第六章 光刻与刻蚀工艺
(第六章)刻蚀讲解
End of etch
2. 刻蚀剖面
刻蚀剖面是指被刻蚀图形的侧壁形状 两种基本的刻蚀剖面: 各向同性和各向异性刻蚀剖面
Isotropic etch - etches in all directions at the same rate
Resist
Film Substrate
湿法各向同性化学腐蚀
Anisotropic etch - etches in only one direction
Resist Film Substrate
具有垂直刻蚀剖面的 各向异性刻蚀
湿法刻蚀和干法刻蚀的侧壁剖面
刻蚀类型 侧壁剖面 湿法腐蚀 各向同性
示意图
各向同性(与设备和参数有关)
干法刻蚀
各向异性 (与设备和参数有关) 各向异性– 锥形
第六章 刻蚀
6.1 引 言
刻蚀的概念: 用化学或物理的方法有选择地去除硅片表面层材料的 工艺过程称为刻蚀。
刻蚀示意图：
Photoresist mask
Photoresist
Film
mask
to be etched
Protected film
(a) Photoresist-patterned substrate
干法刻蚀的缺点（与湿法腐蚀比） 1. 对下层材料的刻蚀选择比较差 2. 等离子体诱导损伤 3. 设备昂贵
干法刻蚀过程
1. 刻蚀气体进入反应腔 2. RF电场使反应气体分解电离 3. 高能电子、离子、原子、自由基等结合产生等离子体 4. 反应正离子轰击表面－各向异性刻蚀（物理刻蚀） 5. 反应正离子吸附表面 6. 反应元素（自由基和反应原子团）和表面膜的表面反
③达到一定的负电荷数量后电子会被电极排斥，产生 一个带正离子电荷的暗区（即离子壳层）；
光刻与刻蚀工艺流程ppt
03
开发新型胶膜
针对特定应用场景，开发具有优良性能的新型胶膜，提高胶膜的稳定性和可靠性。
胶膜缺陷的解决策略
01
优化胶膜制备工艺
通过调整胶膜成分、改善搅拌、控制温度等方法，减少胶膜缺陷的产生。
02
引入质量检测
通过定期的质量检测，发现并筛选出有缺陷的胶膜，确保生产出的胶膜符合工艺要求。
通过改进光源系统的设计和维护，提高光线的均匀性和稳定性，减少曝光不良的发生。
显影
坚膜处理
通过烘烤等手段，使光刻胶硬化并附着在硅片表面。
烘烤温度和时间
控制烘烤温度和时间，以确保光刻胶与硅片牢固结合。
坚膜烘烤
检查显影结果
对硅片表面进行显微观察，检查图形是否清晰、完整。
缺陷检测
发现并记录任何缺陷或问题，如图形畸变、残留物等，以便后续分析和改进。
显影检查
05
光刻与刻蚀工艺的挑战与解决方案
刻蚀工艺的重要性
刻蚀工艺是实现半导体器件制造过程中的关键环节，它可以实现材料的选择性去除，从而影响器件的性能和可靠性。
刻蚀工艺的定义和重要性
刻蚀前准备
在进行刻蚀工艺前，需要准备好待刻蚀的材料，并对其进行清洗和干燥等处理。
显影
将光刻胶上的图案显影出来，以供后续的刻蚀工艺使用。
涂胶
将光刻胶涂覆在待刻蚀的材料表面上，以保护不需要被刻蚀的部分。
硅片烘干
使用胶水将硅片固定在工作台上，以便后续操作。
硅片固定
根据工艺要求，准备适量的涂胶剂，并调整其粘度和浓度。
涂胶
涂胶剂准备
将涂胶剂均匀地涂抹在硅片表面，形成一层薄膜。
涂胶
