半导体制造工艺基础教材
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✓版上缺陷可以修补
✓蒙膜(pellicle)保护防止颗 粒玷污
高透明度（散射小） 热膨胀小
光刻胶
10～15nmARC（antireflection coating） 80nmCr 熔融石英玻璃片
掩模版制作过程
12. Finished
成品率Y: D0:单位面积缺陷数， Ac: 芯片面积， N: 掩膜版层数
机械设计
半导体制造工艺基础教 材
2020年4月26日星期日
光刻的定义
光刻是一种图形复印和化学腐蚀相结合的精密 表面加工技术。用照相复印的方法将掩模版上的图案 转移到硅片表面的光刻胶上，以实现后续的有选择刻 蚀或注入掺杂
光刻的目的：光刻的目的就是在二氧化硅或金
属薄膜上面刻蚀出与掩膜版完全对应的几何图 形，把掩模版上的图形转换成晶圆上的器件结 构,从而实现选择性扩散和金属薄膜布线的目的
集成电路的特征尺寸是否能够进一 步减小，也与光刻技术的进一步发展有 密切的关系。
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。
所谓特征尺寸（CD：characteristic dimension）是指设计的多晶硅栅长，它标志了 器件工艺的总体水平，是设计规则的主要部分。
通常我们所说的0.13m,0.09m工艺就是 指的光刻技术所能达到最小线条的工艺。
10:1
5:1
1:1
DSW－direct step on wafer
接触式和接近 式——近场衍 射（Fresnel）
像平面靠近孔 径，二者之间 无镜头系统
曝光系统
接触和接近式
Fresnel衍射理论适用 的间隔范围：
g＝10 m， ＝365 nm（i线）时，
Wmin2 m
最小分辨尺寸
对遮蔽式曝光，最小线宽（临界尺寸）可用下式表示
光刻机
光刻机的性能由三个参数判断：分辨率、套准精度与产率。 分辨率：能精确转移到晶片表面抗蚀剂膜上图案的最小尺寸； 套准精度：后续掩模版与先前掩模版刻在硅片上的图形相互对准的程
度； 产率：对一给定的掩模版，每小时能曝光完成的晶片数量。
光学曝光方法：遮蔽式曝光和投影式曝光。 遮蔽式曝光：可分为掩模版与晶片直接接触的接触式曝光和二者紧密相
• 通常以每毫米内能刻蚀出可分辨的最多线条数目 来表示。
• 2.高灵敏度
• 灵敏度是指光刻胶感光的速度。为了提高产量, 要求光刻周期越短越好，这就要求曝光时间越短 越好，也就要求高灵敏度。
• 3.精密的套刻对准
• 集成电路制作需要十多次甚至几十次光刻，每 次光刻都要相互套准。
• 由于图形的特征尺寸在亚微米数量级上，因此 ，对套刻要求很高。要求套刻误差在特征尺寸 的10％左右。
边缘（第一衍射极小）相重合时，恰可分辨两物点。
S1
S2
可分辨
100%
S1
恰可分辨
73.6%
S2
S1 S2
不可分辨
两个爱里斑之间的分辨率(瑞利判据):
理论计算人眼爱里斑~20m 分辨率：100 m
数值孔径：收集衍射 光的能力。n为折射率
分辨率
k1=0.6-0.8
提高分辨率：
NA，，k1
由于有较高的光强度与稳定度，高压汞灯被广泛用作曝光光源。
邻的接近式曝光。若有尘埃或硅渣嵌入掩模版中，将造成掩 模版永久性损坏，在后续曝光的晶片上形成缺陷。
投影式曝光：在掩模版与晶片间有一距离，10-50um。但这一间隙会在掩 模版图案边缘造成光学衍射。导致分辨率退化。
接触式
三种硅片曝光模式及系统
接近式
投影式
1:1曝光系统
步进投影式光刻机原理图 步进扫描光刻机
光刻的要求
• 对光刻的基本要求： （1）高分辨率 （2）高灵敏度 （3）精密的套刻对准 （4）大尺寸硅片上的加工 （5）低缺陷
• 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，即对光刻工Fra Baidu bibliotek中可以达到的最小光刻图 形尺寸的一种描述，是光刻精度和清晰度的标志 之一。
• 随着集成电路的集成度提高，加工的线条越来越 细，对分辨率的要求也越来越高。
35％的成 本来自于 光刻工艺
图形转移技术组成：
