有波粒二象性（德布罗意波），则
强化学活性的离子及游离基--等离子体。 CF4 RF CF3*、CF2* 、CF* 、F* BCl3 RF BCl3* 、BCl2* 、Cl*
5光刻与刻蚀工艺
高抗蚀性 好黏附性
思考题：为什么光刻胶越薄，分辨率越高？
Jincheng Zhang
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
4、前烘 Soft Bake
Jincheng Zhang
5、对准 Alignment
Jincheng Zhang
6、曝光Exposure
Jincheng Zhang
7、后烘 Post Exposure Bake
Jincheng Zhang
8、显影 Development
Jincheng Zhang
集成电路工艺基础
5、光刻与刻蚀工艺（曝光、刻蚀）
微电子学院 戴显英 2017年9月
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.
100到130坚膜温度通常高于前烘温度jinchengzhang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光刻胶流动造成分辨率变差jinchengzhang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jinchengzhang问题每种光刻胶都有不同的敏感性和粘性都需要不同的旋转速率斜坡速率旋转时间烘干时间和温度曝光强度和时间显影液和显影条件因此图形转移将失败
光刻与刻蚀工艺流程
光刻与刻蚀工艺流程光刻和刻蚀是微电子加工过程中常用的两个工艺步骤。
光刻用于创建芯片上的图案，而刻蚀则用于移除不需要的材料。
以下是光刻和刻蚀的工艺流程。
光刻工艺流程：1.沉积光刻胶：首先，在硅片上沉积一层光刻胶。
这是一个具有高度选择性和可重复性的光敏聚合物材料，能够在曝光过程中改变化学性质。
2.乾燥和前处理：将光刻胶乾燥，然后对其进行前处理，例如去除表面的污垢和残留物。
3.涂布光刻胶：用涂胶机将光刻胶均匀地涂布在硅片的表面。
4.烘烤：将涂覆有光刻胶的硅片进行烘烤，以去除溶剂并使光刻胶层变得坚硬和耐久。
5.对位：将掩模对位仪对准硅片上的光刻胶层，确保光刻胶上的图案与所需的芯片图案完全一致。
6.曝光：通过紫外线照射机将光传递到光刻胶上，使其形成与掩模图案相同的图案。
7.显影：使用显影液处理光刻胶，显影液会将未曝光的部分光刻胶溶解掉，只留下曝光过的部分。
刻蚀工艺流程：1.腐蚀栅极：首先，通过化学腐蚀将栅极区域的金属材料去除，只保留未覆盖的部分，以便后续步骤。
2.沉积绝缘层：然后，在晶圆上沉积一层绝缘层材料，用以隔离电路的不同层次。
3.涂胶和曝光：使用同样的光刻胶工艺，在绝缘层表面涂覆光刻胶，并将掩模对位仪对准绝缘层上的光刻胶层。
4.显影：通过显影液处理光刻胶，保留所需的图案，暴露绝缘层。
5.刻蚀绝缘层：使用化学腐蚀或物理刻蚀技术，将未被光刻胶保护的绝缘层材料去除，使其与下方的层次保持相同的图案。
6.清洗和检验：最后，对晶圆进行清洗，以去除残留的光刻胶和刻蚀剂。
然后，对刻蚀图案进行检验，确保其质量和精确度。
这就是光刻和刻蚀的工艺流程。
通过这些步骤，可以在微电子芯片上创建复杂的电路和结构，以实现功能丰富的科技产品。
第八章光刻与刻蚀工艺
8.1 光刻工艺流程
2.涂胶Spin Coating ①对涂胶的要求：粘附良好，均匀，薄厚适当 胶膜太薄－针孔多，抗蚀性差； 胶膜太厚－分辨率低（分辨率是膜厚的5－8倍） ②涂胶方法：浸涂，喷涂，旋涂√
Photoresist Spin Coater
EBR: Edge bead removal边缘修复
8.6.6 投影式曝光
利用光学系统，将光刻版的图形投影在硅片上。
8.6.6 投影式曝光
优点：光刻版不受损伤， 对准精度高。 缺点：光学系统复杂， 对物镜成像要求高。 用于3μm以下光刻。
分步重复投影光刻机--Stepper