通过烘烤使涂胶剂固化，增强附着力。
涂胶后烘烤
光刻与刻蚀工艺流程 PPT
驻波效应
入射光与反射光干涉 周期性过曝光和欠曝光 影响光刻分辨率
光刻胶中的驻波效应
光刻7－曝光后烘焙（后烘，PEB）
机理：光刻胶分子发生热运动，过曝光 和欠曝光的光刻胶分子发生重分布；
作用：平衡驻波效应，提高分辨率。
PEB减小驻波效应
光刻8－显影(Development)
光刻胶热流动填充针孔
坚膜（Hard Bake）
热板最为常用 检测后可在烘箱中坚膜 坚膜温度: 100 到130 °C 坚膜时间：1 到2 分钟 坚膜温度通常高于前烘温度
坚膜的控制
坚膜不足
－光刻胶不能充分聚合 －造成较高的光刻胶刻蚀速率 －黏附性变差
过坚膜
－光刻胶流动造成分辨率变差
光刻基本步骤
• 涂胶 Photoresist coating • 对准和曝光 Alignment and exposure • 显影 Development
光刻工序
1、清洗硅片 Wafer Clean
2、预烘和底膜涂覆 Pre-bake and Primer Vapor
3、光刻胶涂覆 Photoresist Coating
基本步骤 – 化学清洗 – 漂洗 – 烘干
光刻2－预烘
脱水烘焙--去除圆片表面的潮气 增强光刻胶与表面的黏附性 通常大约100 °C 与底胶涂覆合并进行 底胶广泛使用: Hexamethyldisilazane (HMDS，六甲基
乙硅氮烷) HMDS的作用：去除SiO2表面的-OH基。
离子注入Ion Implantation
快速热退火Rapid Thermal Annealing
刻蚀术语
光刻与刻蚀工艺流程
光刻与刻蚀工艺流程光刻和刻蚀是微电子加工过程中常用的两个工艺步骤。
光刻用于创建芯片上的图案，而刻蚀则用于移除不需要的材料。
以下是光刻和刻蚀的工艺流程。
光刻工艺流程：1.沉积光刻胶：首先，在硅片上沉积一层光刻胶。
这是一个具有高度选择性和可重复性的光敏聚合物材料，能够在曝光过程中改变化学性质。
2.乾燥和前处理：将光刻胶乾燥，然后对其进行前处理，例如去除表面的污垢和残留物。
3.涂布光刻胶：用涂胶机将光刻胶均匀地涂布在硅片的表面。
4.烘烤：将涂覆有光刻胶的硅片进行烘烤，以去除溶剂并使光刻胶层变得坚硬和耐久。
5.对位：将掩模对位仪对准硅片上的光刻胶层，确保光刻胶上的图案与所需的芯片图案完全一致。
6.曝光：通过紫外线照射机将光传递到光刻胶上，使其形成与掩模图案相同的图案。
7.显影：使用显影液处理光刻胶，显影液会将未曝光的部分光刻胶溶解掉，只留下曝光过的部分。
刻蚀工艺流程：1.腐蚀栅极：首先，通过化学腐蚀将栅极区域的金属材料去除，只保留未覆盖的部分，以便后续步骤。
2.沉积绝缘层：然后，在晶圆上沉积一层绝缘层材料，用以隔离电路的不同层次。
3.涂胶和曝光：使用同样的光刻胶工艺，在绝缘层表面涂覆光刻胶，并将掩模对位仪对准绝缘层上的光刻胶层。
4.显影：通过显影液处理光刻胶，保留所需的图案，暴露绝缘层。
5.刻蚀绝缘层：使用化学腐蚀或物理刻蚀技术，将未被光刻胶保护的绝缘层材料去除，使其与下方的层次保持相同的图案。
6.清洗和检验：最后，对晶圆进行清洗，以去除残留的光刻胶和刻蚀剂。
然后，对刻蚀图案进行检验，确保其质量和精确度。
