紫外光透过掩膜版把图形转移到硅片表面的光敏薄膜上然后用一种刻
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第八章 光刻
8.1 简介 • 定义：光刻工艺是一种用来去掉晶圆表面 层上所 规定的特定区域的基本操作。 • 本质是把电路结构复制到以后要进行刻蚀 和离子注入的硅片上。这些结构以图形形 式制作在掩膜版上，紫外光透过掩膜版把 图形转移到硅片表面的光敏薄膜上然后用 一种刻蚀的工艺把薄膜图形成像在下面的 硅片上。
• 汞灯强度峰
UV光波长
436 405
描述符
G线 H线
CD分辨率
0.5 0.4
365
248
I线
0.35
深紫外DUV 0.25
曝光时常规的光刻胶与特定UV波长有相应 的特定光谱响应。例如，用于CD特征尺寸 0.35微米的酚醛树脂I线光刻胶就与365nm 的I线紫外光反应。 考虑汞灯的发射光谱，248nm的深紫外发 射是365nm的I线发射强度的五分之一。由 于汞灯在深紫外波长的强度低，I线光刻胶 在248nm下曝光要得到相同的效果，就需 要五倍的曝光时间。 I线光刻胶对深紫外光有过度的吸收，光不 能渗透光刻胶，曝光图形差。
纵横比用来衡量光刻胶的分辨力和光刻胶 厚度之间的关系。是光刻胶厚度与图形打 开尺寸的比值。 纵横比=T/W 正胶比负胶有更高的纵横比，对于一个给 定的图形尺寸开口，正胶的光刻胶层可以 更厚。
• 黏结性：为了实现刻蚀阻隔作用，光刻胶 层必须与晶圆表面有很好的黏结性，才能 够保证把光刻图形很好的转移到晶圆表面。 负胶比正胶的黏结能力好。
8.4.2 光刻胶的表现要素及物理特性
光刻胶的选择的主要决定因素是晶圆表面 对尺寸的要求。 1. 具有产生那些所要求尺寸的能力 2. 在刻蚀过程中阻隔刻蚀的功能，必须保证 一定的厚度，且不能有针孔 3. 必须能和晶圆表面很好地黏合，否则刻蚀 后图形会发生扭曲
• 分辨率：在光刻胶层能产生的最小图形通 常作为对光刻胶的分辨力的参考。产生的 线条越小，分辨力越强。 它是表征光刻精度的标志之一，与光刻本 身和光刻工艺条件及操作技术有关。 越细的线宽需要越薄的光刻胶膜来产生。 然而光刻胶膜需要足够厚度来实现阻隔刻 蚀的作用，并且保证不能有针孔，所以选 择需要权衡。 改变工艺参数可以改变固有的分辨力。
曝光光源 紫外光用于光刻胶的曝光时因为光刻胶材 料与这个特定波长的光反应。波长也很重 要，因为较短的波长可以获得光刻胶上较 小尺寸的分辨率。现今常用于光学光刻的 两种紫外光源是：汞灯和准分子激光。 除这些常用的光源外，还有X射线、电子束 和离子束。
汞灯 高压汞灯作为紫外光源被使用在所用的常 规I线步进光刻机上。在这种灯里，电流通 过装有氙汞气体的管子产生电弧放电。这 个电弧发射出一个特征光谱，包括240nm 到500nm之间有用的紫外辐射。
• 光敏剂：添加到光刻胶中来产生或控制聚 合物的特定反应。 光敏剂被加到光刻胶中用来限制反应光的 波普范围或者把反应光限制到某一特定波 长。
• 添加剂：不同类型的添加剂和光刻胶混合 达到特定的效果。可以阻止光刻胶没有曝 光的部分在显影过程中被溶解。负胶含有 染色剂，在光刻胶薄膜中吸收和控制光线。 正胶会有化学的抗溶解系统。