采用折射式光学系统和4X~5X的缩小透镜。 光刻版： 4X~5X； 曝光场：一次曝光只有硅片的一部分； 采用了分步对准聚焦技术。
h 2 2m E
a. E给定：m↑→ΔL↓→R↑，即R离子 > R电子 b. m给定：E↑→ΔL↓→R↑
8.3 光刻胶的 基本属性
1）光刻胶类型：正胶和负胶 ①正胶：显影时，感光部分 溶解，未感光部分不溶解； ②负胶：显影时，感光部分 不溶解，不感光部分溶解。
正胶（重氮萘醌）的光分解机理
负胶（聚乙烯醇肉桂酸脂）的光聚合机理
8.1 光刻工艺流程
③影响显影效果的主要因素： ⅰ）曝光时间； ⅱ）前烘的温度与时间； ⅲ）胶膜的厚度； ⅳ）显影液的浓度； ⅴ）显影液的温度； ④显影时间适当 t太短：可能留下光刻胶薄层→阻挡腐蚀SiO2(金属） →氧化层“小岛”。 t太长：光刻胶软化、膨胀、钻溶、浮胶 →图形边缘破坏。
第八章 光刻与刻蚀工艺
掩模版
掩膜版的质量要求 若每块掩膜版上图形成品率＝90％，则 6块光刻版，其管芯图形成品率＝（90％）6＝53％； 10块光刻版，其管芯图形成品率＝（90％）10＝35％； 15块光刻版，其管芯图形成品率＝（90％）15＝21％； 最后的管芯成品率当然比其图形成品率还要低。 掩膜版尺寸：①接触式和接近式曝光机：1∶1 ②分步重复投影光刻机（Stepper）： 4∶1；5∶1；10∶1
光刻与刻蚀工艺
曝光工艺介绍
显影工艺介绍
坚膜工艺介绍
正 由明胶或聚乙烯醇和重铬酸盐所制成的感光胶,具有原料易得和价廉以及用 水即可显影的特点, 故被广泛应用于量具刻线、文字的光刻技术中。 但由于暗反应较强,抗蚀性较差,所以在感光后的腐蚀或镀黑铬工序中,容易产生 胶层被击穿而使产品报废; 加上感光胶的坚膜热处理工艺必须控制温度在200℃～210℃之间, 且需恒温4小配左右,故势必影响量具测量面的硬度下降, 从而会使硬度达不到标准要求。我厂研制的将感光胶的热处理坚膜工艺改为用 铬酐水溶
去胶工艺介绍
溶剂去胶
把带有光刻胶的硅片浸 在适当的溶剂内，使聚 合物膨胀，然后把胶擦 去，称为溶剂去胶。 去胶剂一般是含氯的烃 化物，如三氯乙烯。 这些化合物含有较多的 无机杂质， 因此，会在衬底表面留 下微量杂质，在制备 MOS器件是 ，可能会引起不良后果。 另外，洗涤周期长，操 作较繁杂， 故很少采用。当然此法 优点是在常温下进行， 不会是铝层发生变化。
LOGO
光刻与刻蚀工艺
设计人：韩天阳 王芬 刘莎 杨焕 余旭彬
内容
什么是光刻工艺
光刻工艺的目的
光刻工艺的工艺流程
常见的刻蚀工艺
什么是光刻工艺
光刻工艺是集成电路工艺中的关键技术。近些年 来，光刻技术的不断更新，推动了ULSI制造工艺 的迅速发展。由1959年集成电路成功发明至今的 40多年中，集成电路的集成度不断提高，器件的 尺寸不断减小，集成电路图形的线宽缩小了约4个 数量等级，电路集成度提高了6个数量等级以上。 这些飞速发展成果主要应该归功于光刻技术的进 步。
前烘工艺介绍
前烘 也叫软烤Soft Bake，其主要目的是通过Soft Bake将光阻中 的溶剂蒸发，增加附着性， 并控制光阻的敏感度和将来的线宽，同时也将光阻中的残余内应 力释放。 硬烤的目的主要为将残余的显影液及清洗液蒸干，并使光阻中的 聚合物结构更紧密以减少光阻缺陷， 增加与晶圆表面的附着力，提高抗蚀刻性以及增加平坦度等功能。
集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺[5]
![集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺[5]](https://img.taocdn.com/s3/m/a52e22ea51e2524de518964bcf84b9d528ea2c30.png)
L h 2 2mE
结论：
➢ 若粒子束的能量E给定后，则粒子的质量m愈大，ΔL愈小，因而分辨 率愈高。以电子和离子作比较，离子的质量大于电子，所以它的ΔL小， 即分辨率高。但这个说法有一定的限制，因为离子本身的线度一般大 于1Å，所以用它加工的尺寸不可能做到小于它本身的线度。
