(9)光刻工艺剖析
光刻工艺概述范文
光刻工艺概述范文光刻工艺是一种在微电子制造过程中使用的重要技术，它被用来制造集成电路、平板显示器、光学元件和微纳米结构等微系统设备。
光刻工艺可以实现高精度的图案转移，从而实现微电子器件的制造。
首先，光刻工艺的基础是光刻胶的使用。
光刻胶是一种特殊的液体材料，它可以在光照下发生化学反应，从而形成具有特定形状的图案。
光刻胶通常是由光敏剂、聚合物和溶剂组成的复合物。
在光刻过程中，光敏剂在光照下会发生光化学反应，而聚合物则起到保护胶膜的作用。
其次，光刻胶需要通过光刻机进行曝光。
光刻机是一种特殊的设备，它可以通过光源发射出特定波长的光，然后将光照射到光刻胶上。
光刻机通常采用紫外光或深紫外光作为光源，因为这些波长的光可以提供较高的分辨率和光刻胶的敏感性。
光照后，光刻胶中被光化学反应改变的区域会变得溶解性不同于未被照射的区域。
然后，曝光后的光刻胶需要进行显影。
显影是将光刻胶中未被光照的部分溶解掉，以显示出所需的图案。
显影过程常用的显影液是酸性的溶液，因为光刻胶通常是碱性的，酸性的显影液可以中和光刻胶中的碱性物质，从而加快显影的速度。
经过显影后，光刻胶上就会留下所需的图案。
最后，经过显影之后，就需要对光刻胶进行固化和清洗。
固化是通过加热或紫外光照射等方法使光刻胶变得硬化，以增加其耐用性和稳定性。
清洗是将显影后的光刻胶从器件表面去除。
清洗过程通常使用有机溶剂或酸碱溶液进行，以去除光刻胶的残留物。
除了上述基本步骤外，光刻工艺还有其他一些补充工艺，例如涂胶剥离、反蚀刻和多层光刻等。
涂胶剥离技术是在制造过程中用于去除曝光后的光刻胶的方法，可以使工艺更加容易进行。
反蚀刻是一种利用光化学反应来蚀刻材料的方法，可以形成多层结构。
多层光刻则是在多个层次上进行光刻，可以实现更加复杂的图案。
这些补充工艺可以根据不同需求进行选择和组合。
总的来说，光刻工艺是微电子制造中的一种重要技术，它通过使用光刻胶、光刻机和显影液等工具和材料，可以实现高精度的图案转移。
光刻工艺介绍ppt课件
DNS
TEL
DUV
3
涂胶菜单
4
注：⑴.关键层指：TO、GT、PC、BN+、ROM、W1、VIA、METAL、TU、BC、SGE、SN（MG）、GW（MG）。 ⑵.非关键层指：除关键层次和PAD之外的其他层次。
涂胶基本流 程
DNS 涂胶系统图：
前处理（PRIMING） 涂胶（APPLY）
30photoresistfilmdepthfocuscenterfocuscenterfocuslensdepthfocus31idofudofindependenceuseable32imagedefocus33defocuseffectbestfocus04um06um08um10um02um10um08um06um04um02um34focusexposurematrix焦点和曝光量在光阻线条上的效应焦点和曝光量在光阻线条上的效应固定固定cdcd对焦点和曝光量的等高图对焦点和曝光量的等高图对应于可接受的外部极限的两条对应于可接受的外部极限的两条cdcd曲线曲线cdcd规格规格在线宽形貌和胶的损失量三个规格基在线宽形貌和胶的损失量三个规格基础上构建的焦点曝光量工艺窗口础上构建的焦点曝光量工艺窗口35各层次各层次matrixstepmatrixstep参考条件参考条件36defocus产生的原因autofocusautoleveling37边缘效应38边缘效应autofocusautolevelingng
涂胶去边规范：AL、CP层次2-3mm 其他层次1-2mm
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涂胶（Coating）
☆涂胶的关键在于控制膜厚及其均匀性
影响光刻胶厚度和均匀性的主要参数：[括号内的值为 实际工艺参数设置] • 环境温度（23°C) • 环境湿度(40%) • 排风净压力(5 mmaq) • 光刻胶温度(23°C+/-0.5） • 光刻胶量（1.2-1.5cc) • 旋转马达的精度和重复性 • 回吸量 • 预旋转速度 预旋转时间 最终旋转速度 最终旋转时间 最终旋转加速度
光刻工艺介绍
光刻工艺过程
涂胶coating 前烘prebaking 曝光exposure 显影development 坚膜postbake
光刻工艺过程
涂胶
氧化，清洗
涂胶，前烘
涂胶目的： 在晶元表面形成厚度均匀，附着性强， 没有缺陷的光刻胶薄膜
光刻胶对大部分可见光敏感，但对黄光不敏感
光刻三要素
光刻胶主要成分
1.树脂(聚合物)：光照不发生反应，保证光刻胶的附着性和抗腐 蚀性，决定光刻胶薄膜的膜厚，弹性和热稳定性。
2.光敏剂(PAC)：受光辐照后发生化学反应，如果聚合物中不添 加光敏剂，那么他对光的敏感性差，而且光谱范围较宽，添加特 定的光敏剂后，可以增加感光灵敏度，而且限制反应光的光谱范 围，或者把反应光限制在某一特定的波长。
转速与膜厚：膜厚与旋转速度的平方根成反比
光刻工艺过程
前烘probake
目的
去除胶内的溶剂，提高胶的表面粘附力 提高胶的抗机械摩擦能力 减小高速旋转形成的薄膜应力
条件
温度：90 to 120℃ 时间：60 to 120s
光刻工艺过程
