半导体光刻工艺培训资料

十 字 标 号 ： 高 35 微 米，宽20微米左右 胖瘦标记的线宽和 间距均为5微米
不合适的工艺条件
版图设计注意事项
3.如对套刻要求较高建议采 用游标形式标记如：
4.大面积透光和大面积不透光版上的对准标记形式：
后次版为大面积透 光，十字不透光的 情况
前次版十字
后次版为大面积不透光， 十字不透光，需设计大面 积的透光区
•表面处理 •涂胶 •前烘 •对准和曝光 •显影 •图形检查 •坚膜
主流曝光工具: • 步进重复式曝光系统； • 接触、接近式曝光系统； • 电子束、离子束曝光系统； • ......
步进重复式曝光系统 接触接近式曝光系统 ——（苏州纳米所加工平台Nikon-i7） ——（苏州纳米所加工平台SUSS-MA6）
版图设计注意事项
常规标记基本形式：
10微米 45微米
30微米
40微米
5* 5m m2
1.操作者通过选择5倍、10倍两组倍率的显 微镜来观察对准标记，所以切忌将标记设 计过大或过小。 2.如套刻层次较多，要选择相关性较强的 标记套刻，做好标记保护最好能在每个层 次都引入新标记。
5微米 2微米
十字长150微米
1.树脂是悬浮于溶剂中的酚醛甲醛聚合物； 2.感光剂化合物作为强的溶解抑制剂被加到线性酚醛甲醛树脂中； 3.曝光过程中，DNQ发生光化学分解产生羧酸； 4.羧酸提高光刻胶曝光区域的线性酚醛树脂溶解度；
光刻胶的物理特性及性能评价 分辨率 敏感度 对比度 粘滞性 粘附力（表面特性） 热流动性 颗粒及可动离子污染 稳定性 抗蚀性
去边
Solvent
Wafer Chuck Spindle To vacuum pump
去边
Solvent
Wafer Chuck Spindle To vacuum pump
去边
Light source Light beam Photoresist Wafer Chuck Spindle
Exposed Photoresist

电子束、离子束曝光系统；
曝光精度10纳米； 对位精度40纳米； 曝光效率非常低，曝光 1cm*1cm样品需要数天。

Moore’s Law and Rayleigh’s Law
Moore’s Law （经验）： 芯片上的晶体管数目大约 每两年增长一倍
Rayleigh’s Law： CD = k1
To vacuum pump
涂胶
PR suck back
PR dispenser nozzle Wafer Chuck Spindle
To vacuum pump
涂胶
PR suck back
PR dispenser nozzle Wafer Chuck Spindle
To vacuum pump
光刻流程图
前道工艺 清洗 表面处理 涂胶 前烘 对准 & 曝光 坚膜 显影 后烘
核心工艺 否
去胶
检查 黄光室 较高的环境要求 通过
刻蚀
注入
基本工艺流程
• 旋转涂胶 •对准和曝光 • 显影
光源
光刻版 光刻胶 衬底
光刻胶
光刻胶是一种有机化合物，受紫外曝光后，在显影溶液中的溶解度会发生变化。 晶片制造中所用的光刻胶通常以液态临时涂覆在表面，而后被干燥成胶膜。通 过曝光来传递设计图案 正性光刻胶 正性光刻胶曝光后软化变得可溶 负性光刻胶 负性光刻胶在曝光后硬化变得不能溶解。
20
10 10 10 10
18
-14
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
(nm)
157
193
Байду номын сангаас248
365
405 436
DUV VUVi g h
光刻技术---特征线宽
工艺因子（K1）
CD = k1
λ
NA
分辨率增强技术— K1
离轴照明技术（光源） 相移掩膜技术（掩膜） 邻近效应修正技术（掩膜） 多重曝光技术（工艺） 抗反射层技术（工艺）
光刻胶
渗透
显影液
衬底
粘附力好表面
Attractive interaction
HMDS 可以用浸泡、喷雾和气相方法来涂覆。
粘附力差的表面
表面处理
•表面处理 •涂胶 •前烘 •对准和曝光 •显影 •图形检查 •坚膜