•掩膜版/电路设计 •掩膜版制作 •光刻
光源 曝光系统 光刻胶
IC掩模版
空间图像 潜在图像
掩膜版制作
CAD设计、模拟、验证后由图形发生器产生数字图形
×1掩膜版制作
接触式、接近式光刻
数字图形
×4或×5投影光 刻版
投影式光刻
电子束直写
✓×4或×5投影光刻版在 制版时容易检查缺陷
基本参数：
投影式
✓分辨率(resolution)
✓焦深(depth of focus) ✓视场(field of view)
光学系统决定
✓调制传递函数(MTF—modulation transfer function)
✓套刻精度(alignment accuracy)
✓产率(throughput)
其中，λ是曝光光源的波长，g是掩模版与晶片间的间隙距离。当λ与g 减小时，可以得到lCD缩小的优势。然而，当给定一个g，任何大于g的微 尘粒子都会对掩模版造成损坏。
投影式——远场衍 射（Fraunhofer）
像平面远离孔径， 在孔径和像之间设 置镜头
爱里斑
瑞利给出恰可分辨两个物点的判据：
分辨率
点物S1的爱里斑中心恰好与另一个点物S2的爱里斑
在IC制造中必须要求洁净的厂房， 特别是图形曝光的工作区域，因为 尘埃可能会粘附于晶片或掩模版上 造成器件的缺陷从而是电路失效。
尘埃粒子在掩模版图案上 所造成的不同腐蚀的影响
用于IC制造的掩模版通常为缩小倍数的掩模版。掩模版的第一步为设 计者用CAD系统完整地将版图描绘出来。然后将CAD得到的数据信息传送到 电子束图形曝光的图形产生器。再将图案直接转移至对电子束敏感的掩模版上 。掩模版是由融凝硅土的基底覆盖一层铬膜组成。电路图案先转移至电子敏感 层进而转移至底下的铬膜层，掩模版便完成了
• 4.大尺寸硅片的加工 • 提高了经济效益 • 但是要在大面积的晶圆上实现均匀的胶膜涂覆
，均匀感光，均匀显影，比较困难 • 高温会引起晶圆的形变，需要对周围环境的温
度控制要求十分严格，否则会影响光刻质量
5.低缺陷 缺陷会使电路失效，因此应该尽量减少缺陷
光学图形曝光－洁净室
在集成电路制造中，主要的图形曝光设备是利用紫外光[λ=0.2-0.4μm]的 光学仪器。主要讨论曝光装置、掩模版、抗蚀剂与分辨率。
✓蒙膜(pellicle)保护防止颗 粒玷污
高透明度（散射小） 热膨胀小
光刻胶
10～15nmARC（antireflection coating） 80nmCr 熔融石英玻璃片
掩模版制作过程
12. Finished
成品率Y: D0:单位面积缺陷数， Ac: 芯片面积， N: 掩膜版层数
机械设计
半导体制造工艺基础教 材
2020年4月26日星期日
光刻的定义
光刻是一种图形复印和化学腐蚀相结合的精密 表面加工技术。用照相复印的方法将掩模版上的图案 转移到硅片表面的光刻胶上，以实现后续的有选择刻 蚀或注入掺杂
光刻的目的：光刻的目的就是在二氧化硅或金
属薄膜上面刻蚀出与掩膜版完全对应的几何图 形，把掩模版上的图形转换成晶圆上的器件结 构,从而实现选择性扩散和金属薄膜布线的目的
集成电路的特征尺寸是否能够进一 步减小，也与光刻技术的进一步发展有 密切的关系。
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。
所谓特征尺寸（CD：characteristic dimension）是指设计的多晶硅栅长，它标志了 器件工艺的总体水平，是设计规则的主要部分。
通常我们所说的0.13m,0.09m工艺就是 指的光刻技术所能达到最小线条的工艺。
10:1
5:1
1:1
DSW－direct step on wafer
接触式和接近 式——近场衍 射（Fresnel）
像平面靠近孔 径，二者之间 无镜头系统
曝光系统
接触和接近式
Fresnel衍射理论适用 的间隔范围：
g＝10 m， ＝365 nm（i线）时，
Wmin2 m
最小分辨尺寸
对遮蔽式曝光，最小线宽（临界尺寸）可用下式表示
光刻机
光刻机的性能由三个参数判断：分辨率、套准精度与产率。 分辨率：能精确转移到晶片表面抗蚀剂膜上图案的最小尺寸； 套准精度：后续掩模版与先前掩模版刻在硅片上的图形相互对准的程
度； 产率：对一给定的掩模版，每小时能曝光完成的晶片数量。