➢ 对于m一定，即给定一种粒子，例加电子，则其动能愈高， ΔL愈小， 分辨率愈高。
8.1、光刻工艺流程
曝光、显影、刻蚀(或淀积)是光刻过程中的三个主要步骤。
、涂胶
在集成电路工艺中，光刻胶层的作用是在刻蚀或离子注入过程中，保 护被光刻胶覆盖的材料。因此，光刻胶层与硅片表面之间需要牢固地黏 附。
涂胶的目的是在硅片表面形成厚度均匀、附着性强、并且没有缺陷的 光刻胶薄膜。
在涂胶之前，硅片一般需要经过脱水烘焙并且涂上用来增加光刻胶与 硅片表面附着能力的化合物。
线宽与线条间距相等的情况下，R定义为
R 1 (mm1) 2L
线条越细，分辨率越高。 光刻的分辨率受到光刻系统、光刻胶和工艺等各方面的限制。这
里我们只从物理角度对分辨率进行探讨。 光刻中所用的曝光光源是光、电子、离子和X射线等各种粒子束。
从量子物理的角度看，限制分辨率的因素是衍射。
最高的分辨率
设有一物理线度L，为了测量和定义它，必不可少的误差为ΔL，根据量子 理论的不确定性关系，则有
光学稳定
光刻胶的光学稳定是通过紫外光辐照和加热来完成的。经过UV辐照 和适度的热处理(110℃)之后，在光刻胶的表面图形上可以形成交叉链接 的硬壳，可以使光刻胶图形在高温过程中不会变形。
光学稳定可以使光刻胶产生均匀的交叉链接，提高光刻胶的抗刻蚀能 力，进而提高刻蚀工艺的选择性。
经过UV处理的光刻胶，要先经过氧等离子的活化，然后通过湿法除 去。
(完整版)光刻与刻蚀工艺
光刻工艺过程
❖涂胶 coating ❖前烘 prebaking ❖曝光 exposure ❖显影 development ❖坚膜 postbake ❖刻蚀 etch ❖去胶 strip ❖检验 inspection
1、涂胶
SiO2
Si （1）氧化、清洗
光刻胶 SiO2
Si （2）涂胶、前烘
1、涂胶
❖ 在图形曝光的工 作区域，则需要等级 10或1的洁净室。
lithography
❖Introduction
❖ 光刻 ▪ 洁净室 ▪ 工艺流程 ▪ 光刻机 ▪ 光刻胶 ▪ 掩膜版
光刻原理（1）
❖ 掩膜版图形转移到光刻胶
▪ 在光刻过程中，光刻胶受到光辐射之后发生光 化学反应，其内部分子结构发生变化，在显影 液中光刻胶感光部分与未感光部分的溶解速度 相差非常大。
❖涂胶目的
▪ 在硅片表面形成厚度均匀、附着性强、并且没 有缺陷的光刻胶薄膜。
❖怎样才能让光刻胶粘的牢一些？
可以开始涂胶了……
❖ 怎么涂？
▪ 旋转涂胶法：把胶滴在硅片，然后使硅片高速旋转， 液态胶在旋转中因离心力作用由轴心沿径向（移动） 飞溅出去，但粘附在硅表面的胶受粘附力的作用而留 下。在旋转过程中胶所含的溶剂不断挥发，故可得到 一层均匀的胶膜
▪ （2）等级为M3.5的洁净室（公制），直径大 于或等于0.5um的尘埃粒子总数不超过103.5 （约3500个/m3)
❖ 100个/ft3= 3500个/m3
▪ 一个英制等级100的洁净室相当于公制等级 M3.5的洁净室。
洁净室（4）
❖ 对一般的IC制造 区域，需要等级100 的洁净室，约比一般 室内空气低4个数量 级。
Resist coat (wafer track)
第六章 光刻与刻蚀工艺
微电子工艺学
Microelectronic Processing 第六章 光刻与刻蚀工艺
张道礼 教授 Email: zhang-daoli@ Voice: 87542894
6.1 概述
微电子单项工艺
掺杂 薄膜制备 图形转移
扩散掺杂 离子注入掺杂 物理气相淀积 化学气相淀积
外延 光刻 刻蚀
6.1 概述
图形转移(pattern transfer)是微电子工艺的重要基础，其作 用是使器件和电路的设计从图纸或工作站转移到基片上得以实现， 我们可以把它看作是一个在衬底上建立三维图形的过程，包括光刻 和刻蚀两个步骤。