HMDS（六甲基二硅氮甲烷）把它涂到硅片表面后，通过加温可反应生成以硅氧 烷为主题的化合物，这实际上是一种表面活性剂，它成功地将硅片表面由亲水 变为疏水，其疏水基可很好地与光刻胶结合，起到耦合的作用，再者，在显影 的过程中，由于它增强了光刻胶与基底的粘附力，从而有效地抑制图形移位。
涂胶
PR suck back
PR dispenser nozzle Wafer Chuck Spindle
To vacuum pump
•表面处理 •涂胶 •前烘 •对准和曝光 •显影 •图形检查 •坚膜
厚边 匀胶后在衬底边缘处会形成较厚的边（边珠效 应，这会影响到光刻的图形精度）。可在涂胶 过程中加入去边及背喷工艺（PGMEA、 EGMEA为常用去边液）
表面处理
•表面处理 •涂胶 •前烘 •对准和曝光 •显影 •图形检查 •坚膜
晶元容易吸附潮气到它的表面。光刻胶黏附要求要严格的干燥表面， 所以在涂胶之前要进行脱水烘焙和黏附剂的涂覆。脱水烘焙的温度通 常在140度到200度之间。有时还要用到黏附剂，黏附剂通常使用HMDS （六甲基二硅胺脘）。表面处理的主要作用是提高光刻胶与衬底之间 的粘附力，使之在显影过程中光刻胶不会被液态显影液渗透。（如下 图）
电子束曝光系统
——(苏州纳米所加工平台Jeol-5500)
现有设备介绍
常用曝光工具:
步进重复式曝光系统；
曝光精度：500纳米； 对位精度：100纳米； 对衬底材料，规格要 求严格。

接触、接近式曝光系统；
曝光精度2微米 对位精度2微米 最好的基片适应性，可夹 持不同厚度不规则形状基片
涂胶
PR suck back
PR dispenser nozzle Wafer Chuck Spindle
To vacuum pump
涂胶
PR suck back
PR dispenser nozzle Wafer Chuck Spindle
To vacuum pump
PR suck back
PR dispenser nozzle Wafer Chuck Spindle
λ
NA K1 λ
DOF = k2 NA
λ
NA2
光学光刻的波长选择
CD = k1
λ
NA
Gamma rays
Visible Microwaves
12 10
X-rays
UV
16
Infrared
14
Radio waves
8 6 4
f (Hz) (m)
10 10 10 10
22
10 10 10 10
-12
涂覆
涂胶
PR dispenser nozzle Wafer Chuck Spindle To vacuum pump
涂胶
PR suck back
PR dispenser nozzle Wafer Chuck Spindle
To vacuum pump
涂胶
PR suck back
PR dispenser nozzle Wafer Chuck Spindle
Wafer
HMDS Vapor Hot Plate
Wafer
Hot Plate 高温烘焙
气相成底模
涂胶
•表面处理 •涂胶 •前烘 •对准和曝光 •显影 •图形检查 •坚膜
1
2
3
4
1. 2. 3. 4.
滴胶（静态、动态） 旋转铺开 甩掉多余的胶 溶剂挥发
3000rpm 30s
500rpm 3s
加速
预涂
后烘（Post-exposure back）
DUV（化学放大）曝光后烘焙 改变曝光后光刻胶化学性质主要步骤，是该类光刻胶工艺中重要的一步。
常规I线胶曝光后烘焙（可选） 光线照射到光刻胶与晶圆的界面上会产生部分 反射。反射光与入射光会叠加形成驻波。 后烘会部分消除这种效应
涂覆抗反射涂层解决表面反射问题
Process Troubleshooting 表面出现气泡 •滴胶时胶中带有气泡 •喷嘴尖端切口有问题或带刺
放射状条纹 •胶液喷射速度过高 •设备排气速度过高 •胶涂覆前静止时间过长 •匀胶机转速或加速度设置过高 •片子表片留有小颗粒 •胶中有颗粒
中心漩涡图案 •设备排气速度过高 •喷胶时胶液偏离衬底中心 •旋图时间过长
数值孔径（NA）
CD = k1
λ
NA
浸没式光刻技术
影响光场分布因素----衍射
光的衍射： 若光孔线度越小，光束受限制得越厉害，则衍射范围越加弥漫
接触(近)式光刻机
Mask Photoresist
0~20 m
Wafer