前烘probake
前烘不足
光刻胶与晶元粘附性变差 因光刻胶中溶剂含量过高致使曝光的精度下降
前烘过量
延长时间，产量下降 过高的温度使光刻胶变脆，粘附性下降 过高的温度会使光刻胶的感光剂发生反应，使 光刻胶在曝光时的敏感度下降
光刻工艺过程 曝光Exposure
光刻工艺过程
曝光Exposure
将电路图案转移到晶元上 为了将电路图案转移到晶片上，将光罩暴露在光下。 通过使用缩小透镜聚焦光，甚至可以转移更精细的 电路图案。电路图中的线越窄，可传输的半导体元 件数量越多，因此芯片的性能和功能也就越高
(10)光刻技术剖析
•影响光刻的主要因素为掩膜版、光刻胶和光刻机。
•掩膜版由透光的衬底材料（石英玻璃）和不透光金属吸收玻璃
（主要是金属铬）组成。通常还有一层保护膜。
•光刻胶又称为光致抗蚀剂，是由光敏化合物、基体树脂和有机溶
剂等混合而成的胶状液体。光刻胶受到特定波长光线的作用时化
学结构发生变化，使光刻胶在特定溶液中的溶解特性改变。正胶
X射线光刻胶：
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10.3 光学分辨率增强技术
光学分辨率增强技术包括： 移相掩模技术（phase shift mask )、 离轴照明技术(off-axis illumination)、 光学邻近效应校正技术(optical proximity correction)、
光瞳滤波技术（pupil filtering technology）等。
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10.2 光刻胶（PR-光阻）
光刻时接受图像的介质称为光刻胶。 以光刻胶构成的图形作为掩膜对薄膜进行腐蚀，图形就
转移到晶片表面的薄膜上了，所以也将光刻胶称为光致 抗蚀剂。 光刻胶在特定波长的光线下曝光，其结构发生变化。 如果胶的曝光区在显影中除去，称为正胶；反之为负胶。
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通过移相层后光波与正常光波产生的相位差可用 下式表达：
Q 2d (n 1)
式中 d——移相器厚度； n——移相器介质的折射率； λ——光波波长。
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附加材料造成 光学路迳差异， 达到反相
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10.3.1 移相掩模技术
粗磨、精磨、厚度分类、粗抛、精抛、超声清洗、检验、平 坦度分类等工序后，制成待用的衬底玻璃。
2、铬膜的蒸发 铬版通常采用纯度99%以上的铬粉作为蒸发
源，把其装在加热用的钼舟内进行蒸发。蒸发前 应把真空度抽至10-3mmHg以上，被蒸发的玻璃 需加热。其它如预热等步骤与蒸铝工艺相似。
光刻工艺
二.光刻胶的类型与性质
光刻胶的品种很多，但主要分为两大类 光刻胶类型 ： 1.正性光刻胶 2.负性光刻胶 光刻胶的配制：树脂*感光剂*溶剂
正负胶的化学特性
• 正性胶：经紫外光照射后发生分解反应， 曝光区域可以溶解在碱性显影液中，而未 经曝光区域很难被显影液溶解，因此胶膜 被保留 • 负性胶：经紫外光照射后发生聚合反应， 曝光区域交联硬化，使得曝光的胶膜很难 溶于显影液，而未曝光区域被显影液显掉
样品片
• Si片，玻璃片等耐酸碱的可煮H2SO4或王水 • GaAs和已制备金属电极类的片子只能用有 机溶剂清洗，步骤如下。 四氯化碳 超声.40w2分钟 →三氯乙烯 超 声.40w2分钟 →丙酮→无水乙醇 去离子水冲洗干净，氮气吹干或烘干备用
五.光刻工艺流程
• 表面处理→匀胶→前烘→曝光→显影（加 镜检） →坚膜→腐蚀（ 加质检） →去胶
六.光刻常见问题讨论和质量检验
• 光刻处于半导体加工过程中的中心，通常 被认为是整个工艺制作中最关键的步骤。 光刻质量的好坏会影响器体的性能、成品 率和可靠性。
影响光刻质量的主要因素
• • • • • 分辨率 针孔 小岛 浮胶 毛刺和钻蚀
光刻质量检验
• • • • • 光刻质量检验，也可以说是对光刻工艺的要求 匀胶胶膜要均匀，膜厚符合要求 版上图形与片子的边要平行，套刻须准确 显影应彻底，显微镜中观察线条陡直，不皱胶 刻蚀图形完整，边缘清晰，尺寸准确不钻蚀不变 形 片子表面无被腐蚀残留物存在，不发花，洁净整 齐。
质量检查
• 板面平滑无划痕无破损 • 图形线条陡直无毛刺，无针孔 • 整套版中各块版之间能一一套准
四.清洗
清洗种类： • 玻璃器皿及耐酸物品 • 镊子 • 光刻掩膜版 • 样品片
光刻工艺综述
光刻工艺综述
1. 什么是光刻工艺？
光刻工艺是一种集成电路制造技术，利用光刻机将设计好的图形进行投影、显影和蚀刻，从而在芯片表面形成所需的结构。
2. 光刻工艺的主要过程有哪些？
光刻工艺的主要过程包括：准备光刻片、涂覆光刻胶、预烘烤、相应的曝光时间、后烘烤和湿/干刻蚀等环节。
3. 光刻胶的种类有哪些？有何区别？
光刻胶的种类包括：正胶、负胶、混合胶等。
正胶和负胶的区别主要在于曝光后被拉膜的位置，正胶曝光后原本未被曝光的部分被拉膜，负胶则是曝光后被曝光的部分被拉膜。