光刻 (lithography，又译图形曝光 )：使用带有某一层设计几 何图形的掩模版(mask)，通过光化学反应，经过曝光和显影，使光 敏的光刻胶在衬底上形成三维浮雕图形。将图案转移到覆盖在半导 体晶片上的感光薄膜层上(称为光致光刻胶、光刻胶或光阻，resist， 简称光刻胶)的一种工艺步骤。
正胶 ><
>< 断链
8.2 光刻工艺
负胶是一种含有感光剂的聚合物。曝光时，感光剂将吸收的光 能转变为化学能而引起链反应，聚合物分子间发生交联，形成不 溶于显影液的高分子交联聚合物。显影后，未感光部分的光刻胶 被去除。负胶的主要缺点是显影时吸收显影液溶剂而膨胀，限制 了其分辨率。
负胶
交联
8.2 光刻工艺
刻蚀：在光刻胶掩蔽下，根据需要形成微图形的膜层不同，采 用不同的刻蚀物质和方法在膜层上进行选择性刻蚀。
这样，去掉光刻胶以后，三维设计图形就转移到了衬底的相关 膜层上。图形转移工艺是如此重要，以至一种微电子工艺技术的水 平通常以光刻和刻蚀的图形线宽（特征尺寸）表示。
8.2 光刻工艺
Microelectronic Processing 第六章 光刻与刻蚀工艺
张道礼 教授 Email: zhang-daoli@ Voice: 87542894
6.1 概述
微电子单项工艺
掺杂 薄膜制备 图形转移
扩散掺杂 离子注入掺杂 物理气相淀积 化学气相淀积
外延 光刻 刻蚀
6.1 概述
图形转移(pattern transfer)是微电子工艺的重要基础，其作 用是使器件和电路的设计从图纸或工作站转移到基片上得以实现， 我们可以把它看作是一个在衬底上建立三维图形的过程，包括光刻 和刻蚀两个步骤。
光刻 (lithography，又译图形曝光 )：使用带有某一层设计几 何图形的掩模版(mask)，通过光化学反应，经过曝光和显影，使光 敏的光刻胶在衬底上形成三维浮雕图形。将图案转移到覆盖在半导 体晶片上的感光薄膜层上(称为光致光刻胶、光刻胶或光阻，resist， 简称光刻胶)的一种工艺步骤。
正胶 ><
>< 断链
8.2 光刻工艺
负胶是一种含有感光剂的聚合物。曝光时，感光剂将吸收的光 能转变为化学能而引起链反应，聚合物分子间发生交联，形成不 溶于显影液的高分子交联聚合物。显影后，未感光部分的光刻胶 被去除。负胶的主要缺点是显影时吸收显影液溶剂而膨胀，限制 了其分辨率。
负胶
交联
8.2 光刻工艺
刻蚀：在光刻胶掩蔽下，根据需要形成微图形的膜层不同，采 用不同的刻蚀物质和方法在膜层上进行选择性刻蚀。
这样，去掉光刻胶以后，三维设计图形就转移到了衬底的相关 膜层上。图形转移工艺是如此重要，以至一种微电子工艺技术的水 平通常以光刻和刻蚀的图形线宽（特征尺寸）表示。
8.2 光刻工艺
光刻与刻蚀工艺
光刻与刻蚀工艺pptxx年xx月xx日contents •光刻与刻蚀工艺简介•光刻工艺详细介绍•刻蚀工艺详细介绍•光刻与刻蚀工艺的挑战与对策•光刻与刻蚀工艺的发展趋势目录01光刻与刻蚀工艺简介1光刻工艺原理23利用光子能量将光刻胶上的分子激活，使其可进行化学反应。
光学曝光将光刻胶上的图形转移到半导体基板上的过程。
图形转移对光刻胶和半导体基板表面进行化学处理，以实现图形的精细加工。
表面处理利用液体化学试剂将半导体表面的材料溶解。
刻蚀工艺原理湿法刻蚀利用等离子体或离子束等高能粒子将半导体表面的材料去除。
干法刻蚀刻蚀过程中，被刻蚀材料与阻挡层材料的去除速率之比。
选择比1光刻与刻蚀工艺的关系23光刻工艺是制造芯片的核心技术，通过光刻胶上的图形控制半导体表面的加工。
刻蚀工艺是将光刻胶上的图形转移到半导体表面的关键步骤，要求高精度和高一致性。
光刻和刻蚀工艺的组合直接决定了芯片制造的质量、产量和成本。
02光刻工艺详细介绍03运动控制系统运动控制系统精确控制掩膜与光刻胶之间的相对位置，确保图形对准和重复性。
光刻机工作原理01曝光系统曝光系统将掩膜上的图形转换为光刻胶上的图形，是光刻机的核心部分。
02投影系统投影系统将曝光系统输出的光线聚焦到光刻胶表面，实现小比例图形转移。
光学接触剂是低分子聚合物，具有高度透明性和低折射率。