光学曝光方法：遮蔽式曝光和投影式曝光。 遮蔽式曝光：可分为掩模版与晶片直接接触的接触式曝光和二者紧密相
• 通常以每毫米内能刻蚀出可分辨的最多线条数目 来表示。
• 2.高灵敏度
• 灵敏度是指光刻胶感光的速度。为了提高产量, 要求光刻周期越短越好，这就要求曝光时间越短 越好，也就要求高灵敏度。
• 3.精密的套刻对准
• 集成电路制作需要十多次甚至几十次光刻，每 次光刻都要相互套准。
• 由于图形的特征尺寸在亚微米数量级上，因此 ，对套刻要求很高。要求套刻误差在特征尺寸 的10％左右。
边缘（第一衍射极小）相重合时，恰可分辨两物点。
S1
S2
可分辨
100%
S1
恰可分辨
73.6%
S2
S1 S2
不可分辨
两个爱里斑之间的分辨率(瑞利判据):
理论计算人眼爱里斑~20m 分辨率：100 m
数值孔径：收集衍射 光的能力。n为折射率
分辨率
k1=0.6-0.8
提高分辨率：
NA，，k1
由于有较高的光强度与稳定度，高压汞灯被广泛用作曝光光源。
邻的接近式曝光。若有尘埃或硅渣嵌入掩模版中，将造成掩 模版永久性损坏，在后续曝光的晶片上形成缺陷。
投影式曝光：在掩模版与晶片间有一距离，10-50um。但这一间隙会在掩 模版图案边缘造成光学衍射。导致分辨率退化。
接触式
三种硅片曝光模式及系统
接近式
投影式
1:1曝光系统
步进投影式光刻机原理图 步进扫描光刻机
光刻的要求
• 对光刻的基本要求： （1）高分辨率 （2）高灵敏度 （3）精密的套刻对准 （4）大尺寸硅片上的加工 （5）低缺陷
• 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，即对光刻工Fra Baidu bibliotek中可以达到的最小光刻图 形尺寸的一种描述，是光刻精度和清晰度的标志 之一。
• 随着集成电路的集成度提高，加工的线条越来越 细，对分辨率的要求也越来越高。
35％的成 本来自于 光刻工艺
图形转移技术组成：
•掩膜版/电路设计 •掩膜版制作 •光刻
光源 曝光系统 光刻胶
IC掩模版
空间图像 潜在图像
掩膜版制作
CAD设计、模拟、验证后由图形发生器产生数字图形
×1掩膜版制作
接触式、接近式光刻
数字图形
×4或×5投影光 刻版
投影式光刻
电子束直写
✓×4或×5投影光刻版在 制版时容易检查缺陷
基本参数：
投影式
✓分辨率(resolution)
✓焦深(depth of focus) ✓视场(field of view)
光学系统决定
✓调制传递函数(MTF—modulation transfer function)
✓套刻精度(alignment accuracy)
✓产率(throughput)
其中，λ是曝光光源的波长，g是掩模版与晶片间的间隙距离。当λ与g 减小时，可以得到lCD缩小的优势。然而，当给定一个g，任何大于g的微 尘粒子都会对掩模版造成损坏。
投影式——远场衍 射（Fraunhofer）
像平面远离孔径， 在孔径和像之间设 置镜头
爱里斑
瑞利给出恰可分辨两个物点的判据：
分辨率
点物S1的爱里斑中心恰好与另一个点物S2的爱里斑
在IC制造中必须要求洁净的厂房， 特别是图形曝光的工作区域，因为 尘埃可能会粘附于晶片或掩模版上 造成器件的缺陷从而是电路失效。
尘埃粒子在掩模版图案上 所造成的不同腐蚀的影响
用于IC制造的掩模版通常为缩小倍数的掩模版。掩模版的第一步为设 计者用CAD系统完整地将版图描绘出来。然后将CAD得到的数据信息传送到 电子束图形曝光的图形产生器。再将图案直接转移至对电子束敏感的掩模版上 。掩模版是由融凝硅土的基底覆盖一层铬膜组成。电路图案先转移至电子敏感 层进而转移至底下的铬膜层，掩模版便完成了
• 4.大尺寸硅片的加工 • 提高了经济效益 • 但是要在大面积的晶圆上实现均匀的胶膜涂覆
，均匀感光，均匀显影，比较困难 • 高温会引起晶圆的形变，需要对周围环境的温
度控制要求十分严格，否则会影响光刻质量
5.低缺陷 缺陷会使电路失效，因此应该尽量减少缺陷
光学图形曝光－洁净室
在集成电路制造中，主要的图形曝光设备是利用紫外光[λ=0.2-0.4μm]的 光学仪器。主要讨论曝光装置、掩模版、抗蚀剂与分辨率。