• 目标：1.在晶圆表面建立尽可能接近 设计规则中所要求的尺寸的图形。这 个目标称为晶圆的分辨率，也就是区 分Si片上两个邻近图形的能力。 高的分辨率需要将曝光波长减小到与CD 几乎一样大小。
2.在晶圆表面正确定位图形。
8.2 光刻工艺 光刻包括两种基本的工艺类型：负性光刻和正 性光刻 8.2.1 负性光刻 负性光刻的基本特征是当曝光后，光刻胶被曝 光的部分由可溶性物质变为非溶性物质。 8.2.2 正性光刻 在正性光刻工艺中，复制到硅片表面的图形与 掩膜版上的一样。光刻胶被曝光的部分从不 可溶到可溶。
光刻胶可以和许多形式的能量（光能和热 能）或电磁光谱中的具体某一部分光反应。 传统的正胶可以用在I-Line曝光源上，经 化学放大的光刻胶可用DUV曝光。用X射线 和电子束上的光刻胶不同于传统的正负胶。
• 溶剂：光刻胶中容量最大的成分。使光刻 胶处于液态，并可以使光刻胶通过旋转的 方法涂在晶圆表面。 负胶的溶剂是芬芳的二甲苯，正胶的溶剂 是乙氧基乙醛醋酸盐或二甲氧基乙醛。
8.刻蚀 将晶圆顶层透过光刻胶的开口去除
9.光刻胶去除 将晶圆上的光刻胶层去除
10.最终目检 表面的检查以发现刻蚀的 不规则和其他问题
8.4 光刻胶
8.4.1光刻胶的组成 四种基本的成分：聚合物、溶剂、感光剂和添加剂。
• 聚合物：对光和能量敏感，由大而重的分子 组成，包括碳、氢、氧。 普通的光刻胶被设计成与紫外线和激光反应， 也有与X射线和电子束反应的。 在负胶里，聚合物是聚异戊二烯。曝光后， 由非聚合状态变为聚合状态，抗刻蚀。为防 止曝光，负胶生产在黄光下进行。 正胶的基本聚合物是苯酚-甲醛聚合物。曝 光后，聚合物变为可溶状态，发生了光溶解 反应。
• 粘滞性：对于液体光刻胶来说其流动特性 的定量指标。随着粘滞性增加，光刻胶流 动的趋势变小，在硅片上的厚度增加。低 粘滞性光刻胶流动的倾向性更大，在硅片 表面产生更薄的覆盖层。
• 曝光速度、灵敏度和曝光源 一个主要的工艺参数就是反应发生的速度， 速度越快，在光刻蚀区域晶圆的加工速度就 越快。 负胶需要5到15秒的曝光时间，正胶需要它 的3到4倍的时间。 灵敏度是与导致聚合或者光溶解发生所需能 量相关的。这种能量又和曝光源特定的波长 有关。光刻胶的灵敏度是通过能够使基本的 反应开始所需的能量总和来衡量的。单位是 mJ/cm2。
正性光刻
负性光刻
6.3 光刻10步法
1.表面准备 清洁和干燥晶圆表面
2.涂光刻胶 在晶圆表面均匀涂抹一薄层光刻 胶
3.软烘焙
加热，部分蒸发光刻胶
4.对准和曝光
掩膜版和ห้องสมุดไป่ตู้形在晶圆上的精 确对准和光刻胶的曝光。
5.显影
非聚合光刻胶的去除
6.硬烘焙 对溶剂的继续蒸发
7.显影目检
检查表面的对准情况和缺陷
• 转移到硅片表面的光刻图形的形状完全取决于硅 片层面的结构。图形可能是硅片上的半导体器件， 隔离槽，接触孔，金属互连以及互连金属层的通 孔。 • 光刻掩膜版衬底材料是石英，这种材料始终用在 紫外光刻中。用做掩膜版的石英是最贵的材料并 且有非常低的温度膨胀。低膨胀意味着掩膜版在 温度改变时尺寸是相对稳定的。淀积在掩膜版上 的不透明的材料是一薄层铬，厚度一般小于1000 埃并且是溅射淀积的。