套准精度问题 依赖操作者引入重复性和控制问题 掩膜污染问题（接触式）
Wafer
• • • • • • • • •
•表面处理 •涂胶 •前烘 •对准和曝光 •显影 •图形检查 •坚膜
表面处理 光刻胶的表面特性
跟空气的界面：
如果表面活性不恰当，会形成涂花等光刻胶表面缺陷，一般的解决办法 是添加表面活性剂，或改变涂胶条件（e.g.闭盖）。
跟衬底的界面：
如果表面活性不恰当，会引起脱膜或图形移位等问题。 解决办法包括提高胶的粘附性、HMDS预处理和使用BARC。
UV
负性胶 衬底 显影 衬底
resister
正性胶 衬底
光刻版
光刻胶
光刻胶的主要成分
光敏剂
光刻胶材料的光敏成分
树脂 溶剂
使光刻胶具有流动性
惰性聚合物基质，用于把光刻胶中的不同材料聚在一起的粘合剂。给予胶机械和化学性质。
添加剂
控制光刻胶材料特殊方面的化学物质
光化学反应机理 （以（常规I线）DNQ正胶为例）：
显影
定影
甩干
•表面处理 •涂胶 •前烘 •对准和曝光 •显影 •图形检查 •坚膜
坚 膜
坚膜就是通过加温烘烤使胶膜更牢固地黏附在晶圆表面，并可 以增加胶层的抗刻蚀能力，坚膜温度通常略高于前烘温度。 好处： • 能够改善光刻胶的抗刻蚀、注入能力。 • 改善光刻胶与晶圆表面的黏附性，有利于后续湿法腐蚀工艺。 • 改善光刻胶中存在的针孔。 PR Substrate PR Pinhole Fill by Thermal Flow PR Substrate
To vacuum pump
涂胶
PR suck back
PR dispenser nozzle Wafer Chuck Spindle
To vacuum pump
涂胶
PR suck back
PR dispenser nozzle Wafer Chuck Spindle
To vacuum pump
中心圆晕 •不合适的托盘 •喷嘴偏离衬底中心
胶液未涂满衬底 •给胶量不足 •不合适的匀胶加速度
针孔 •光刻胶内存在颗粒或气泡 •衬底上存在颗粒
前 烘（软烘）
•表面处理 •涂胶 •前烘 •对准和曝光 •显影 •图形检查 •坚膜
前烘 : 目的是蒸发掉胶中的有机溶剂成分，使晶圆表面的胶固化； 缓和在旋转过程中光刻胶膜内产生的应力； 防止沾污设备； 增强光刻胶的粘附性； 这个过程中胶中的溶剂基本被蒸发掉(<10%)，因而通常情况下 胶的厚度会变薄
光刻工艺技术基础
加工平台 王逸群
http://snff.sinano.ac.cn
光刻简介
从半导体制造的初期，光刻就被认为是集成电路制造工艺发展的
驱动力。
光刻的本质是把制作在掩膜版上的图形复制到以 后要进行刻蚀和离子注入的晶圆上。其原理与照相 相似，不同的是半导体晶圆与光刻胶代替了照相底 片与感光涂层。
接近式缓解了沾污问题，但分辨率受到限制
投影式光刻机
光源
掩膜
衍射光
D r
o
缩小透镜
通过透镜收集衍射光（NA） 理想光强分布
Rayleigh’s Law： CD = k1
λ
NA
DOF = k2
λ
NA2
接触式光刻机对准方式
接触式光刻机的晶片的对准方式：
光刻版上的标记
Z θ X Y
基片上的标记
接触式光刻机对准方式
前烘可在热板或烘箱中进行。每一种胶都有其特定的前烘温度和时间,更厚的胶可能需要更长的时间
热板：95度1分钟
烘箱：90度30分钟
•烘烤过度: 减小光刻胶中感光成分的活性 •前烘不足: 光刻胶中的溶剂不能完全被蒸发掉， 这将阻碍光对胶的作用并且影响到其在显影液中 的溶解度（如下图） •肌肤效应
对准和曝光
BARC(Bottom Anti Reflective Coating )底部抗反射图层 TARC(Top Anti Reflective Coating )顶部抗反射图层
无BARC
有BARC
显 影
•表面处理 •涂胶 •前烘 •对准和曝光 •显影 •图形检查 •坚膜
用化学显影液将曝光造成的光刻胶的可溶解区域溶解就是光刻胶的显影， 其主要目的就是把掩膜版的图形准确复制到光刻胶中。 常见的显影液有NaOH (Shipley 351), KOH (Shipley 606) ,TMAH (Shipley CD-26, MF-321, OCG 945)等。 需要注意的是：所有的这些显影液都会刻蚀铝