这就是光刻和刻蚀的工艺流程。
通过这些步骤，可以在微电子芯片上创建复杂的电路和结构，以实现功能丰富的科技产品。
光刻与刻蚀工艺流程ppt
硅片准备
涂胶种类
根据光刻掩膜版的要求，选择合适的涂胶材料。
涂胶厚度
控制涂胶的厚度，一般要求均匀、无气泡、无杂质。
涂胶
曝光方式
根据光刻掩膜版图形设计要求，选择合适的曝光方式。
曝光时间
控制曝光时间，保证光刻胶充分反应且不过度曝光。
曝光
显影液选择
根据光刻胶的性质，选择合适的显影液。
控制显影时间
显影时间要适当，以充分溶解光刻胶，同时避免损伤硅片表面。
纳米科技领域需要借助光刻和刻蚀技术来制造纳米级结构，从而进一步探索纳米世界的奥秘。
在生物医学工程领域，光刻和刻蚀技术可以制造出复杂的微纳结构，用于药物输送、组织工程等应用。
纳米科技
生物医学工程
建议与展望
06
优化工艺参数
通过严格控制实验参数，如波长、功率、曝光时间等，以提高工艺稳定性和效率。
引入先进设备
xx年xx月xx日
光刻与刻蚀工艺流程ppt
CATALOGUE
目录
光刻和刻蚀工艺简介光刻工艺详细流程刻蚀工艺详细流程光刻和刻蚀工艺的控制因素光刻和刻蚀工艺的未来发展建议与展望
光刻和刻蚀工艺简介
01
1
光刻工艺发展历程
2
3
最早的光刻工艺，分辨率较低，制程技术限制较大。
接触式光刻工艺
改善了分辨率和制程技术限制的问题，但仍然存在接触式光刻工艺的一些缺点。
采用先进的自动控制系统和智能化设备，实现工艺过程的实时监控和精准调控。
改进工艺流程
简化工艺流程，减少重复步骤，降低工艺时间和成本。
提高工艺稳定性与效率的措施
技术交叉融合
加强光刻和刻蚀工艺与材料科学、物理学、化学等学科的交叉融合，引入新技术，如纳米压印、离子束刻蚀等，提高工艺水平和效率。
光刻与刻蚀工艺流程
光刻与刻蚀工艺流程光刻和刻蚀是半导体工艺中重要的步骤，用于制备芯片中的电路。
光刻是一种通过使用光敏剂和光刻胶来转移图案到硅片上的技术。
刻蚀则是指使用化学物质或物理能量来去除或改变表面的材料。
光刻工艺流程分为四个主要步骤：准备硅片、涂敷光刻胶、曝光和开发。
首先，准备硅片。
这包括清洗硅片表面以去除杂质和污染物，然后通过浸泡于化学溶液中或使用化学气相沉积等方法在硅片上形成一层光刻胶的基础层。
第二步是涂敷光刻胶。
将光刻胶倒入旋转涂胶机的旋转碟中，然后将硅片放置在碟上。
通过旋转碟和光刻胶的黏度控制，使光刻胶均匀地铺在硅片上。
光刻胶的厚度取决于所需的图案尺寸和深度。
第三步是曝光。
在光刻机中，将掩膜对准硅片，然后使用紫外线照射光刻胶。
掩膜是一个透明的玻璃或石英板，上面有所需的电路图案。
曝光过程中，光刻胶中的光敏剂会发生化学反应，使得光刻胶在被曝光的区域变得溶解性，而未被曝光的区域仍保持完整。
最后一步是开发。
在开发过程中，使用盐酸、溶液或者有机溶剂等化学溶液将未曝光的光刻胶从硅片上溶解掉。
溶解后就会出现光刻胶的图案，这相当于将掩膜中的图案转移到硅片上。
在完成开发后，再对硅片进行清洗和干燥的处理。
刻蚀工艺流程通常根据需要的深度和形状来选择不同的刻蚀技术。
常见的刻蚀技术有湿刻蚀和干刻蚀。
湿刻蚀是将硅片浸泡在一个含有化学溶液的反应槽中，溶液会去除不需要的材料。
刻蚀速度取决于化学溶液中的浓度和温度以及刻蚀时间。