8.1 简介 • 定义：光刻工艺是一种用来去掉晶圆表面 层上所 规定的特定区域的基本操作。 • 本质是把电路结构复制到以后要进行刻蚀 和离子注入的硅片上。这些结构以图形形 式制作在掩膜版上，紫外光透过掩膜版把 图形转移到硅片表面的光敏薄膜上然后用 一种刻蚀的工艺把薄膜图形成像在下面的 硅片上。
• 汞灯强度峰
UV光波长
436 405
描述符
G线 H线
CD分辨率
0.5 0.4
365
248
I线
0.35
深紫外DUV 0.25
曝光时常规的光刻胶与特定UV波长有相应 的特定光谱响应。例如，用于CD特征尺寸 0.35微米的酚醛树脂I线光刻胶就与365nm 的I线紫外光反应。 考虑汞灯的发射光谱，248nm的深紫外发 射是365nm的I线发射强度的五分之一。由 于汞灯在深紫外波长的强度低，I线光刻胶 在248nm下曝光要得到相同的效果，就需 要五倍的曝光时间。 I线光刻胶对深紫外光有过度的吸收，光不 能渗透光刻胶，曝光图形差。
纵横比用来衡量光刻胶的分辨力和光刻胶 厚度之间的关系。是光刻胶厚度与图形打 开尺寸的比值。 纵横比=T/W 正胶比负胶有更高的纵横比，对于一个给 定的图形尺寸开口，正胶的光刻胶层可以 更厚。
• 黏结性：为了实现刻蚀阻隔作用，光刻胶 层必须与晶圆表面有很好的黏结性，才能 够保证把光刻图形很好的转移到晶圆表面。 负胶比正胶的黏结能力好。
8.4.2 光刻胶的表现要素及物理特性
光刻胶的选择的主要决定因素是晶圆表面 对尺寸的要求。 1. 具有产生那些所要求尺寸的能力 2. 在刻蚀过程中阻隔刻蚀的功能，必须保证 一定的厚度，且不能有针孔 3. 必须能和晶圆表面很好地黏合，否则刻蚀 后图形会发生扭曲
• 分辨率：在光刻胶层能产生的最小图形通 常作为对光刻胶的分辨力的参考。产生的 线条越小，分辨力越强。 它是表征光刻精度的标志之一，与光刻本 身和光刻工艺条件及操作技术有关。 越细的线宽需要越薄的光刻胶膜来产生。 然而光刻胶膜需要足够厚度来实现阻隔刻 蚀的作用，并且保证不能有针孔，所以选 择需要权衡。 改变工艺参数可以改变固有的分辨力。
曝光光源 紫外光用于光刻胶的曝光时因为光刻胶材 料与这个特定波长的光反应。波长也很重 要，因为较短的波长可以获得光刻胶上较 小尺寸的分辨率。现今常用于光学光刻的 两种紫外光源是：汞灯和准分子激光。 除这些常用的光源外，还有X射线、电子束 和离子束。
汞灯 高压汞灯作为紫外光源被使用在所用的常 规I线步进光刻机上。在这种灯里，电流通 过装有氙汞气体的管子产生电弧放电。这 个电弧发射出一个特征光谱，包括240nm 到500nm之间有用的紫外辐射。
• 光敏剂：添加到光刻胶中来产生或控制聚 合物的特定反应。 光敏剂被加到光刻胶中用来限制反应光的 波普范围或者把反应光限制到某一特定波 长。
• 添加剂：不同类型的添加剂和光刻胶混合 达到特定的效果。可以阻止光刻胶没有曝 光的部分在显影过程中被溶解。负胶含有 染色剂，在光刻胶薄膜中吸收和控制光线。 正胶会有化学的抗溶解系统。
