(10)光刻技术

复印：在集成电路生产的光刻过程中，掩膜版会受磨
损产生伤痕。使用一定次数后需要换用新掩膜版。因
此得到目版后要采用复印技术复制多块工作掩膜版工
光刻用。
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10.1.2 掩模板的基本构造及质量要求
掩模版的基本构造
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10.1.2 掩模板的基本构造及质量要求

玻璃基片，一般具有低热膨胀系数、低含钠含量、高
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通过移相层后光波与正常光波产生的相位差可用 下式表达：
Q 2d

(n 1)
式中 d——移相器厚度； n——移相器介质的折射率；ห้องสมุดไป่ตู้
λ——光波波长。
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附加材料造成 光学路迳差异， 达到反相
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10.3.1 移相掩模技术
移相掩模的主要类型有：
交替式PSM
衰减型PSM
边缘增强型PSM
③整套掩模中的各块掩模能很好地套准。
④图形与衬底要有足够的反差，透明区无灰雾。
⑤掩模应尽可能做到无缺陷。
⑥版面平整、光洁、结实耐用。
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10.1.3
铬版的制备技术
•铬版工艺的特点如下:
①由于金属铬膜与相应的玻璃衬底有很强的粘附
性能；质地坚硬。所以耐磨、寿命长。
②图形失真小，分辨率极高。
③铬膜的光学密度大，搭配透明衬底，反差极好。
所出现的，目前是利用目检或机器原形比对等方式来筛选；
二是指附着在掩模版上的外来物，为解决此问题，通常在 掩模版上装一层保护膜。
掩模版保护膜 功能示意图
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10.1.2 掩模板的基本构造及质量要求
光刻工艺对掩模版的质量要求归纳有如下几点：
①每一个微小图形尺寸精确无畸变。
②图形边缘清晰、锐利，无毛刺，过渡区要小。
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（2）玻璃基板的制备 挑选好的制版玻璃，通过切割、铣边、例棱、倒角、
粗磨、精磨、厚度分类、粗抛、精抛、超声清洗、检验、平
坦度分类等工序后，制成待用的衬底玻璃。
2、铬膜的蒸发
铬版通常采用纯度99%以上的铬粉作为蒸发
源，把其装在加热用的钼舟内进行蒸发。蒸发前
应把真空度抽至10-3mmHg以上，被蒸发的玻璃
以一定的间距和布局做在基版上，供光刻工艺中重复
使用。

制造商将设计工程师交付的标准制版数据传送给一个
称作图形发生器的设备，图形发生器会根据该数据完
成图形的产生和重复，并将版图数据分层转移到各层
光刻掩模版（为涂有感光材料的优质玻璃板）上，这
就是制版。
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掩模版使用低膨胀系数的熔融石英上淀积金属铬 （1000埃）制成。
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氧化铁版在使用上还有以下优点：
①在观察光源波长下是透明的，而在曝光光源波长 下是不透明的。 ②反射率较低的。 ③克服光晕效应。 ④结构致密且无定形，针孔少。 ⑤与玻璃粘附性好、比较耐磨。 ⑥复印腐蚀特性比较好。
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10.1.5 光刻制版面临的挑战
1、传统光学光刻及制版技术面临的挑战 2、掩模制造设备面临的挑战 3、越来越重要的DFM（Design for Manufacturing）
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使用光刻胶的目的：

将掩膜版图案转移到硅片表面顶层的光刻胶中； 在后续工艺中，保护下面的材料；
随着尺寸的越来越小，需要注意和改进的几个点：
更好的图形清晰度、黏附性、均匀性、增加工艺容度。
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10.2

光刻胶
1、组成


聚合物材料：聚合物在广德照射下不发生化学反应，其 主要作用是保证光刻胶薄膜的附着性和抗腐蚀性；使胶 具有一定的粘度，能均匀涂覆； 感光材料：感光材料一般为复合物（简称PAC或感光 剂）。感光剂在受光辐照之后会发生化学反应。正胶的 感光剂在未曝光区域起抑制作用，可以减慢光刻胶在显 影液中的溶解速度。在正性光刻胶暴露于光线时有化学 反应，是抑制剂变成感光剂，从而增强了胶的溶解速度。 溶剂 ：它的作用是可以控制光刻胶机械性能，使其在 被涂到硅片表面之前保持液态。
图形十倍的各层初缩版。

紧缩兼分布重复：一个大圆片上包含有成千上万个管
芯，所用的光刻版上当然就应当重复排列有成千上万
个相同的图形。第一是将初缩版的图形进一步缩小为
最后的实际大小，并同时进行分布重复；第二是得到
可用于光刻的正式掩膜版。直接由精缩兼分布重复得
到的称为模板。
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10.1.1 制版工艺简介
兼分布重复、复印阴版和复印阳版等几部。