光学接触剂正性光刻胶受到光照后会发生交联反应，形成网状结构，耐腐蚀性强。
正性光刻胶负性光刻胶受到光照后会发生降解反应，形成可溶性物质，易于清除。
负性光刻胶光刻胶的分类与性质增加对比度通过优化涂层和选择合适的光源和波长，增加光刻胶与衬底之间的对比度。
提高分辨率采用短波长光源和高级数值孔径透镜，提高光刻机分辨率。
提高精度和一致性采用先进的控制系统和误差修正技术，提高光刻胶图形的精度和一致性。
光刻工艺的优化03刻蚀工艺详细介绍离子刻蚀机以离子束或离子束辅助化学反应的方式进行刻蚀。
具有各向异性刻蚀、高分辨率和低损伤等优点，但刻蚀速率较慢，设备昂贵。
光刻与刻蚀工艺流程课件
REPORT
CATALOG
DATE
ANALYSIS
SUMMAR Y
02
刻蚀工艺简介
刻蚀工艺的定义
刻蚀工艺：是指利用物理或化学方法，将材料表面的一部分 去除，以达到形成图案或结构的目的。
在半导体制造中，刻蚀工艺是关键的步骤之一，用于形成电 路、器件和其它微结构。
刻蚀工艺的原理
物理刻蚀
利用物理能量，如高能粒子或等 离子体，轰击材料表面，使其原 子或分子从表面溅射出来。
总结词
胶的均匀涂布是光刻工艺中的重要环节，直接影响到光刻胶的覆盖质量和均匀 性。
详细描述
在涂胶过程中，要确保胶液的均匀分布，避免出现胶层厚薄不均、气泡等问题 。可以采用匀胶机进行涂布，控制好涂布速度和温度，以保证胶的均匀性。
曝光能量控制问题
总结词
曝光能量是光刻工艺中的关键参数， 直接影响到曝光质量和光刻胶的溶解 度。
预烘
预烘
使光刻胶中的溶剂挥发， 增强光刻胶与硅片之间的 黏附力。
预烘温度和时间
根据光刻胶类型和特性而 定。
预烘作用
提高光刻胶的黏附性和稳 定性。
曝光
曝光
通过掩膜版将所需图案投影到光 刻胶上，使光刻胶发生化学反应
。
曝光方式
接触式曝光、接近式曝光、扫描 式曝光等。
曝光剂量
影响光刻胶的溶解性和分辨率。
坚膜温度的控制问题
总结词
坚膜温度是光刻工艺中的重要参数，直接影响到光刻胶的硬度和附着力。
详细描述
要选择合适的坚膜温度，以保证光刻胶的硬度和附着力。坚膜温度过高会导致光刻胶变脆，而坚膜温度过低会导 致光刻胶附着力下降，影响光刻效果。
腐蚀深度的问题
总结词
光刻与刻蚀工艺
应用
等离子刻蚀广泛应用于微电子、纳米科技、光电子等领域，用于 制造集成电路、微机械器件和光电器件等。
特点
等离子刻蚀具有高精度、高选择性和高效率等特点，但同时也具有 设备昂贵、维护成本高等问题。
反应离子刻蚀（RIE）
原理
反应离子刻蚀是通过将气体分子电离产生离子，然后利用离子与材料表面相互作用来去除 材料表面的涂层或氧化层。同时，反应离子刻蚀过程中还会发生化学反应，使得刻蚀更加 深入。
要点二
损伤控制
是指在刻蚀过程中避免对材料产生损伤。对于某些特殊 材料，如脆性材料，损伤控制尤为重要。如果刻蚀过程 中产生过多损伤，可能会导致材料性能下降甚至破裂。
感谢您的观看
THANKS
随着半导体技术的发展，光刻工艺对于提高芯片性能、降低 成本、推动科技创新等方面具有重要作用。
02
光刻工艺的类型
接触式光刻
直接接触
掩膜板直接与光刻胶接触，优点是简单、高效，缺点是容易造成掩膜板损伤 和光刻胶涂层的污染。
烘烤式接触
光刻胶涂层在掩膜板下进行烘烤，优点是改善了光刻胶的流动性，提高了图 像质量，缺点是操作复杂。
刻蚀速率
指的是材料被刻蚀的速度，通常以单位时 间内被刻蚀材料的厚度来衡量。刻蚀速率 快，则能在较短的时间内完成大面积的材 料刻蚀，提高生产效率。
选择比
指的是不同材料被刻蚀的速度之比。选择 比高，意味着对某些材料的刻蚀速度远高 于其他材料，因此在刻蚀过程中能更好地 保护某些材料不被过度刻蚀。
刻蚀均匀性
刻蚀工艺的基本步骤
1 2
准备样品
将待刻蚀的基底样品进行必要的处理，如清洗 、干燥等。
选择合适的刻蚀气体
根据待刻蚀的基底材料选择合适的刻蚀气体。
等离子刻蚀广泛应用于微电子、纳米科技、光电子等领域，用于 制造集成电路、微机械器件和光电器件等。
特点
等离子刻蚀具有高精度、高选择性和高效率等特点，但同时也具有 设备昂贵、维护成本高等问题。