混合胶是正负胶的综合体，可以在同一个芯片上使用。
4. 光刻工艺的应用领域有哪些？
光刻工艺广泛应用于半导体制造、光电子技术、微纳加工、生物医学等领域，是制造微纳器件的重要技术之一。
5. 光刻工艺的发展现状如何？
随着微纳技术和光电子技术的不断发展，光刻技术也在不断升级和完善。
目前的发展趋势包括提高分辨率、减小尺寸、实现多层和多种材料的刻蚀等。
此外，还发展出了一些新的光刻技术和新型光刻机，如电子束曝光、多光子光刻、近场光刻等。
光刻工艺知识点总结
光刻工艺知识点总结光刻工艺是半导体制造工艺中的重要环节，通过光刻技术可以实现微米级甚至纳米级的精密图案转移至半导体芯片上，是芯片制造中最关键的工艺之一。
光刻工艺的基本原理是利用光学原理将图案投射到光刻胶上，然后通过化学蚀刻将图案转移到芯片表面。
下面将对光刻工艺的知识点进行详细总结。
一、光刻工艺的基本原理1. 光刻胶光刻胶是光刻工艺的核心材料，主要由树脂和溶剂组成。
树脂的种类和分子结构直接影响着光刻胶的分辨率和对光的敏感度，而溶剂的选择和比例则会影响着光刻胶的黏度、流动性和干燥速度。
光刻胶的选择要根据不同的工艺要求，如分辨率、坚固度、湿膜厚度等。
2. 掩模掩模是用来投射光刻图案的模板，通常是通过电子束刻蚀或光刻工艺制备的。
掩模上有所需的图形样式，光在通过掩模时会形成所需的图案。
3. 曝光曝光是将掩模上的图案投射到光刻胶表面的过程。
曝光机通过紫外线光源产生紫外线，通过透镜将掩模上的图案投射到光刻胶表面，形成图案的暗部和亮部。
4. 显影显影是通过化学溶液将光刻胶上的图案显现出来的过程。
曝光后，光刻胶在图案暗部和亮部会有不同的化学反应，显影溶液可以去除未暴露的光刻胶，留下所需的图案。
5. 蚀刻蚀刻是将图案转移到硅片上的过程，通过化学腐蚀的方式去除光刻胶未遮盖的部分，使得图案转移到硅片表面。
二、光刻工艺中的关键技术1. 分辨率分辨率是指光刻工艺能够实现的最小图案尺寸，通常用实际图案中两个相邻细线或空隙的宽度之和来表示。
分辨率受到光刻机、光刻胶和曝光技术等多个因素的影响，是衡量光刻工艺性能的重要指标。
2. 等效焦距等效焦距是光刻机的重要参数，指的是曝光光学系统的有效焦距，影响光刻图案在光刻胶表面的清晰度和分辨率。
3. 曝光剂量曝光剂量是指单位面积上接收的光能量，通常用mJ/cm^2或μC/cm^2来表示。
曝光剂量的选择对分辨率和光刻胶的副反应有重要影响。
4. 曝光对位精度曝光对位精度是指光刻胶上已存在的图案和新的曝光对位的精度，是保证多层曝光图案对位一致的重要因素。
光刻工艺介绍
光刻工艺介绍一、定义与简介光刻是所有四个基本工艺中最关键的，也就是被称为大家熟知的photo，lithography，photomasking, masking, 或microlithography。
在晶圆的制造过程中，晶体三极管、二极管、电容、电阻和金属层的各种物理部件在晶圆表面或表层内构成，这些部件是预先做在一块或者数块光罩上，并且结合生成薄膜，通过光刻工艺过程，去除特定部分，最终在晶圆上保留特征图形的部分。
光刻其实就是高科技版本的照相术，只不过是在难以置信的微小尺寸下完成，现在先进的硅12英寸生产线已经做到22nm，我们这条线的目标6英寸砷化镓片上做到0.11um。
光刻生产的目标是根据电路设计的要求，生成尺寸精确的特征图形，并且在晶圆表面的位置正确且与其它部件的关联正确。
二、光刻工艺流程介绍光刻与照相类似，其工艺流程也类似：实际上，普通光刻工艺流程包括下面的流程：1)Substrate Pretreatment 即预处理，目的是改变晶圆表面的性质，使其能和光刻胶（PR）粘连牢固。
主要方法就是涂HMDS，在密闭腔体内晶圆下面加热到120℃，上面用喷入氮气加压的雾状HMDS，使得HMDS和晶圆表面的-OH健发生反应已除去水汽和亲水健结构，反应充分后在23℃冷板上降温。
该方法效果远比传统的热板加热除湿好。
2)Spin coat即旋转涂光刻胶，用旋转涂布法能提高光刻胶薄膜的均匀性与稳定性。
光刻胶中主要物质有树脂、溶剂、感光剂和其它添加剂，感光剂在光照下会迅速反应。
一般设备的稳定工作最高转速不超过4000rpm，而最好的工作转速在2000～3000rpm。
3)Soft Bake(Pre-bake)即软烘，目的是除去光刻胶中溶剂。
一般是在90℃的热板中完成。
4)Exposure即曝光，这也是光刻工艺中最为重要的一步，就是用紫外线把光罩上的图形成像到晶圆表面，从而把光罩上面的图形转移到晶圆表面上的光刻胶中。
看懂光刻机-光刻工艺流程详解
看懂光刻机-光刻工艺流程详解看懂光刻机:光刻工艺流程详解半导体芯片生产主要分为IC 设计、IC 制造、IC 封测三大环节。
IC 设计主要根据芯片的设计目的进行逻辑设计和规则制定，并根据设计图制作掩模以供后续光刻步骤使用。
IC 制造实现芯片电路图从掩模上转移至硅片上，并实现预定的芯片功能，包括光刻、刻蚀、离子注入、薄膜沉积、化学机械研磨等步骤。
IC 封测完成对芯片的封装和性能、功能测试，是产品交付前的最后工序。
芯片制造核心工艺主要设备全景图光刻是半导体芯片生产流程中最复杂、最关键的工艺步骤，耗时长、成本高。