在实际制作中，掩膜版制作人员根据图形产生的数据，
再加上不同的应用需求及规格，会选用不同的制作流
程。
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10.1.1 制版工艺简介
一般集成电路的制版工艺流程示意图
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10.1.1 制版工艺简介

版图绘制：在版图设计完成后，一般将其放大1001000倍，在坐标纸上画出版图总图。
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3 正、负胶比较

正胶，显影容易，图形边缘齐，无溶涨现象，光刻的 分辨率高，去胶也较容易。

负胶显影后保留区的胶膜是交联高分子，在显影时， 吸收显影液而溶涨，另外，交联反应是局部的，边界 不齐，所以图形分辨率下降。光刻后硬化的胶膜也较 难去除。但负胶比正胶相抗蚀性强。
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正胶和负胶进行图形转移示意图

刻分层图：生成过程中需要几次光刻版，总图上就含
有几个层次的图形。为了分层制出各次光刻版，首先
分别在表面贴有红色膜的透明聚酯塑料胶片（红膜）
的红色薄膜层上刻出各个层次的图形，揭掉不要的部
分，形成红膜表示的各层次图形。刻红膜
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10.1.1 制版工艺简介

初缩：对红膜图形进行第一次缩小，得到大小为最后
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其他光刻胶： 电子束光刻胶：也是涂在衬底表面用来实现图形传递 的物质，通过电子束曝光使得光刻胶层形成所需要的 图形。通常用于非光学光刻中的光刻胶由长链碳聚合 物组成。 在相邻链上碳聚合物接受电子束照射的原子会产生移 位，导致碳原子直接键合，这一过程称为交联。高度 交联的分子在显影液中溶解缓慢。
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2、分类

按曝光区在显影中被去除或保留来划分：

正（性）胶 负（性）胶

按其用途划分：

光学光刻胶 电子抗蚀剂 X-射线抗蚀剂
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10.2.1

光刻胶的特征量
响应波长
灵敏度，又称光敏度，指最小曝光剂量E0 抗蚀性，指耐酸、碱能力 黏滞性，指流动特性的定量指标 黏附性 ，指与硅、二氧化硅表面结合力的大小 光刻胶的膨胀 微粒数量和金属含量 储存寿命
④金属铬在空气中十分稳定。
• 铬膜版制备有两个部分的内容：蒸发蒸镀与光刻技术
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10.1.3
铬版的制备技术
空白铬版制作工艺流程
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1、玻璃基板的选择与制备
（1）基板玻璃的选择 为保证版的质量，玻璃衬底必须满足如下要求： ①热膨胀系数：要求越小越好，对于白玻璃，要求 ≤9.3×10-6K-1；对于硼硅玻璃，要求≤4.5×10-6K-1；对于石 英玻璃，要求≤0.5×10-6K-1。 ②透射率：在360nm以上的波长范围内，透射率在 90%以上。 ③化学稳定性：掩模版在使用和储存过程中，很难绝 对避免与酸、碱、水和其它气氛接触。它们对玻璃都有不同 程度的溶解力。 ④选择方法：表面光泽，无突起点、凹陷、划痕和气 泡，版面平整。厚度适中、均匀。对于接触式曝光，为能承 受接触复印压力，厚度应在3mm以上。

响应波长330-430nm 胶膜厚1-3μm，显影液是氢氧化 钠等碱性物质。
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1、正胶
正胶
IC主导
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DQN显影原理

曝光的重氮醌 退化，易溶于 显影液，未曝 光的重氮醌和 树脂构成的胶 膜难溶于碱性
显影液。
光刻胶曝光、水解和显影过程中 的化学反应方程
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2、负胶

最早用的光刻胶。曝光后，窗口处的胶膜保留，未曝
•彩色版的最主要特点是对曝光光源波长不透明，而对于观察光源
波长透明。 •彩色版种类很多，有氧化铁版、硅版、氧化铬版、氧化亚铜版等， 目前应用较广的是氧化铁彩色版。 •氧化铁具备作为选择透明掩模材料的所有要求的最佳的化学和物
理特性。据报道，在紫外区（300~400nm）的透射率小于1%，在
可见光区（400~800nm）透射率大于30%。

通过电子束直写，将设计图转化为掩模版图形。 特征尺寸减小，要求保护掩模版避免掉铬、擦伤、 颗粒污染和静电放电损伤。
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光刻版
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(A)电路图；(B)版图
(A)
(B)
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10.1.1 制版工艺简介
掩模版的制作流程
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10.1.1 制版工艺简介