湿刻蚀通常用于较浅的刻蚀深度和简单的结构。
干刻蚀是使用物理能量如等离子体来去除材料。
等离子体刻蚀分为反应离子束刻蚀(RIE)和电感耦合等离子体刻蚀(ICP)。
在等离子体刻蚀中，通过加热到高温的氩气等离子体释放离子，离子会以高速束流撞击竖立在硅片表面的物质，去除不需要的材料。
干刻蚀通常用于深刻蚀和复杂的纳米级结构。
在刻蚀过程中，为了保护不需要刻蚀的区域，通常会将硅片用光刻胶进行覆盖。
在刻蚀结束后，光刻胶可以去除，暴露出所需要的图案。
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
01
02
03
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。
03
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
光刻与刻蚀工艺流程-PPT课件
光刻胶涂布-辊涂法
辊涂法主要是利用圆筒滚动的方法来转移光刻胶，如图所示，利用辊筒1和辊筒2 的转动将光刻胶转移在刻有精细凹槽的辊筒2上，再通过辊筒2和辊筒3之间的挤 压将辊筒2上凹槽里的光刻胶转移至基片上。这种方法的最大优点是可以实现流 水线式运作，自动化程度高，生产效率也比较高。但是转移光刻胶均匀性不好， 辊涂后的基片上也容易留下辊筒凹槽的痕迹，而且仪器清洗困难，辊筒也容易损 坏，设备的购买成本和维护成本比较高 ；
详细光刻工序
•基板清洗、烘干
目的：去除污染物、颗粒； 减少针孔和其它缺陷；提高光刻胶黏附性；
•PR涂布
小尺寸：旋涂； 中大尺寸：丝网印刷&滚轮
•预烘
110 °C ；
•Mask制作、曝光
auto CAD / Corel-draw； 小型曝光机：中型曝光机
•坚膜 •退胶
135 °C ； NaOH ；
高分辨率 High Resolution； 高光敏性 High PR Sensitivity 精确对准 Precision Alignment
+PR & -PR
Negative Photo-resist 负性光刻胶－负胶 曝光后不可溶解 显影时未曝光的被溶解 便宜 Positive Photo-resist 正性光刻胶－正胶 曝光后可溶解 显影时曝光的被溶解 高分辨率
光刻胶涂布-丝网印刷法
丝网印刷的基本原理是：利用丝网印版图文部分的网孔渗透油墨，非图文部分的 网孔不渗透油墨的基本原理进行印刷。印刷时在丝网印版一端上倒入油墨，用刮 印刮板在丝网印版上的油墨部位施加一定压力，同时朝丝网印版另一端移动，油 墨在移动中被刮板从图文部分的网孔中挤压到承印物上，如图所示。印刷过程中 刮板始终与丝网印版和基片呈线接触，一般接触角为30-60度。这种制作方法操 作简单、成本低、易实现大面积制作等优点。
第06章 刻蚀
（2）干法腐蚀能达到高的分辨率，湿法腐蚀较差
（3）湿法腐蚀需大量的腐蚀性化学试剂，对人体和环境有害 （4）湿法腐蚀需大量的化学试剂去冲洗腐蚀剂剩余物，不经济
湿法各向同性化学腐蚀
各向同性刻蚀是在各方向上 以同样的速率进行刻蚀 胶
膜
衬底
干法刻蚀
• 干法刻蚀与湿法腐蚀相比的优点 • 刻蚀反应
干法刻蚀与湿法腐蚀相比的优点
7. 不会腐蚀金属.
