光刻工艺与方法
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光刻工艺与方法
张永平 2012.02.24
• 光刻胶由三部分组成：
1、感光剂 2、增感剂 3、溶剂
正、负性光刻胶
衡量光刻胶好坏的标准
• 1、感光度 • 2、分辨率 • 3、粘度及固态含有率 • 4、稳定性 • 5、抗蚀性 • 6、黏附能力 • 7、针孔密度
光源
• 现代曝光系统所产生的像是受衍射限制的，而衍 射效应又与曝光辐射的波长有很强的联系。从历 史看，多数的光刻系统都使用弧光灯作为主要光 源，内含有汞蒸汽，用光刻的灯消耗大约1千瓦功 率。常用的汞两种特征波长：436nm（g线）和 365nm（i线）。20世纪90年代早期，多数的光刻 机使用g线；在0.35μm这一代中，i线步进光刻机 是主宰。在深紫外光这一段，最亮的光源要数准 分子激光 ，最有兴趣的二种源:KrF（248nm）和 ArF（193nm），一般有二种元素，一种是惰性 气体，一种是含卤化合物。准分子激光的主要问 题：激光的可靠性和寿命、镜头系统中光学元件 对曝光波长的透明度、寻找合适的光刻胶
• 等离子体去胶，氧气在强电场作用下电离产生的 活性氧，使光刻胶氧化而成为可挥发的CO2、H2O 及其他气体而被带走。
光刻质量分析
浮胶 • 1，操作环境的湿度过大； • 2，二氧化硅表面不净； • 3，前烘不足或过度； • 4，曝光或显影不合适； • 5，腐蚀不当造成浮胶
钻蚀
1、光刻掩膜版质量不好，版上图形边缘不 齐并有毛刺等
影响曝光分辨率的因素
1．掩模版与光刻胶膜的接触情况 2．曝光光线的平行度 3．光的衍射和反射 4．光刻胶膜的质量和厚度 5．曝光时间 6．掩模版的分辨率和质量
去胶
• 溶剂去胶，去胶剂常用含氯的烃化物，并含有表 面湿润剂
• 氧化去胶，常用的氧化剂有浓硫酸，H2SO4 : H2O2(3:1)混合液，也可用Ⅰ号洗液(NH4OH : H2O2 : H2O=1:2:5)煮沸，使胶层碳化脱落而除去； 还有氧气去胶。
• 缺点：设备复杂，成本昂贵；完成全部图形曝光 需较长时间。掩模制备困难。
• 其他曝光方法： X 射线曝光方法
离子束曝光方法
光刻工艺过程
• 涂胶，前烘，曝光，显影，坚膜，腐蚀和去胶
显影和定影
• 显影：感光底版在曝光后，用显影液将潜影银质 点继续长大成较大的金属银粒，使之能成为可见 的图像。
• 定影：选择一种既能溶解残存在乳胶层内的卤化 银，又不对乳胶层的明胶和构成影像的银质点发 生侵蚀作用的定影液，除去显影后残存在乳胶层 内的卤化银，使显影所得的影响固定下来。
2、光刻胶过滤不好，颗粒密度大 3、硅片有突出的颗粒，使掩膜版与硅片接
触不好，图形出现发虚现象
4、氧化层的厚度差别太大
针孔
1、氧化硅薄膜表面有外来颗粒，使得涂胶时胶膜与基 片表面未充分沾润，留有未覆盖的小区域，腐蚀时产生 针孔。 • 2、 光刻胶中含有固体颗粒，影响曝光效果，显影时剥 落，腐蚀时产生针孔。 • 3、光刻胶膜本身抗蚀能力差，或胶膜太薄，腐蚀液局 部穿透胶膜，造成针孔。 • 4、前烘不足，残存溶剂阻碍抗蚀剂交联，或前烘时骤 热，引起溶剂挥发过快而鼓泡，腐蚀时产生针孔。 • 5、曝光不足，交联不充分，或曝光时间过长，胶层发 生皱皮，腐蚀液穿透胶膜而产生腐蚀斑点。 • 6、腐蚀液配方不当，腐蚀能力太强。 • 7、掩模版透光区存在灰尘或黑斑，曝光时局部胶膜末 曝光，显影时被溶解，腐蚀后产生 针孔。