反应离子刻蚀（RIE）
原理
反应离子刻蚀是通过将气体分子电离产生离子，然后利用离子与材料表面相互作用来去除 材料表面的涂层或氧化层。同时，反应离子刻蚀过程中还会发生化学反应，使得刻蚀更加 深入。
要点二
损伤控制
是指在刻蚀过程中避免对材料产生损伤。对于某些特殊 材料，如脆性材料，损伤控制尤为重要。如果刻蚀过程 中产生过多损伤，可能会导致材料性能下降甚至破裂。
感谢您的观看
THANKS
随着半导体技术的发展，光刻工艺对于提高芯片性能、降低 成本、推动科技创新等方面具有重要作用。
02
光刻工艺的类型
接触式光刻
直接接触
掩膜板直接与光刻胶接触，优点是简单、高效，缺点是容易造成掩膜板损伤 和光刻胶涂层的污染。
烘烤式接触
光刻胶涂层在掩膜板下进行烘烤，优点是改善了光刻胶的流动性，提高了图 像质量，缺点是操作复杂。
刻蚀速率
指的是材料被刻蚀的速度，通常以单位时 间内被刻蚀材料的厚度来衡量。刻蚀速率 快，则能在较短的时间内完成大面积的材 料刻蚀，提高生产效率。
选择比
指的是不同材料被刻蚀的速度之比。选择 比高，意味着对某些材料的刻蚀速度远高 于其他材料，因此在刻蚀过程中能更好地 保护某些材料不被过度刻蚀。
刻蚀均匀性
刻蚀工艺的基本步骤
1 2
准备样品
将待刻蚀的基底样品进行必要的处理，如清洗 、干燥等。
选择合适的刻蚀气体
根据待刻蚀的基底材料选择合适的刻蚀气体。
光刻与刻蚀工艺
2qVa m
2
qB
为向心力，使离子作圆周运动，
半径为
1
1
r
mv qB
2mVa qB2
2
2Va qo B2
2
从上式可知，满足荷质比
qo的离r子22V可Ba通2 过光阑 2。
或者对于给定的具有荷质比为 qo 的离子，可通过调节磁场 B 使之满足下式，从而
Vf
1
d (2qoVa )2
Db
1 Vf Lf 2 Vad
Ld
Lf 2
qs qo
1
G
es eo
1
G
讨论 (1) 为屏蔽荷质比为 qs 的离子，光阑半径 D 必须满足
D G
qs qo
1
(2) 若 D 固定，则具有下列荷质比 的离子可被屏蔽，
微电子工艺学
Microelectronic Processing
邓卫之
content
• 1.概述 • 2.薄膜 • 3.CMOS flow简介 • 4.fail module 简介 • 5.
1.1 概述
微电子单项工艺
掺杂 平坦化 薄膜制备
图形转移 清洗
扩散掺杂 离子注入掺杂
diffusion implant
(2) 当 E0 远大于 E2 所对应的能量值时，Sn < Se ，以电子阻挡为主，此时散射 角较小，离子近似作直线运动，射程分布较集中。随着离子能量的降低，逐渐过渡 到以核阻挡为主，离子射程的末端部分又变成为折线。
rp xp
rp xp
在实际工作中，平均投影射程 RP (Å) 及标准偏差 RP (Å)与注入能量 (KeV) 的关系可从下图 （下表）查到。
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Jincheng Zhang
光刻工序
Jincheng Zhang
1、清洗硅片 Wafer Clean
Jincheng Zhang
2、预烘和底膜涂覆 Pre-bake and Primer Vapor
Jincheng Zhang
3、光刻胶涂覆 Photoresist Coating
Jincheng Zhang
Jincheng Zhang
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
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
Jincheng Zhang
Negative and Positive Photoresists
Jincheng Zhang
正胶的曝光机理：重氮萘醌光分解反应
Jincheng Zhang
负胶的曝光机理：聚乙烯醇肉桂酸脂光聚合反应
Jincheng Zhang