VLSI/ULSI 技术中的复合金属层
钨的反刻
通孔
SiO2 ILD-2 金属1 复合层 ILD-1
钨
(a) 通孔刻穿 ILD-2 (SiO2)层 钨塞 SiO2 金属2复合层 钨塞
(b) 钨 CVD 通孔填充
(c) 钨反刻
(d) 金属2 淀积
去胶机中氧原子与光刻胶的反应
顺流等离子体 1) O2 分子进入反 应腔
湿法腐蚀需大量的化学试剂去冲洗腐蚀剂剩余物不经济各向同性刻蚀是在各方向上以同样的速率进行刻蚀衬底刻蚀剖面是各向异性具有非常好的侧壁剖面控制cd控制反应正离子轰击表面原子团与表面膜的表面反应副产物的解吸附各向异性刻蚀各向同性刻蚀溅射的表面材料化学刻蚀物理刻蚀衬底刻蚀反应腔电场使反应物分解反应离子吸附在表面反应正离子轰击表面排气气体传送rf发生器副产物电子和原子结合产生等离子体副产物解吸附阴极阳极电场各向异性刻蚀各向同性刻化学干法等离子体刻蚀和物理干法等离子体刻蚀usedprimarilyetchbackoperations
膜
衬底
具有垂直刻蚀剖面的各向异性刻蚀
各向异性刻蚀是仅在一 个方向刻蚀
胶 膜 衬底
湿法腐蚀和干法刻蚀的剖面
刻蚀中的钻蚀和过刻蚀
钻蚀 光刻胶 过刻蚀 膜 衬底
集成电路制造工艺——光刻与刻蚀工艺
脱水烘焙
以光刻胶在SiO2表面的附着情况为例，由于SiO2的表面是亲水性的，而 光刻胶是疏水性的，SiO2表面可以从空气中吸附水分子，含水的SiO2会使 光刻胶的附着能力降低。因此在涂胶之前需要预先对硅片进行脱水处理， 称为脱水烘焙。 ①在150-200℃释放硅片表面吸附的水分子； ②在400℃左右使硅片上含水化合物脱水； ③进行750℃以上的脱水。
如果不能满足要求，可以返工。因为经过显影之后只是在光刻胶上形成了 图形，只需去掉光刻胶就可以重新进行上述各步工艺。
1.5、坚膜
硅片在经过显影之后，需要经历一个高温处理过程，简称坚膜。 坚膜的主要作用是除去光刻胶中剩余的溶剂，增强光刻胶对硅片 表面的附着力，同时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。 通常坚膜的温度要高于前烘温度。
不同的粒子束，因其能量、动量不同，则ΔL亦不同。对于光子
L
2
通常把上式看作是光学光刻方法中可得到的最细线条，即不可能得到
一个比λ/2还要细的线条。
其物理图像是，光的波动性所显现的衍射效应限制了线宽≥ λ/2 。因
此最高分辨率为：
Rm a x
1
mm1
这是仅考虑光的衍射效应而得到的结果，没有涉及光学系统的误差以 及光刻胶和工艺的误差等，因此这是纯理论的分辨率。
线宽与线条间距相等的情况下，R定义为
R 1 (mm1) 2L
线条越细，分辨率越高。 光刻的分辨率受到光刻系统、光刻胶和工艺等各方面的限制。这
里我们只从物理角度对分辨率进行探讨。 光刻中所用的曝光光源是光、电子、离子和X射线等各种粒子束。
从量子物理的角度看，限制分辨率的因素是衍射。
最高的分辨率
设有一物理线度L，为了测量和定义它，必不可少的误差为ΔL，根据量子 理论的不确定性关系，则有
(完整版)光刻与刻蚀工艺
光刻工艺过程
❖涂胶 coating ❖前烘 prebaking ❖曝光 exposure ❖显影 development ❖坚膜 postbake ❖刻蚀 etch ❖去胶 strip ❖检验 inspection
1、涂胶
SiO2
Si （1）氧化、清洗
光刻胶 SiO2
Si （2）涂胶、前烘
1、涂胶
❖ 在图形曝光的工 作区域，则需要等级 10或1的洁净室。
lithography
❖Introduction
❖ 光刻 ▪ 洁净室 ▪ 工艺流程 ▪ 光刻机 ▪ 光刻胶 ▪ 掩膜版
光刻原理（1）
❖ 掩膜版图形转移到光刻胶