硅平面晶体管或基层电路掩膜版的直走，一般来讲要
经过原图绘制（版图绘制和刻分层图）、初缩、精缩
第10章 光刻技术
•影响光刻的主要因素为掩膜版、光刻胶和光刻机。
•掩膜版由透光的衬底材料（石英玻璃）和不透光金属吸收玻璃
（主要是金属铬）组成。通常还有一层保护膜。 •光刻胶又称为光致抗蚀剂，是由光敏化合物、基体树脂和有机溶 剂等混合而成的胶状液体。光刻胶受到特定波长光线的作用时化 学结构发生变化，使光刻胶在特定溶液中的溶解特性改变。正胶
4、掩模版检测技术的发展趋势
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27
28
10.2 光刻胶（PR-光阻）


光刻时接受图像的介质称为光刻胶。
以光刻胶构成的图形作为掩膜对薄膜进行腐蚀，图形就
转移到晶片表面的薄膜上了，所以也将光刻胶称为光致
抗蚀剂。

光刻胶在特定波长的光线下曝光，其结构发生变化。
如果胶的曝光区在显影中除去，称为正胶；反之为负胶。
和反胶
•光刻机是曝光工具，是光刻工程的核心部分，其造价昂贵，可称 世界上最精密的仪器。
1
10.1 光刻掩模版的制造 10.2 光刻胶 10.3 光学分辨率增强技术 10.4 紫外光曝光技术 10.5 其它曝光技术 10.6 光刻设备
2
10.1 光刻掩模版的制造

掩模版就是将设计好的特定几何图形通过一定的方法
据经验判断；精确的厚度必须用测厚仪测量。铬膜质量不好的常
见毛病是针孔，产生原因主要是玻璃基片的清洁度不够好，有水 汽吸附，铬粉不纯，表面存在尘埃等。
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10.1.3
铬版的制备技术
4、铬膜质量
（1）膜厚 （2）均匀性 （3）针孔 （4）牢固度
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10.1.4 彩色版制备技术
•彩色版是一种采用新型的透明或半透明掩模，因有颜色，即俗称 彩色版，它可克服超微粒干版缺陷多，耐磨性差及铬版针孔多、易 反光、不易对准等缺点。

X射线光刻胶：
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10.3
光学分辨率增强技术
光学分辨率增强技术包括：

移相掩模技术（phase shift mask )、
离轴照明技术(off-axis illumination)、

光学邻近效应校正技术(optical proximity correction)、
光瞳滤波技术（pupil filtering technology）等。
光的胶膜被显影液除去，图形发生反转。

负胶多由长链高分子有机物组成。如由顺聚异戊二烯
和对辐照敏感的交联剂，以及溶剂组成得负胶，响应
波长330-430nm，胶膜厚度0.3-1μm，显影液二甲苯 等。
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2、负胶
负胶
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顺聚异戊二烯负胶显影原理
hv
顺聚异戊二烯+交联剂
固化为体型分子

曝光的顺聚异戊二烯在交联剂作用下交联，成为体型 高分子，并固化，不再溶于有机溶剂构成的显影液， 而未曝光的长链高分子溶于显影液，显影时被去掉。
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10.2.2

光学光刻胶

响应波长在紫光和近、中、远紫外线的光刻胶称为光学 光刻胶。 其中紫光和近紫外线正、负胶有多种，用途非常广泛。
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1、正胶

目前用得最多的胶，曝光后，窗口处的胶膜被显影液 除去。

当前常用正胶为DQN，组成为光敏剂 重氮醌(DQ)， 碱溶性的酚醛树脂(N)，和溶剂二甲苯等。
化学稳定性及高光穿透性等特质；

掩膜版之所以可以作为图形转移的模板，关键就在于
有无铬膜的存在，有铬膜的地方，光线不能穿越，反
之，则光可透过石英玻璃而照射在涂有光刻胶的晶片
上，晶片再经过显影，产生不同的图形。
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掩模版上的缺陷一般来自两个方面：
一是掩模版图形本身的缺陷，大致包括针孔、黑点、黑区 突出、白区突出、边缘不均及刮伤等，此部分皆为制作过程中
需加热。其它如预热等步骤与蒸铝工艺相似。
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3、蒸发后对铬膜的质量检查
•从真空室中取出蒸好的铬版，用丙酮棉球擦洗表面，然后放在 白炽灯前观察。检查铬层有否针孔，厚度是否均匀，厚薄是否适 当。 •如果铬膜太厚，腐蚀时容易钻蚀，影响光刻质量。太薄则反差 不够高。铬膜的厚度可用透过铬版观察白炽灯丝亮度的方法，根

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10.3.1
移相掩模技术
移相掩模的基本原理是在光掩模的某些透明图形
上增加或减少一个透明的介质层，称移相器，使光波
通过这个介质层后产生180°的位相差，与邻近透明区
域透过的光波产生干涉，抵消图形边缘的光衍射效应， 从而提高图形曝光分辨率。移相掩模技术被认为是最 有希望拓展光学光刻分辨率的技术之一。