Photoresist Composition光刻胶基本组成
聚合物材料(基体） 感光材料 溶剂 添加剂
Jincheng Zhang
高抗蚀性 好黏附性
思考题：为什么光刻胶越薄，分辨率越高？
Jincheng Zhang
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
Jincheng Zhang
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
Jincheng Zhang
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
问题
正胶比负胶具有更好的分辨率，为什么十九世 纪八十年代以前人们普遍使用负胶？
Jincheng Zhang
答案
因为正胶比负胶贵得多，直到器件特征尺寸减 小到3um以下时人们才用正胶代替负胶。
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
Jincheng Zhang
Comparison of Photoresists
Jincheng Zhang
正胶 Positive Photoresist
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
Jincheng Zhang
光刻2－预烘和打底膜（Pre-bake and
Primer Vapor）
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 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。
4、前烘 Soft Bake
Jincheng Zhang
5、对准 Alignment
Jincheng Zhang
6、曝光Exposure
Jincheng Zhang
7、后烘 Post Exposure Bake
Jincheng Zhang
8、显影 Development
Jincheng Zhang
9、坚膜 Hard Bake
Jincheng Zhang
10、图形检测 Pattern Inspection
Jincheng Zhang
光刻1－硅片清洗（Wafer Clean）
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
例如：聚乙烯醇肉桂酸脂系（负胶）
①基体、感光剂－ 聚乙烯醇肉桂酸脂 浓度：5-10% ②溶剂－环己酮 浓度：90－95％ ③增感剂－5-硝基苊 浓度：0.5-1%
Jin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
Jincheng Zhang
预烘和底胶蒸气涂覆
Jincheng Zhang
光刻3－涂胶 （Spin Coating）
硅圆片放置在真空卡盘上 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
Jincheng Zhang
光刻胶厚度与旋转速率和粘性的关系
Jincheng Zhang
Photoresist Spin Coater
EBR: Edge bead removal边缘修复
Jincheng Zhang
滴胶
Jincheng Zhang
光刻胶吸回
Jincheng Zhang
Photoresist Spin Coating
Jincheng Zhang
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
Jincheng Zhang
IC Processing Flow
集成电路工艺基础
5、光刻与刻蚀工艺（曝光、刻蚀）
微电子学院 戴显英
2014年9月
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.