▪ 在光刻过程中，光刻胶受到光辐射之后发生光 化学反应，其内部分子结构发生变化，在显影 液中光刻胶感光部分与未感光部分的溶解速度 相差非常大。
❖涂胶目的
▪ 在硅片表面形成厚度均匀、附着性强、并且没 有缺陷的光刻胶薄膜。
❖怎样才能让光刻胶粘的牢一些？
可以开始涂胶了……
❖ 怎么涂？
▪ 旋转涂胶法：把胶滴在硅片，然后使硅片高速旋转， 液态胶在旋转中因离心力作用由轴心沿径向（移动） 飞溅出去，但粘附在硅表面的胶受粘附力的作用而留 下。在旋转过程中胶所含的溶剂不断挥发，故可得到 一层均匀的胶膜
▪ （2）等级为M3.5的洁净室（公制），直径大 于或等于0.5um的尘埃粒子总数不超过103.5 （约3500个/m3)
❖ 100个/ft3= 3500个/m3
▪ 一个英制等级100的洁净室相当于公制等级 M3.5的洁净室。
洁净室（4）
❖ 对一般的IC制造 区域，需要等级100 的洁净室，约比一般 室内空气低4个数量 级。
Resist coat (wafer track)
(第六章)刻蚀知识讲解
干法刻蚀的缺点（与湿法腐蚀比） 1. 对下层材料的刻蚀选择比较差 2. 等离子体诱导损伤 3. 设备昂贵
干法刻蚀过程
1. 刻蚀气体进入反应腔 2. RF电场使反应气体分解电离 3. 高能电子、离子、原子、自由基等结合产生等离子体 4. 反应正离子轰击表面－各向异性刻蚀（物理刻蚀） 5. 反应正离子吸附表面 6. 反应元素（自由基和反应原子团）和表面膜的表面反
＝ ΔTsio2/ΔT胶
（a）0时刻
（b）t1时刻
5. 均匀性 刻蚀均匀性是指刻蚀速率在整个硅片或整批硅片上 的一致性情况。非均匀性刻蚀会产生额外的过刻蚀。
ARDE效应-微负载效应：Aspect Ratio Dependence Etching
Emax：最大刻蚀速率 Emin：最小刻蚀速率 Eave：平均刻蚀速率
(b) Substrate after etch
6.1 引 言
刻蚀的工艺目的: 把光刻胶图形精确地转移到硅片上，最后达到复制 掩膜版图形的目的。它是在硅片上复制图形的最后 主要图形转移工艺。
刻蚀工艺分类：干法刻蚀和湿法刻蚀
✓ 干法刻蚀：把要刻蚀的硅片放在具有反应气体的等 离子体真空腔中去除表面层材料的工艺过程。亚微 米
硅槽
湿法刻蚀是各向同性腐蚀， 干法刻蚀有各向同性腐蚀，也
不能实现图形的精确转移， 有各向异性腐蚀。各向异性腐
一般用于特征尺寸较大的
蚀能实现图形的精确转移，是
情况（≥3μｍ） 。
集成电路刻蚀工艺的主流技术。
3. 刻蚀偏差
刻蚀偏差是指刻蚀以后线宽或关键尺寸的变化 刻蚀偏差＝Wa－Wb
Wb
Wa
Bias
✓ 湿法刻蚀：把要腐蚀的硅片放在化学腐蚀液里去除 表面层材料的工艺过程。大于3微米
光刻与刻蚀工艺
光刻与刻蚀工艺pptxx年xx月xx日contents •光刻与刻蚀工艺简介•光刻工艺详细介绍•刻蚀工艺详细介绍•光刻与刻蚀工艺的挑战与对策•光刻与刻蚀工艺的发展趋势目录01光刻与刻蚀工艺简介1光刻工艺原理23利用光子能量将光刻胶上的分子激活，使其可进行化学反应。
光学曝光将光刻胶上的图形转移到半导体基板上的过程。
图形转移对光刻胶和半导体基板表面进行化学处理，以实现图形的精细加工。
表面处理利用液体化学试剂将半导体表面的材料溶解。
刻蚀工艺原理湿法刻蚀利用等离子体或离子束等高能粒子将半导体表面的材料去除。
干法刻蚀刻蚀过程中，被刻蚀材料与阻挡层材料的去除速率之比。
选择比1光刻与刻蚀工艺的关系23光刻工艺是制造芯片的核心技术，通过光刻胶上的图形控制半导体表面的加工。
刻蚀工艺是将光刻胶上的图形转移到半导体表面的关键步骤，要求高精度和高一致性。
光刻和刻蚀工艺的组合直接决定了芯片制造的质量、产量和成本。
