第8章 光刻与刻蚀工艺
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❖ 主流微电子制造过程中，光刻是最复杂，昂贵和关键 的工艺，占总成本的1/3，一个典型的硅工艺需要15-20 块掩膜，光刻工艺决定着整个IC工艺的特征尺寸，代 表着工艺技术发展水平。
东华理工大学
光刻技术在IC流程中的重要性
东华理工大学
ULSI中对光刻的基本要求
光刻的要求
分辨率（高） 曝光视场（大） 图形对准精度（高）——1/3最小特征尺寸 产率（throughput）（大） 缺陷密度（低）
东华理工大学
前烘方法
热板
东华理工大学
显影
❖ 目的：显现出曝光后在光刻胶层中形成的潜在图形 正胶：感光区域显影溶解，所形成的是掩膜板图形的正
映像 负胶：反之
❖ 方法：喷洒显影液 静止显影 漂洗、旋干 ❖ 浸入式
东华理工大学
东华理工大学
正胶和负胶
东华理工大学
显影中可能存在的问题
东华理工大学
喷洒式显影设备
质量一定，则动能越高，分辨率越高
东华理工大学
光刻参数对工艺效果的影响
曝光系统 衬底 掩膜
光刻胶 显影剂 润湿剂
工艺 操作员
分辨率 XX X X XX X － X X
对准 XX X X X － － X XX
片间控制 批间控制
X
XX
XX
X
－
X
XX
XX
Байду номын сангаасXX
XX
XX
X
XX
XX
XX
X
产量 XX X X XX X － XX XX
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
东华理工大学
空间图像 潜在图像
东华理工大学
半导体工业中的洁净度概念
❖ 尘埃粒子的影响： ❖ 粒子1：在下面器件层产生针孔 ❖ 粒子2：妨碍金属导线上电流的流动 ❖ 粒子3：导致两金属区域短路，使电路失效
东华理工大学
喷洒显影液--静止显影
东华理工大学
去除显影液---去离子水清洗
东华理工大学
浸入式显影全过程
东华理工大学
曝光后烘培
❖ 目的：降低驻波效应，形成均匀曝光
东华理工大学
曝光后烘培
东华理工大学
后烘（坚膜）
目的： ❖ 除去光刻胶中剩余的溶剂，增强光刻胶对硅片的附着力 ❖ 提高光刻胶在刻蚀和离子注入过程中的抗蚀性和保护能力 ❖ 减少光刻胶层中的缺陷（如针孔），修正图形边缘轮廓 方法：高温处理（150℃左右） 光学稳定（UV照射)
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刻蚀
❖ 目的：选择性地将未被光刻胶掩蔽的区域去除 ❖ 方法：干法刻蚀
湿法刻蚀 ❖质量指标：分辨率 ； 选择性
东华理工大学
去胶
目的：将经过刻蚀的硅片表面留下的光刻胶去除
方法：干法去胶 （等离子体去胶、紫外光分解去胶） 湿法去胶 （无机溶液去胶、有机溶液去胶）
东华理工大学
§8.2 分辨率(Resolution)
❖ 定义：分辨率R表示每mm内能刻蚀出可分辨的最多线条数， 即每mm内包含有多少可分辨的线对数
R 1 (mm1) 2L
东华理工大学
❖ 物理学意义：限制因素是衍射
光子： L p h
L p / h / 2; Rmax 1/
粒子：
L
h
2 2mE
所以：能量一定，则粒子质量越大，分辨率越高
对比度 依赖于工艺参数，如：显影液、前烘时间、曝
光后及坚膜的温度，光源波长和硅片的表面形貌等
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其他特性
调制转移函数：
涂胶 前烘 曝光 显影 后烘 刻蚀 去胶
东华理工大学
硅片清洗
东华理工大学
预烘及涂增强剂
东华理工大学
涂胶
东华理工大学
前烘
东华理工大学
掩模版对准
东华理工大学
曝光
东华理工大学
曝光后烘培
东华理工大学
显影
东华理工大学
后烘及图形检测
东华理工大学
刻蚀
东华理工大学
刻蚀完成
东华理工大学
去胶
东华理工大学
离子注入
东华理工大学
快速热处理及合金
东华理工大学
预烘及涂增强剂
❖ 去除硅片表面的水分 ❖ 增强与光刻胶的黏附力（亲水性，疏水性） ❖ 温度一般为150～750℃之间 ❖ 可用涂覆增强剂（HMDS，六甲基乙硅氮烷）来增加
黏附性
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涂胶（旋涂法）
❖ 目的：形成厚度均匀、附着力强、没有缺陷的光刻胶薄膜 ❖ 方法：旋涂法
正胶与负胶
东华理工大学
正胶与负胶
负胶的缺点： • 树脂的溶涨降低分辨率 • 溶剂（二甲苯）造成环境污染
东华理工大学
对比度
❖ 光刻胶膜厚——区分亮区和暗区的能力
r
(Y2
Y1)
/(X 2
X1)
rp
1 log10 (Dc
/ D0 )
rn
1 log10 (Dg0
/ Dgi )
东华理工大学
对比度
❖ 对比度越高，侧面越陡，线宽更准确 ❖ 对比度高，减少刻蚀过程中的钻蚀效应，提高分辨率
东华理工大学
§8.3 光刻胶的基本属性
正胶与负胶：
东华理工大学
光刻胶的组成
❖ 聚合物材料（树脂）：保证光刻胶的附着性和抗腐蚀 性及其他特性，光化学反应改变溶解性
❖ 感光材料（PAC）：控制或调整光化学反应，决定着 曝光时间和剂量
❖ 溶剂：将树脂溶解为液体，使之易于涂覆 ❖ 添加剂：染色剂等
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第8章 光刻与刻蚀工艺
1
光刻的重要性及要求
2
光刻工艺流程
3
光刻工艺的分辨率及光刻胶
4
曝光光源、曝光方式以及掩膜版
5
湿法刻蚀与干法刻蚀技术
东华理工大学
光刻与刻蚀的定义
图形加工
图形曝光（光刻， Photolithography）
图形转移（刻蚀，Etching）
光刻工艺的重要性：
❖ IC设计流程图，光刻图案用来定义IC中各种不同的区 域，如：离子注入区、接触窗、有源区、栅极、压焊 点、引线孔等