半导体芯片生产的难点和关键点在于将电路图从掩模上转移至硅片上，这一过程通过光刻来实现，光刻的工艺水平直接决定芯片的制程水平和性能水平。
芯片在生产中需要进行20-30 次的光刻，耗时占到IC 生产环节的50%左右，占芯片生产成本的1/3。
光刻工艺流程详解光刻的原理是在硅片表面覆盖一层具有高度光敏感性光刻胶，再用光线（一般是紫外光、深紫外光、极紫外光）透过掩模照射在硅片表面，被光线照射到的光刻胶会发生反应。
此后用特定溶剂洗去被照射/未被照射的光刻胶，就实现了电路图从掩模到硅片的转移。
光刻完成后对没有光刻胶保护的硅片部分进行刻蚀，最后洗去剩余光刻胶，就实现了半导体器件在硅片表面的构建过程。
光刻分为正性光刻和负性光刻两种基本工艺，区别在于两者使用的光刻胶的类型不同。
负性光刻使用的光刻胶在曝光后会因为交联而变得不可溶解，并会硬化，不会被溶剂洗掉，从而该部分硅片不会在后续流程中被腐蚀掉，负性光刻光刻胶上的图形与掩模版上图形相反。
在硅片表面构建半导体器件的过程正性光刻与负性光刻相反，曝光部分的光刻胶会被破坏从而被溶剂洗掉，该部分的硅片没。
光刻与刻蚀工艺
光刻工艺的基本步骤
涂胶
将光刻胶涂敷在硅片表面，以形成 光刻胶层。
烘烤
通过烘烤使光刻胶层干燥并固化。
曝光
将掩膜版上的图形对准硅片上的光 刻胶层，并使用曝光设备将图形转 移到光刻胶上。
显影
使用显影液将曝光后的光刻胶进行 化学处理，使图形更加清晰地展现 出来。
光刻工艺的重要性
光刻工艺是半导体制造中的关键环节，直接影响芯片的制造 质量和性能。
非接触式光刻
投影式非接触
利用光学系统将掩膜板上的图像投影到光刻胶涂层上，优点是无需直接接触，缺点是难度较高，需要精确的控 制系统。
电子束光刻
利用电子束在光刻胶上直接曝光，优点是分辨率高、无需掩膜板，缺点是生产效率低。
投影式光刻
接触式投影
掩膜板与光刻胶涂层之间保持接触，通过投影系统将图像投影到光刻胶上，优点是操作简单、高效， 缺点是图像质量可能受到掩膜板损伤和光刻胶污染的影响。
涂胶/显影技术
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涂胶
在晶圆表面涂上一层光敏 胶，以保护非曝光区域并 提高图像对比度。
显影
用适当的溶剂去除曝光区 域的光敏胶，以形成所需 的图案。
控制胶厚
保持胶厚均匀，以避免图 像的扭曲和失真。
烘烤与曝光技术
烘烤
通过加热去除晶圆表面的湿气，以提高光敏胶的灵敏度和图像质 量。
曝光
将掩模图像投影到光敏胶上，通过光化学反应将图像转移到晶圆 上。
扫描投影
利用扫描系统将掩膜板上的图像投影到光刻胶上，优点是分辨率高、生产效率高，缺点是需要精确的 控制系统和高质量的掩膜板。
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光刻工艺中的关键技术
光学系统
紫外光源
产生短波长的光，以获得更好的分辨率和更来自的 特征尺寸。反射镜和透镜
光刻工艺简介
光刻工艺简介概述光刻工艺是半导体制造中最为重要的工艺步骤之一。
主要作用是将掩膜板上的图形复制到硅片上，为下一步进行刻蚀或者离子注入工序做好准备。
光刻的成本约为整个硅片制造工艺的1/3，耗费时间约占整个硅片工艺的40～60%。
光刻机是生产线上最贵的机台，5～15百万美元/台。
主要是贵在成像系统（由15～20个直径为200～300mm的透镜组成）和定位系统（定位精度小于10nm）。
其折旧速度非常快，大约3～9万人民币/天，所以也称之为印钞机。
光刻部分的主要机台包括两部分：轨道机（Tracker），用于涂胶显影；扫描曝光机（Scanning )光刻工艺的要求：光刻工具具有高的分辨率；光刻胶具有高的光学敏感性；准确地对准；大尺寸硅片的制造；低的缺陷密度。
光刻工艺过程一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀、检测等工序。
1、硅片清洗烘干（Cleaning and Pre-Baking）方法：湿法清洗＋去离子水冲洗＋脱水烘焙（热板150～2500C,1～2分钟，氮气保护）目的：a、除去表面的污染物（颗粒、有机物、工艺残余、可动离子）；b、除去水蒸气，是基底表面由亲水性变为憎水性，增强表面的黏附性（对光刻胶或者是HMDS-〉六甲基二硅胺烷）。
2、涂底（Priming)方法：a、气相成底膜的热板涂底。
HMDS蒸气淀积，200～2500C,30秒钟；优点：涂底均匀、避免颗粒污染；b、旋转涂底。
缺点：颗粒污染、涂底不均匀、HMDS用量大。
目的：使表面具有疏水性，增强基底表面与光刻胶的黏附性。
3、旋转涂胶（Spin-on PR Coating）方法：a、静态涂胶（Static）。
硅片静止时，滴胶、加速旋转、甩胶、挥发溶剂（原光刻胶的溶剂约占65～85%,旋涂后约占10～20%）；b、动态（Dynamic）。
低速旋转（500rpm_rotation per minute）、滴胶、加速旋转（3000rpm）、甩胶、挥发溶剂。
光刻工艺.pptx
一、接触式曝光
由于掩膜版与硅片相接触磨损，是掩膜 版的寿命降低。
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二、接近式曝光