投影式曝光：掩模不受损伤，不存在景深问题提高了对 准精度，也减弱了灰尘微粒的影响，已成为LSI 和 VLSI 中加工小于3um 线条的主要方法。缺点是投影 系统光路复杂，对物镜成像能力要求高。
电子束曝光
• 电子束曝光方法主要有扫描式和投影式（分为摄 像管式和透射电子成像式）两种。
• 优点：分辨率比光学曝光高，能扫描最小线宽 0.1um 的微细图形；扫描电子束曝光不需要掩模 版，可缩短加工周期；能大大提高加工精度。
• 曝光技术直接影 响到微细图形加 工的精度与质量
• a,接触式 • b,接近式 • c,投影式
三种曝光方式比较ຫໍສະໝຸດ Baidu
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，同时由于尘埃和基片表面不平等，常常 存在不同程度的曝光缝隙而影响成品率。
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。
小岛
1、在光刻版上不透光的区域中存在着小孔或透 光点。
• 2、光刻胶中的大颗粒不溶物质残存于二氧化硅 的表面。
• 3、曝光过度，使的局部区域显影不干净或显影 不充分，残留光刻胶底膜。
• 掩模是光刻工艺加工的基准，掩模质量的好坏直 接影响光刻质量的优劣，从而影响晶体管或集成 电路的性能和成品率。
• 线宽 • 安全极限浓度(TLV) • 抗蚀能力 • 分辨率： a)、光的衍射、镜头色差和设备的机械稳定性； b)、光刻胶的光学特性； c)、工艺特性，如适当烘烤、显影、后烘、刻蚀
张永平 2012.02.24
• 光刻胶由三部分组成：
1、感光剂 2、增感剂 3、溶剂
正、负性光刻胶
衡量光刻胶好坏的标准
• 1、感光度 • 2、分辨率 • 3、粘度及固态含有率 • 4、稳定性 • 5、抗蚀性 • 6、黏附能力 • 7、针孔密度
光源
• 现代曝光系统所产生的像是受衍射限制的，而衍 射效应又与曝光辐射的波长有很强的联系。从历 史看，多数的光刻系统都使用弧光灯作为主要光 源，内含有汞蒸汽，用光刻的灯消耗大约1千瓦功 率。常用的汞两种特征波长：436nm（g线）和 365nm（i线）。20世纪90年代早期，多数的光刻 机使用g线；在0.35μm这一代中，i线步进光刻机 是主宰。在深紫外光这一段，最亮的光源要数准 分子激光 ，最有兴趣的二种源:KrF（248nm）和 ArF（193nm），一般有二种元素，一种是惰性 气体，一种是含卤化合物。准分子激光的主要问 题：激光的可靠性和寿命、镜头系统中光学元件 对曝光波长的透明度、寻找合适的光刻胶
• 等离子体去胶，氧气在强电场作用下电离产生的 活性氧，使光刻胶氧化而成为可挥发的CO2、H2O 及其他气体而被带走。
光刻质量分析
浮胶 • 1，操作环境的湿度过大； • 2，二氧化硅表面不净； • 3，前烘不足或过度； • 4，曝光或显影不合适； • 5，腐蚀不当造成浮胶
钻蚀
1、光刻掩膜版质量不好，版上图形边缘不 齐并有毛刺等
影响曝光分辨率的因素
1．掩模版与光刻胶膜的接触情况 2．曝光光线的平行度 3．光的衍射和反射 4．光刻胶膜的质量和厚度 5．曝光时间 6．掩模版的分辨率和质量