匀胶机
东华理工大学
旋涂
边沿清除
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光刻胶膜的质量
质量指标：
❖ 膜厚（光刻胶本身的黏性、甩胶时间、速度） ❖ 膜厚均匀性（甩胶速度、转速提升速度） ❖ 气泡，灰尘等粘污情况（超净工作台，红、黄光照明）
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前烘
目的： ❖ 使胶膜内溶剂充分挥发，干燥，降低灰尘污染 ❖ 增加胶膜与下层膜的黏附性及耐磨性 ❖ 区分曝光区和未曝光区的溶解速度 方法： ❖ 干燥循环热风 ❖ 红外线辐射 ❖ 热平板传导（100℃左右）
2 1
掩膜版上 的图形
3
东华理工大学
洁净度等级：
❖ 英制：每立方英尺中直径大于或等于0.5μm的尘埃粒 子总数不超过设计等级（如英制等级100）
❖ 公制：每立方米中直径大于或等于0.5μm的尘埃粒子 总数不超过设计等级（以指数计算，如等级M3.5， 则粒子总数不超过103.5个）
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§8.1 光刻工艺流程
东华理工大学
光刻技术在IC流程中的重要性
东华理工大学
ULSI中对光刻的基本要求
光刻的要求
分辨率（高） 曝光视场（大） 图形对准精度（高）——1/3最小特征尺寸 产率（throughput）（大） 缺陷密度（低）
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前烘方法
热板
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显影
❖ 目的：显现出曝光后在光刻胶层中形成的潜在图形 正胶：感光区域显影溶解，所形成的是掩膜板图形的正
映像 负胶：反之
❖ 方法：喷洒显影液 静止显影 漂洗、旋干 ❖ 浸入式
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东华理工大学
正胶和负胶
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显影中可能存在的问题
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喷洒式显影设备
质量一定，则动能越高，分辨率越高
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光刻参数对工艺效果的影响
曝光系统 衬底 掩膜
光刻胶 显影剂 润湿剂
工艺 操作员
分辨率 XX X X XX X － X X
对准 XX X X X － － X XX
片间控制 批间控制
X
XX
XX
X
－
X
XX
XX
Байду номын сангаасXX
XX
XX
X
XX
XX
XX
X
产量 XX X X XX X － XX XX
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
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空间图像 潜在图像
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半导体工业中的洁净度概念
❖ 尘埃粒子的影响： ❖ 粒子1：在下面器件层产生针孔 ❖ 粒子2：妨碍金属导线上电流的流动 ❖ 粒子3：导致两金属区域短路，使电路失效
东华理工大学
喷洒显影液--静止显影
东华理工大学
去除显影液---去离子水清洗
东华理工大学
浸入式显影全过程
东华理工大学
曝光后烘培
❖ 目的：降低驻波效应，形成均匀曝光
东华理工大学
曝光后烘培
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后烘（坚膜）
目的： ❖ 除去光刻胶中剩余的溶剂，增强光刻胶对硅片的附着力 ❖ 提高光刻胶在刻蚀和离子注入过程中的抗蚀性和保护能力 ❖ 减少光刻胶层中的缺陷（如针孔），修正图形边缘轮廓 方法：高温处理（150℃左右） 光学稳定（UV照射)
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刻蚀
❖ 目的：选择性地将未被光刻胶掩蔽的区域去除 ❖ 方法：干法刻蚀
湿法刻蚀 ❖质量指标：分辨率 ； 选择性
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去胶
目的：将经过刻蚀的硅片表面留下的光刻胶去除
方法：干法去胶 （等离子体去胶、紫外光分解去胶） 湿法去胶 （无机溶液去胶、有机溶液去胶）
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§8.2 分辨率(Resolution)
❖ 定义：分辨率R表示每mm内能刻蚀出可分辨的最多线条数， 即每mm内包含有多少可分辨的线对数
R 1 (mm1) 2L
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❖ 物理学意义：限制因素是衍射
光子： L p h
L p / h / 2; Rmax 1/
粒子：
L
h
2 2mE
所以：能量一定，则粒子质量越大，分辨率越高
对比度 依赖于工艺参数，如：显影液、前烘时间、曝
光后及坚膜的温度，光源波长和硅片的表面形貌等
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其他特性
调制转移函数：
涂胶 前烘 曝光 显影 后烘 刻蚀 去胶
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硅片清洗