接近式曝光是以牺牲分辨率来延长 了掩膜版的寿命 大尺寸和小尺寸器件上同时保持线 宽容限还有困难。另外，与接触式 曝光相比，接近式曝光的操作比较 复杂。
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三、投影式曝光
避免了掩膜版与硅片表面的摩擦，延长 了掩膜版的寿命。
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几种实用的光刻胶配方。 PMMA对210nm到260nm的紫外光有感光性， 感光性最佳的紫外光光谱约为220nm； PMIK的紫外光感光光谱为220nm到330nm， 峰值光谱约为190nm和285nm。
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AZ240系列光刻胶的感光光谱为240nm到 310nm，峰值光谱约为248nm、300nm、 315nm。 ODVR系列光刻胶的感光光谱为200nm到 315nm，峰值光谱为230nm、280nm、 300nm。
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打底膜（六甲基二硅亚胺HMDS）
六甲基二硅亚胺HMDS反应机理
OH
SiO2 ＋(CH3) 3SiNHSi(CH3)
3
OH
O-Si(CH3) 3
SiO2
+NH
O-Si(CH3) 33
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曝光方法
曝光有多种方法：光学曝光就可分为接 触式、接近式、投影式、直接分步重复 曝光。此外，还有电子束曝光和X射线曝 光等。曝光时间、氮气释放、氧气、驻 波和光线平行度都是影响曝光质量
掩膜版的尺寸可以比实际尺寸大得多， 克服了小图形制版的困难。
消除了由于掩膜版图形线宽过小而产生 的光衍射效应，以及掩膜版与硅片表面接 触不平整而产生的光散射现象。
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投影式曝光虽 有很多优点， 但由于光刻设 备中许多镜头 需要特制，设 备复杂
基本光刻工艺全息解析
第九章 基本光刻工艺------ 从曝光到最终检验 －19－
湿法刻蚀
最原始的刻蚀工艺，就是将晶园沉浸于装有 刻蚀液的槽中经过一定的时间，再传送到冲洗设 备中除去残余的酸（刻蚀液）在进行最终的冲洗 和甩干。此工艺只能用于特征尺寸大于3µm的产 品，小于3µm的产品由于控制和精度的需要一般 使用干法 有光刻胶图形的衬底
(b) 刻蚀后的衬底
第九章 基本光刻工艺------ 从曝光到最终检验 －1 7－
胶
膜 衬底
湿法各向同性化学腐蚀层
（各向同性刻蚀是在各个方向上以同样的速度进行刻蚀）
第九章 基本光刻工艺------ 从曝光到最终检验 －1 8－
Resist Film Substrate
刻蚀的一致性和工艺控制由附加的加热和搅 动设备来提高，常用的是带有超声波的刻蚀槽。
刻蚀液的选择要求具有良好的选择性，即在 刻蚀时要有均匀去掉晶园表层而又不伤及下一层 的材料。
刻蚀时间是一个重要的工艺参数，最短时间 是保证彻底、干净的均匀刻蚀；而最长时间受限 于光刻胶在晶园表面的粘结时间。
第九章 基本光刻工艺------ 从曝光到最终检验 －20－
5) 反应离子吸 附在表面
6) 原子团和表面膜的表 7) 副产物解吸
面反应
附
各向异性 刻蚀
衬底
各向同性刻蚀
阴极
硅片的等离子体刻蚀过程
第九章 基本光刻工艺------ 从曝光到最终检验 －28－
等离子体刻蚀反应器 园桶式等离子体刻蚀机
早期的离子体系统被设计成圆柱形的（如图）， 在0.1～1托的压力下具有几乎完全的化学各向同 性刻蚀，硅片垂直、小间距地装在一个石英舟上。 射频功率加在圆柱两边的电极上。
光刻工艺概述
Window
Exposed area of photoresist
photoresist Photoresist oxide Oxide silicon substrate Silicon substrate oxide Oxide silicon substrate substrate Silicon
亮场
暗场
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第8章 光刻工艺概述
2014年11月5日2时34分
亮场掩模版和暗场掩模版
Clear Field Mask Dark Field Mask
Simulation of metal interconnect lines (positive resist lithography)
Simulation of contact holes (positive resist lithography)
8.2 基本光刻工艺流程
工艺步骤 刻蚀 目的 将晶圆顶层通过光刻 胶的开口去除 晶圆
光刻胶 氧化层
光刻胶去除
从晶圆上去除光刻 胶层
氧化层
晶圆
其次，把图形从光刻胶层转移到晶圆上。这一步是通过不同的刻蚀方法 把晶圆上没有被光刻胶保护的部分的薄膜层去掉。这时图形转移就彻底 完成了。如图所示。