光刻工序
Jincheng Zhang
1、清洗硅片 Wafer Clean
Jincheng Zhang
2、预烘和底膜涂覆 Pre-bake and Primer Vapor
Jincheng Zhang
3、光刻胶涂覆 Photoresist Coating
Jincheng Zhang
Jincheng Zhang
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
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
Jincheng Zhang
Negative and Positive Photoresists
Jincheng Zhang
正胶的曝光机理：重氮萘醌光分解反应
Jincheng Zhang
负胶的曝光机理：聚乙烯醇肉桂酸脂光聚合反应
Jincheng Zhang
Photoresist Composition光刻胶基本组成
聚合物材料(基体） 感光材料 溶剂 添加剂
Jincheng Zhang
高抗蚀性 好黏附性
思考题：为什么光刻胶越薄，分辨率越高？
Jincheng Zhang
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
Jincheng Zhang
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
Jincheng Zhang
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
问题
正胶比负胶具有更好的分辨率，为什么十九世 纪八十年代以前人们普遍使用负胶？
Jincheng Zhang
答案
因为正胶比负胶贵得多，直到器件特征尺寸减 小到3um以下时人们才用正胶代替负胶。
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
Jincheng Zhang
Comparison of Photoresists
Jincheng Zhang
正胶 Positive Photoresist
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
Jincheng Zhang
光刻2－预烘和打底膜（Pre-bake and
Primer Vapor）
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 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。
4、前烘 Soft Bake
Jincheng Zhang
5、对准 Alignment
Jincheng Zhang
6、曝光Exposure
Jincheng Zhang
7、后烘 Post Exposure Bake
Jincheng Zhang
8、显影 Development
Jincheng Zhang
9、坚膜 Hard Bake
Jincheng Zhang
10、图形检测 Pattern Inspection
Jincheng Zhang
光刻1－硅片清洗（Wafer Clean）
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
例如：聚乙烯醇肉桂酸脂系（负胶）
①基体、感光剂－ 聚乙烯醇肉桂酸脂 浓度：5-10% ②溶剂－环己酮 浓度：90－95％ ③增感剂－5-硝基苊 浓度：0.5-1%
Jin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
Jincheng Zhang
预烘和底胶蒸气涂覆
Jincheng Zhang
光刻3－涂胶 （Spin Coating）
硅圆片放置在真空卡盘上 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
Jincheng Zhang
光刻胶厚度与旋转速率和粘性的关系
Jincheng Zhang
Photoresist Spin Coater
EBR: Edge bead removal边缘修复
Jincheng Zhang
滴胶
Jincheng Zhang
光刻胶吸回
Jincheng Zhang
Photoresist Spin Coating
Jincheng Zhang
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
Jincheng Zhang
IC Processing Flow
集成电路工艺基础
5、光刻与刻蚀工艺（曝光、刻蚀）
微电子学院 戴显英
2014年9月
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.