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预烘及涂增强剂
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涂胶
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前烘
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掩模版对准
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曝光
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曝光后烘培
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显影
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后烘及图形检测
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刻蚀
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刻蚀完成
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去胶
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离子注入
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快速热处理及合金
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预烘及涂增强剂
❖ 去除硅片表面的水分 ❖ 增强与光刻胶的黏附力（亲水性，疏水性） ❖ 温度一般为150～750℃之间 ❖ 可用涂覆增强剂（HMDS，六甲基乙硅氮烷）来增加
黏附性
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涂胶（旋涂法）
❖ 目的：形成厚度均匀、附着力强、没有缺陷的光刻胶薄膜 ❖ 方法：旋涂法
正胶与负胶
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正胶与负胶
负胶的缺点： • 树脂的溶涨降低分辨率 • 溶剂（二甲苯）造成环境污染
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对比度
❖ 光刻胶膜厚——区分亮区和暗区的能力
r
(Y2
Y1)
/(X 2
X1)
rp
1 log10 (Dc
/ D0 )
rn
1 log10 (Dg0
/ Dgi )
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对比度
❖ 对比度越高，侧面越陡，线宽更准确 ❖ 对比度高，减少刻蚀过程中的钻蚀效应，提高分辨率
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§8.3 光刻胶的基本属性
正胶与负胶：
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光刻胶的组成
❖ 聚合物材料（树脂）：保证光刻胶的附着性和抗腐蚀 性及其他特性，光化学反应改变溶解性
❖ 感光材料（PAC）：控制或调整光化学反应，决定着 曝光时间和剂量
❖ 溶剂：将树脂溶解为液体，使之易于涂覆 ❖ 添加剂：染色剂等
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第8章 光刻与刻蚀工艺
1
光刻的重要性及要求
2
光刻工艺流程
3
光刻工艺的分辨率及光刻胶
4
曝光光源、曝光方式以及掩膜版
5
湿法刻蚀与干法刻蚀技术
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光刻与刻蚀的定义
图形加工
图形曝光（光刻， Photolithography）
图形转移（刻蚀，Etching）
光刻工艺的重要性：
❖ IC设计流程图，光刻图案用来定义IC中各种不同的区 域，如：离子注入区、接触窗、有源区、栅极、压焊 点、引线孔等
匀胶机
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旋涂
边沿清除
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光刻胶膜的质量
质量指标：
❖ 膜厚（光刻胶本身的黏性、甩胶时间、速度） ❖ 膜厚均匀性（甩胶速度、转速提升速度） ❖ 气泡，灰尘等粘污情况（超净工作台，红、黄光照明）
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前烘
目的： ❖ 使胶膜内溶剂充分挥发，干燥，降低灰尘污染 ❖ 增加胶膜与下层膜的黏附性及耐磨性 ❖ 区分曝光区和未曝光区的溶解速度 方法： ❖ 干燥循环热风 ❖ 红外线辐射 ❖ 热平板传导（100℃左右）
2 1
掩膜版上 的图形
3
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洁净度等级：
❖ 英制：每立方英尺中直径大于或等于0.5μm的尘埃粒 子总数不超过设计等级（如英制等级100）
❖ 公制：每立方米中直径大于或等于0.5μm的尘埃粒子 总数不超过设计等级（以指数计算，如等级M3.5， 则粒子总数不超过103.5个）
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§8.1 光刻工艺流程