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第8章 光刻工艺概述
第8章 光刻工艺概述
2014年11月5日2时34分
8.1 光刻技术的发展
高灵敏度的光刻胶
光刻胶的灵敏度通常是指光刻胶的感光速度。 在集成电路工艺中，为了提高产品产量，希望 曝光速度越快越好。
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第8章 光刻工艺概述
2014年11月5日2时34分
8.1 光刻技术的发展
低缺陷
一般集成电路的加工需要几十步甚至上百步工序，而在 其中光刻大概要占10~20次，每次光刻都要尽量避免缺 陷。
浅议光刻工艺
浅议光刻工艺摘要：光刻是半导体器件制造工艺中的一个重要步骤，该步骤利用曝光和显影在光刻胶层上刻画几何图形结构，然后通过刻蚀工艺将光掩模上的图形转移到衬底上。
这里所说的衬底不仅包含硅晶圆，还可以是其他金属层、介质层，例如玻璃、SOS 中的蓝宝石。
传统的光刻技术是一种利用类似于照相复制的曝光与刻蚀相结合的技术，通过曝光和显影工序把集成电光刻掩模版的版图图形转移到光刻胶上，然后通过刻蚀工艺再转移到基片（如硅片）上，在基片表面生成微、纳米尺度的集成电路图形层。
其他微、纳米加工领域也都借用半导体集成电路的工艺技术，尤其利用光刻技术实现微、纳米尺度的制造。
关键词：微纳加工，光刻，半导体一. 光刻的主要过程首先，在涂抹光刻胶之前，硅衬底一般需要进行预处理。
一般情况下，衬底表面上的水分需要蒸发掉，这一步通过脱水烘培来完成。
此外，为了提高光刻胶在衬底表面的附着能力，还会在衬底表面涂抹化合物。
目前应用的比较多的是六甲基乙硅氮烷、三甲基甲硅烷基二乙胺等。
然后在这层化合物上覆上一层光刻胶，在这一步中，需要将光刻胶均匀、平整地分布在衬底表面上。
完成光刻胶的涂抹之后，需要进行软烘干操作，这一步骤也被称为前烘。
虽然在甩胶之后，液态的光刻胶已经成为固态的薄膜，但仍有10%-30%的溶剂，容易沾污灰尘。
通过在较高温度下进行烘培，可以使溶剂从光刻胶中挥发出来（前烘后溶剂含量降至5%左右），从而降低了灰尘的沾污。
同时，这一步骤还可以减轻因高速旋转形成的薄膜应力，从而提高光刻胶在衬底上的附着性。
这层光阻剂在曝光（一般是紫外线）后可以被特定溶液（显影液）溶解，使特定的光波穿过光掩膜照射在光刻胶上，可以对光刻胶进行选择性照射（曝光）。
然后使用前面提到的显影液，溶解掉被照射的区域，这样，光掩模上的图形就呈现在光刻胶上。
通常还将通过烘干措施，改善剩余部分光刻胶的一些性质。
上述步骤完成后，就可以对衬底进行选择性的刻蚀或离子注入过程，未被溶解的光刻胶将保护衬底在这些过程中不被改变。
光刻工艺介绍
光刻工艺原理
将电路图案转移到晶元上 为了将电路图案转移到晶片上，将光罩暴露在光 下。通过使用缩小透镜聚焦光，甚至可以转移更 精细的电路图案。电路图中的线越窄，可传输的 半导体元件数量越多，因此芯片的性能和功能也 就越高
当暴露在光下时，光刻胶会 发生变化，并且使用显影溶 液去除暴露部分，这样电路 图案就转移到了晶元上
负胶：曝光后显影时没有曝光部分被溶解，而曝光的 部分被留下来——聚乙烯醇肉桂酸酯和聚乙烯氧乙基肉 桂酸酯
光刻胶对大部分可见光敏感，但对黄光不敏感
光刻三要素
光刻胶主要成分
1.树脂(聚合物)：光照不发生反应，保证光刻胶的附着性和抗腐 蚀性，决定光刻胶薄膜的膜厚，弹性和热稳定性。
2.光敏剂(PAC)：受光辐照后发生化学反应，如果聚合物中不添 加光敏剂，那么他对光的敏感性差，而且光谱范围较宽，添加特 定的光敏剂后，可以增加感光灵敏度，而且限制反应光的光谱范 围，或者把反应光限制在某一特定的波长。
3.溶剂：使光刻胶在涂到晶元表面之前保持液态，添加溶剂的目 的是使光刻胶处于液态，以便光刻胶能够通过旋转的方式涂在晶 元表面
光刻三要素 掩膜版（光罩）
掩膜版上的图形代表一层IC设计，将 综合的布局图按照工艺分成各层掩膜
版，如隔离区为一层，栅极区为另一 层等，这些掩膜版的组合就是一组IC 工艺流程
光刻三要素
普通光源
波长范围大，图形边缘衍射现象严 重，满足不了特征尺寸的要求
晶元生产曝光光源
光刻机种类
光学
接触式 投影式
非光学
X射线 电子束
短波长（波长越短可曝光的特征尺寸越小）
高强度（为了保持合适的曝光时间）
高稳定性
光刻三要素
光刻机——曝光光源
光刻工艺
胶 衬底 掩膜 胶 衬底
2.正性胶 由光产生 分解
胶 衬底
胶 衬底
负胶
正胶
16
聚乙烯醇肉桂酸酯 KPR
常用负胶有聚肉桂酸酯类、聚酯类 和聚烃类
17
DNQ-酚醛树脂光刻胶的化学反应
(光活泼化合物)
o
N2
o hν -N2 (1)
OH
O=S=O
OR
O=S=O
OR
(2)
重新排列
o
c
o c
+H2O O=S=O
曝光前可溶曝光后不可溶可溶曝光后不可溶15二光刻胶的感光机理二光刻胶的感光机理聚乙烯醇肉桂聚乙烯醇肉桂kprkpr光交联光交联聚合聚合生交联常用负胶有聚肉桂酸酯类聚酯类和聚烃由光产生分解衬底显影17聚乙烯醇肉桂酸酯kpr常用负胶有聚肉桂酸酯类聚酯类和聚烃类18dnqdnq酚醛树脂光刻胶的化学反应酚醛树脂光刻胶的化学反应光活泼化合物光活泼化合物感光度感光度分辨率分辨率粘附性粘附性针孔密度针孔密度性能稳定性能稳定光刻胶的性能指标光刻胶的性能指标2021光刻技术简介光刻技术简介紫外光为光源的曝光方式紫外光为光源的曝光方式接触式曝光接近式曝光投影式曝光三种其他曝光方式其他曝光方式x射线曝光电子束曝光直接分步重复曝光深紫外线曝光