去胶
• 溶剂去胶，去胶剂常用含氯的烃化物，并含有表 面湿润剂
• 氧化去胶，常用的氧化剂有浓硫酸，H2SO4 : H2O2(3:1)混合液，也可用Ⅰ号洗液(NH4OH : H2O2 : H2O=1:2:5)煮沸，使胶层碳化脱落而除去； 还有氧气去胶。
• 缺点：设备复杂，成本昂贵；完成全部图形曝光 需较长时间。掩模制备困难。
• 其他曝光方法： X 射线曝光方法
离子束曝光方法
光刻工艺过程
• 涂胶，前烘，曝光，显影，坚膜，腐蚀和去胶
显影和定影
• 显影：感光底版在曝光后，用显影液将潜影银质 点继续长大成较大的金属银粒，使之能成为可见 的图像。
• 定影：选择一种既能溶解残存在乳胶层内的卤化 银，又不对乳胶层的明胶和构成影像的银质点发 生侵蚀作用的定影液，除去显影后残存在乳胶层 内的卤化银，使显影所得的影响固定下来。
2、光刻胶过滤不好，颗粒密度大 3、硅片有突出的颗粒，使掩膜版与硅片接
触不好，图形出现发虚现象
4、氧化层的厚度差别太大
针孔
1、氧化硅薄膜表面有外来颗粒，使得涂胶时胶膜与基 片表面未充分沾润，留有未覆盖的小区域，腐蚀时产生 针孔。 • 2、 光刻胶中含有固体颗粒，影响曝光效果，显影时剥 落，腐蚀时产生针孔。 • 3、光刻胶膜本身抗蚀能力差，或胶膜太薄，腐蚀液局 部穿透胶膜，造成针孔。 • 4、前烘不足，残存溶剂阻碍抗蚀剂交联，或前烘时骤 热，引起溶剂挥发过快而鼓泡，腐蚀时产生针孔。 • 5、曝光不足，交联不充分，或曝光时间过长，胶层发 生皱皮，腐蚀液穿透胶膜而产生腐蚀斑点。 • 6、腐蚀液配方不当，腐蚀能力太强。 • 7、掩模版透光区存在灰尘或黑斑，曝光时局部胶膜末 曝光，显影时被溶解，腐蚀后产生 针孔。
投影式曝光：掩模不受损伤，不存在景深问题提高了对 准精度，也减弱了灰尘微粒的影响，已成为LSI 和 VLSI 中加工小于3um 线条的主要方法。缺点是投影 系统光路复杂，对物镜成像能力要求高。
电子束曝光
• 电子束曝光方法主要有扫描式和投影式（分为摄 像管式和透射电子成像式）两种。
• 优点：分辨率比光学曝光高，能扫描最小线宽 0.1um 的微细图形；扫描电子束曝光不需要掩模 版，可缩短加工周期；能大大提高加工精度。
• 曝光技术直接影 响到微细图形加 工的精度与质量
• a,接触式 • b,接近式 • c,投影式
三种曝光方式比较ຫໍສະໝຸດ Baidu
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，同时由于尘埃和基片表面不平等，常常 存在不同程度的曝光缝隙而影响成品率。
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。
小岛
1、在光刻版上不透光的区域中存在着小孔或透 光点。
• 2、光刻胶中的大颗粒不溶物质残存于二氧化硅 的表面。
• 3、曝光过度，使的局部区域显影不干净或显影 不充分，残留光刻胶底膜。
• 掩模是光刻工艺加工的基准，掩模质量的好坏直 接影响光刻质量的优劣，从而影响晶体管或集成 电路的性能和成品率。
• 线宽 • 安全极限浓度(TLV) • 抗蚀能力 • 分辨率： a)、光的衍射、镜头色差和设备的机械稳定性； b)、光刻胶的光学特性； c)、工艺特性，如适当烘烤、显影、后烘、刻蚀