• 目标：1.在晶圆表面建立尽可能接近 设计规则中所要求的尺寸的图形。这 个目标称为晶圆的分辨率，也就是区 分Si片上两个邻近图形的能力。 高的分辨率需要将曝光波长减小到与CD 几乎一样大小。
2.在晶圆表面正确定位图形。
8.2 光刻工艺 光刻包括两种基本的工艺类型：负性光刻和正 性光刻 8.2.1 负性光刻 负性光刻的基本特征是当曝光后，光刻胶被曝 光的部分由可溶性物质变为非溶性物质。 8.2.2 正性光刻 在正性光刻工艺中，复制到硅片表面的图形与 掩膜版上的一样。光刻胶被曝光的部分从不 可溶到可溶。
光刻胶可以和许多形式的能量（光能和热 能）或电磁光谱中的具体某一部分光反应。 传统的正胶可以用在I-Line曝光源上，经 化学放大的光刻胶可用DUV曝光。用X射线 和电子束上的光刻胶不同于传统的正负胶。
• 溶剂：光刻胶中容量最大的成分。使光刻 胶处于液态，并可以使光刻胶通过旋转的 方法涂在晶圆表面。 负胶的溶剂是芬芳的二甲苯，正胶的溶剂 是乙氧基乙醛醋酸盐或二甲氧基乙醛。
8.刻蚀 将晶圆顶层透过光刻胶的开口去除
9.光刻胶去除 将晶圆上的光刻胶层去除
10.最终目检 表面的检查以发现刻蚀的 不规则和其他问题
8.4 光刻胶
8.4.1光刻胶的组成 四种基本的成分：聚合物、溶剂、感光剂和添加剂。
• 聚合物：对光和能量敏感，由大而重的分子 组成，包括碳、氢、氧。 普通的光刻胶被设计成与紫外线和激光反应， 也有与X射线和电子束反应的。 在负胶里，聚合物是聚异戊二烯。曝光后， 由非聚合状态变为聚合状态，抗刻蚀。为防 止曝光，负胶生产在黄光下进行。 正胶的基本聚合物是苯酚-甲醛聚合物。曝 光后，聚合物变为可溶状态，发生了光溶解 反应。
• 粘滞性：对于液体光刻胶来说其流动特性 的定量指标。随着粘滞性增加，光刻胶流 动的趋势变小，在硅片上的厚度增加。低 粘滞性光刻胶流动的倾向性更大，在硅片 表面产生更薄的覆盖层。
• 曝光速度、灵敏度和曝光源 一个主要的工艺参数就是反应发生的速度， 速度越快，在光刻蚀区域晶圆的加工速度就 越快。 负胶需要5到15秒的曝光时间，正胶需要它 的3到4倍的时间。 灵敏度是与导致聚合或者光溶解发生所需能 量相关的。这种能量又和曝光源特定的波长 有关。光刻胶的灵敏度是通过能够使基本的 反应开始所需的能量总和来衡量的。单位是 mJ/cm2。
正性光刻
负性光刻
6.3 光刻10步法
1.表面准备 清洁和干燥晶圆表面
2.涂光刻胶 在晶圆表面均匀涂抹一薄层光刻 胶
3.软烘焙
加热，部分蒸发光刻胶
4.对准和曝光
掩膜版和ห้องสมุดไป่ตู้形在晶圆上的精 确对准和光刻胶的曝光。
5.显影
非聚合光刻胶的去除
6.硬烘焙 对溶剂的继续蒸发
7.显影目检
检查表面的对准情况和缺陷
• 转移到硅片表面的光刻图形的形状完全取决于硅 片层面的结构。图形可能是硅片上的半导体器件， 隔离槽，接触孔，金属互连以及互连金属层的通 孔。 • 光刻掩膜版衬底材料是石英，这种材料始终用在 紫外光刻中。用做掩膜版的石英是最贵的材料并 且有非常低的温度膨胀。低膨胀意味着掩膜版在 温度改变时尺寸是相对稳定的。淀积在掩膜版上 的不透明的材料是一薄层铬，厚度一般小于1000 埃并且是溅射淀积的。