26
27
五、电子束曝光
电子束曝光的特点： 电子束曝光的精度较高。电子束的斑点可 以聚焦的很小，而且聚焦的景深很深，可用 计算机控制，精度远比肉眼观察要高。 电子束曝光改变光刻图形十分简便。电子 束曝光机是把各次曝光图形用计算机设计图 形就只要重新编程。
28
电子束曝光不要掩膜版。 电子束曝光设备复杂，成本较高。
分步重复曝光光学原理图
32
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腐蚀时产生浮胶的原因：
①坚膜时胶膜没有烘透，膜不坚固。 ②腐蚀液配方不当。例如，腐蚀SiO2的氟化氢缓冲腐蚀
液中，氟化铵太少，化学活泼性太强。
③腐蚀温度太低或太高。
50
9.3.2 毛刺和钻蚀
腐蚀时，如果腐蚀液渗透光刻胶膜的边缘，会使 图形边缘受到腐蚀，从而破坏掩蔽扩散的氧化层或
铝条的完整性。若渗透腐蚀较轻，图形边缘出现针
因为热融效应可以使光刻胶与硅片之间的接触面积
达到最大。
较高的坚膜温度可使坚膜后光刻胶中的溶剂含量更 少，但是增加了去胶的困难。而温度太高，光刻胶 的内部拉伸应力会增加，会使光刻胶的附着性下降， 所以必须适当控制温度。
39
坚膜后还需要光学稳定。通过光学稳定，使光刻胶在
干法刻蚀过程中的抗蚀得到增强，而且还可以减少离
用光刻工艺确定的光刻胶图并不是最后器件
的构成部分，仅是图形的印模，为了制备出
实际器件的结构图形，还必须再一次把光刻
胶图形转移到光刻胶下面组成器件的材料层
上。也就是使用能够对非掩膜部分进行选择
性去除的刻蚀工艺来实现图形的转移。
光刻工艺的目标是根据电路设计的要求，生 成尺寸精确的特征图形，并且在衬底表面的 位置正确且与其他不见的关联正确。
36
显影方式可以分为三个阶段：
硅片置与旋转台上旋转，并且在硅片表面 上喷洒显影液； 硅片在静止的状态下进行显影； 显影完成之后，需要经过漂洗，之后再旋 干。
37
9.2.6 坚膜
坚膜也叫后烘，是为了去除由于显影液的浸泡引起 的胶膜软化、溶胀现象，能使胶膜附着能力增强， 抗腐蚀能力提高。
浮胶就是在显影和腐蚀过程中，由于化学
试剂不断侵入光刻胶膜与SiO2或其它薄膜间的
界面，所引起的光刻胶图形胶膜皱起或剥落的 现象。
49
显影时产生浮胶的原因有：
①胶膜与基片表面粘附不牢。 ②胶的光化学反应性能不好，胶膜过厚，或者收缩膨胀 不均。 ③烘焙时间不足或过度。 ④曝光不足。 ⑤显影时间过长，使胶膜软化。
9.3 光刻技术中的常见问题
半导体器件和集成电路的制造对光刻质量有如下要
求：
一是刻蚀的图形完整，尺寸准确，边缘整齐陡直；
二是图形内没有针孔；
三是图形外没有残留的被腐蚀物质。 同时要求图形套刻准确，无污染等。 但在光刻过程中，常出现浮胶、毛刺、钻蚀、针 孔和小岛等缺陷。
48
9.3.1 浮胶
6
9.1 概述
光刻(photolithography)就是将掩模版（光刻
版）上的几何图形转移到覆盖在半导体衬底
表面的对光辐照敏感薄膜材料（光刻胶）上
去的工艺过程 。
光刻是微电子工艺中最重要的单项工艺之一。
用光刻图形来确定分立元器件和集成电路中
的各个区域、如注入区、接触窗口和压焊区
等。
7
9.3.3
针孔
在氧化层上，除了需要刻蚀的窗口外，在其它区
域也可能产生大小一般在1~3微米的细小孔洞。这些
孔洞，在光刻工艺中称为针孔。
针孔的存在，将使氧化层不能有效地起到掩蔽的
作用。在器件生产中，尤其在集成电路和大功率器件
生产中，针孔是影响成品率的主要因素之一。
53
9.3.3
针孔产生的原因有：
23
9.2.3
前烘
液态光刻胶中，溶剂的成份占65-85％。经 过甩胶之后，虽然液态的光刻胶已经成为固
态的薄膜，但仍含有10-30％的溶剂，容易
玷污灰尘，通过在较高温度下进行烘焙，可
以使溶剂从光刻胶内挥发出来。
前烘方法：热平板传导；红外线辐射；干燥 循环热风。 10～30 min，80～110 C
首次曝光需要对准晶向，多次曝光之间需
要进行图形对准
30
31
光的反射、干涉、衍射与驻波
可反光的表面将入射光反射，并在光刻胶 中于入射光发生干涉形成驻波现象。引起 不均匀曝光。
32
33
34
9.2.5 显影
在显影过程中，正胶的曝光区和负胶的非 曝光区的光刻胶在显影液中溶解，而正胶 的非曝光区和负胶的曝光区的光刻胶则不 会在显影液中溶解。
坚膜温度要高于前烘和曝光后烘烤温度，较高的坚
膜温度可使坚膜后光刻胶中的溶剂含量更少，但增 加了去胶时的困难。且光刻胶内部拉伸应力的增加 会使光刻胶的附着性下降，因此必须适当的控制坚 膜温度 。
10～30 min，100～140 C
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通过坚膜，光刻胶的附着力会得到提高，这是由于
除掉了光刻胶中的溶剂，同时也是热融效应的结果，
