光刻技术

第5章 光刻技术
一、光刻材料及设备 二、光刻工艺 三、刻蚀工艺 四、光刻质量检测
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光刻是一种将图像复印同刻蚀相结合的综合性技术。先 用照像复印的方法，将光刻掩膜的图形精确的复印到涂覆在 介质（多晶硅、氮化硅、二氧化硅、铝等介质薄层）表面上 的光致抗蚀剂（光刻胶）上面。然后，在光致抗蚀剂的保护 下对待刻材料进行选择性刻蚀，从而在待刻蚀材料上得到所 需的图形。集成电路的制造过程中需要经过许多次的光刻， 所以，光刻环节的质量是影响集成电路性能、成品率以及可 靠性的关键因素之一。
此外，还有将掩膜版与wafer合二为一的复合掩膜版， 也叫原位掩膜版；在传统掩膜版的基础上增加了相移层的相 移掩膜版；X射线掩膜版等不同类型的掩膜版 。
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光刻对准曝光方式
光刻对准曝光的发展经历了五个阶段，接触式曝光、接 近式曝光、投影式曝光、扫描投影式曝光以及步进扫描投影 曝光。
接触式曝光是最早期的光刻机，结构简单，生产效率 高，曝光时掩膜版和wafer上的光刻胶直接接触。接近式曝 光，掩膜版与wafer之间约有2.5 ~25μm 的距离。投影 式曝光，接触式和接近式曝光由于污染、衍射、分辨率等问 题都已不再使用，投影式曝光仍然广泛使用。投影式曝光又
行缩小投影式曝光。
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这种曝光方式分辨率高、掩膜版制作容易、工艺容限 大，而且生产效率高，但由于电子束在光刻胶膜内的散射， 使得图案的曝光剂量会受到临近图案曝光剂量的影响（即临 近效应），造成的结果是，显影后，线宽有所变化或图形畸 变。虽然如此，限角度投影式电子束光刻仍是目前最具前景 的非光学光刻 。
变形等。X射线曝光的发展空间也很大。
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3.离子束曝光 离子束曝光是将聚焦后的离子束投影到光刻胶上达到曝
光的目的。离子束和电子束同样具有很高的分辨率，而且因 为离子的质量比电子大，所以在光刻胶中的散射要比电子束 弱的多，可达到50nm的高分辨率。
主要为基板和不透光材料。以下是基本的制造流程： （1）制备空白版，常见的空白版有铬版、氧化铁版、超微
粒干版三种； （2）数据转换，将IC版图经过分层、运算、格式等步骤转
换为制版设备所知的数据形式； （3）刻画，利用电子束或激光等通过原版对空白版进行曝
光，将图形转移到光刻胶上，即刻画；
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（4）形成图形，对铬膜、氧化铁膜或明胶等进行刻蚀，形 成图形，最后除去残胶； （5）检测与修补，测量关键尺寸，检测针孔或残余遮光膜 等缺陷并对其进行修补； （6）老化与终检，在200～300℃的温度下烘烤几个小 时，对其进行老化。
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2.X射线曝光 X射线曝光选用的是特殊材质的X射线掩膜版。X射线
经过专用掩膜版投射到wafer上，与光刻胶作用达到曝光的 效果。X射线的衍射、反射、折射以及散射都很小，很适合 亚微米尺寸的曝光。其优点有：分辨率高，可实现纳米工 艺；对于小尺寸工艺，其衍射现象可以忽略；穿透力强，不 会污染wafer等。缺点是光刻机以及掩膜版制作麻烦； wafer对准比较困难；X射线能量太高，会使掩膜版热膨胀
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光刻胶
光刻胶（PR）也叫光致抗蚀剂，受到光照后其特性会 发生改变。可用来将掩膜版上的图形转移到基片上，也可作 为后序工艺时的保护膜。光刻胶有正胶和负胶之分，正胶经 过曝光后，受到光照的部分会变得容易溶解，经过显影处理 之后被溶解，只留下光未照射的部分形成图形；而负胶和正 胶恰恰相反。
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1.光刻胶组成 （1）感光剂，感光剂是光刻胶的核心部分，曝光时间、光 源所发射光线的强度都根据感光剂的特性选择决定的； （2）增感剂，感光剂的感光速度都较慢，生产上效率太 低，因此向光刻胶中添加了提高感光速度的增感剂； （3）聚合树脂，聚合树脂用来将其它材料聚合在一起的粘 合剂，光刻胶的粘附性、胶膜厚度等都是树脂给的； （4）溶剂，感光剂和增感剂都是固态物质，为了方便均匀
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光刻掩膜版
掩膜版质量的优劣直接影响光刻图形的质量。在IC制造 中需要经过多次光刻，每次光刻都需要一块掩膜版，每块掩 膜版都会影响光刻质量，光刻次数越多，成品率就越低。所 以，要有高的成品率，就必须制作出品质优良的掩膜版，而 且一套掩膜版中的各快掩膜版之间要能够相互精确的套准。
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1.掩膜版的制备流程 掩膜版有铬版(chrome)、超微粒干版、氧化铁版等，
分为扫描投影曝光和步进扫描曝光。
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步进投影曝光方式有很多优点，掩模版寿命加长、掩 模制造简单、分辨率高，但对环境的要求非常高，微小的 振动都会影响曝光精度；而且光路复杂，设备昂贵。
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非光学曝光
1.电子束曝光 由于电子束在电磁场的作用
下可以聚焦、偏转一定的角度， 所以，电子束曝光是很重要的曝 光方法。目前，最有应用前途的 是限角度投影式电子束光刻。限 角度投影式电子束光刻利用散射 式掩膜版通过步进扫描光刻机进
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2.掩膜版的质量要求 （1）图形尺寸要精确，间距符合要求，而且不能发生畸变； （2）各块掩膜版间要能够精确地套准，对准误差尽可能小； （3）图形边缘清晰，过渡小，无毛刺，透光区与遮光区的 反差要大； （4）掩膜版的表面光洁度要达到一定的要求，无划痕、针 孔、小岛等缺陷，掩膜版还要坚固耐磨、不易变形。
的涂覆，要将它们加入溶剂进行溶解，形成液态物质。
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2.光刻胶的物理特性 （1）分辨率，是指光刻胶可再现图形的最小尺寸； （2）对比度，是指光刻胶对光照区与非光照区间的过渡； （3）灵敏度，是光刻胶要形成良好的图形所需入射光的最
低能量； （4）粘滞性，与时间有关，光刻胶中的溶剂挥发会使粘滞
性增加； （5）粘附性，粘附性是指光刻胶与基片之间的粘着强度； （6）抗蚀性，化学稳定性一定要很高，能抵抗各种腐蚀。
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3.几种掩膜版 常见的传统掩膜版有乳胶掩膜版、硬面铬膜掩膜版以及
抗反射铬膜掩膜版三种。 乳胶掩膜版是在玻璃衬底上涂覆一层光
敏乳胶，再经过图形转移而成； 硬面铬膜掩膜版是在石英玻璃上溅射
一层厚约60nm左右的铬膜，再经过图形 转移而成；
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为了提高掩膜版的分辨率、降低掩膜 版对光的反射，在硬面铬膜掩膜版的铬膜 上增加了一层厚约20nm的氧化铬膜，这 种就是抗反射铬膜掩膜版。