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9.2 基本光刻工艺流程
一般的光刻工艺要经历底膜处理、涂胶、前烘、 曝光、显影、坚膜、刻蚀、去胶、检验工序。
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19
9.2.1 底膜处理
底膜处理是光刻工艺的第一步，其主要目的 是对硅衬底表面进行处理，以增强衬底与光 刻胶之间的黏附性。
底膜处理包括以下过程： 1、清洗；2、烘干；3、增粘处理（涂底）。
24
25
26
9.2.4 曝光
曝光是使光刻掩模版与涂上光刻胶的衬底对 准，用光源经过光刻掩模版照射衬底，使接
受到光照的光刻胶的光学特性发生变化。
曝光中要特别注意曝光光源的选择和对准。
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简单的光学系统曝光图
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曝光光源的选择：紫外光用于光刻胶的曝光是因为 光刻胶与这个特定波长的光反应。波长很重要，因 为较短波长的可以获得光刻胶上较小尺寸的分辨率。
芯片最小特征尺寸的最主要因素。
L L
分辨率
R=1/2L (mm-1)； 直接用线宽L表示
存在物理极限，由衍射决定： L≥λ/2, Rmax ≤1/λ
12
9.1.3 焦深（DOF）
表示在一定的工艺条件下，能刻出最小线宽的像面 偏离理想焦面的范围。焦深远大，对光刻图形的 制作越有利。
DOF =k
集成电路制造技术
-原理与工艺
重庆邮电大学 微电子教研室
1
2
光刻
光刻工艺、光刻技术、刻蚀 在半导体制造技术中，最为关键的是用于电 路图形生成和复制的光刻技术，光刻技术的 研究和开发，在每一代集成电路技术的更新 中扮演着技术先导的作用。 随着集成电路的不断提高，光刻技术也面临 着越来越多的难题。
子注入过程中从光刻胶中逸出的气体，防止在光刻层
中形成气泡。
光学稳定是通过紫外光辐照和加热来完成的。 光学稳定可以使光刻胶产生均匀的交叉链接，提高光 刻胶的抗刻蚀能力，进而提高刻蚀工艺的选择性。
40
9.2.7 显影检验
在显影和烘焙之后就要完成光刻掩膜工艺 的第一次质检，通常叫显影检验。
目的是区分那些有很低可能性通过最终掩
8
完整的集成电路工艺中通常需要多次光刻才 能完成。 光刻系统的主要指标包括 分辨率、 焦深、 对比度、 特征线宽控制、 对准和套刻精度、 产率以及价格。
9
9.1.1
分辨率 R
分辨率是指一个光学系统精确区分目标的能力。微 图形加工的最小分辨率是指光刻系统所能分辨和加工 的最小线条尺寸或机器能充分打印出的区域。
2 ( NA)
NA，焦深
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焦平面
焦深 光刻胶
IC技术中，焦深只有1mm，甚至更小
14
14
对比度（CON）
对比度：评价成像图形质量的重要指标。对比 度越高，光刻出来的微细图形越好。
15
对比度
I max I min MTF I max I min
一般要求MTF>0.5 与尺寸有关
状的局部破坏，习惯上就称为毛刺；若腐蚀严重，
图形边缘出现“锯齿状”或“绣花球”样的破坏，
就称它为钻蚀。当SiO2等掩蔽膜窗口存在毛刺和钻 蚀时，扩散后结面就很不平整，影响结特性，甚至 造成短路。同时，光刻的分辨率和器件的稳定性、 可靠性也会变坏。
51
9.3.2 毛刺和钻蚀
产生毛刺和钻蚀的原因有：
①基片表面存在污物，油垢，小颗粒或吸附水汽， 使光刻胶与氧化层粘附不良。 ②氧化层表面存在磷硅玻璃，与光刻胶粘附不好， 耐腐蚀性能差，引起钻蚀。 ③光刻胶中存在颗粒状物质，造成局部粘附不良。 ④对于光硬化型光刻胶，曝光不足，显影时产生 溶钻，腐蚀时造成毛刺或钻蚀。 ⑤显影时间过长，图形边缘发生溶钻，腐蚀时造 成钻蚀。 ⑥掩模图形的黑区边缘有毛刺状缺陷。 52
膜检验的衬底，提供工艺性能和工艺控制
数据，以及分出需要重做的衬底。
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检测内容：
掩膜版选用是否正确；
光刻胶层的质量是否满足要求；
图形质量； 套准精度是否满足要求。
42
光刻胶钻蚀 图形尺寸变化
套刻对准不良
光刻胶膜损伤 线条是否齐、陡
钻蚀
针孔、小岛、划伤
针孔、小岛
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20
9.2.2
涂胶
在硅片表面涂敷的光刻胶应厚度均匀、附着
性强、没有缺陷。
在涂胶之前，硅片一般需要经过脱水烘焙， 或涂敷能增加光刻胶与硅片表面附着能力的 化合物。六甲基乙硅氮烷 (HMDS)
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涂胶工艺示意图
3000～6000 rpm，0.5~1 mm
22
22
涂胶厚度主要由光刻胶粘度和转速决定
分辨率是决定光刻系统最重要的指标，能分辨的线宽越 小，分辨率越高。其由瑞利定律决定：
R k1 NA
分辨率系数k1=0.6~0.8