02光刻工艺详细介绍03运动控制系统运动控制系统精确控制掩膜与光刻胶之间的相对位置，确保图形对准和重复性。
光刻机工作原理01曝光系统曝光系统将掩膜上的图形转换为光刻胶上的图形，是光刻机的核心部分。
02投影系统投影系统将曝光系统输出的光线聚焦到光刻胶表面，实现小比例图形转移。
光学接触剂是低分子聚合物，具有高度透明性和低折射率。
光学接触剂正性光刻胶受到光照后会发生交联反应，形成网状结构，耐腐蚀性强。
正性光刻胶负性光刻胶受到光照后会发生降解反应，形成可溶性物质，易于清除。
负性光刻胶光刻胶的分类与性质增加对比度通过优化涂层和选择合适的光源和波长，增加光刻胶与衬底之间的对比度。
提高分辨率采用短波长光源和高级数值孔径透镜，提高光刻机分辨率。
提高精度和一致性采用先进的控制系统和误差修正技术，提高光刻胶图形的精度和一致性。
光刻工艺的优化03刻蚀工艺详细介绍离子刻蚀机以离子束或离子束辅助化学反应的方式进行刻蚀。
具有各向异性刻蚀、高分辨率和低损伤等优点，但刻蚀速率较慢，设备昂贵。
光刻与刻蚀工艺流程课件
REPORT
CATALOG
DATE
ANALYSIS
SUMMAR Y
02
刻蚀工艺简介
刻蚀工艺的定义
刻蚀工艺：是指利用物理或化学方法，将材料表面的一部分 去除，以达到形成图案或结构的目的。
在半导体制造中，刻蚀工艺是关键的步骤之一，用于形成电 路、器件和其它微结构。
刻蚀工艺的原理
物理刻蚀
利用物理能量，如高能粒子或等 离子体，轰击材料表面，使其原 子或分子从表面溅射出来。
总结词
胶的均匀涂布是光刻工艺中的重要环节，直接影响到光刻胶的覆盖质量和均匀 性。
详细描述
在涂胶过程中，要确保胶液的均匀分布，避免出现胶层厚薄不均、气泡等问题 。可以采用匀胶机进行涂布，控制好涂布速度和温度，以保证胶的均匀性。
曝光能量控制问题
总结词
曝光能量是光刻工艺中的关键参数， 直接影响到曝光质量和光刻胶的溶解 度。
预烘
预烘
使光刻胶中的溶剂挥发， 增强光刻胶与硅片之间的 黏附力。
预烘温度和时间
根据光刻胶类型和特性而 定。
预烘作用
提高光刻胶的黏附性和稳 定性。
曝光
曝光
通过掩膜版将所需图案投影到光 刻胶上，使光刻胶发生化学反应
。
曝光方式
接触式曝光、接近式曝光、扫描 式曝光等。
曝光剂量
影响光刻胶的溶解性和分辨率。
坚膜温度的控制问题
总结词
坚膜温度是光刻工艺中的重要参数，直接影响到光刻胶的硬度和附着力。
详细描述
要选择合适的坚膜温度，以保证光刻胶的硬度和附着力。坚膜温度过高会导致光刻胶变脆，而坚膜温度过低会导 致光刻胶附着力下降，影响光刻效果。
腐蚀深度的问题
总结词
光刻与刻蚀工艺
光刻与刻蚀工艺光刻与刻蚀工艺，这听起来好像是个特别高大上、特别复杂的东西，对吧？但其实啊，它就像是我们生活中的一场精心编排的舞蹈，每一个步骤都精准而有序。
先来说说光刻。
这就好比是在一张巨大的画布上作画，只不过这画布不是普通的纸，而是小小的芯片。
想象一下，你拿着一支超级精细的“画笔”，要在这小小的芯片上画出极其复杂的图案，而且不能有一丝一毫的差错。
这“画笔”其实就是光刻机发出的光线，通过一系列的操作，把设计好的电路图案精确地“印”在芯片表面。
我记得有一次，我在实验室里观察光刻的过程。
那台光刻机就像是一个神秘的大家伙，安静地矗立在那里。
操作人员小心翼翼地调整着各种参数，眼睛紧紧盯着屏幕上的图像。
当光线照射在芯片上的那一刻，我仿佛看到了一场魔法的诞生，那些细微的线条逐渐清晰起来，就像夜空中绽放的烟花一样绚烂。
刻蚀呢，就像是一位精细的雕刻大师，拿着刻刀在已经画好图案的芯片上进行雕琢。
它要把不需要的部分一点点地去除掉，留下的就是我们需要的电路结构。
这个过程就像是在豆腐上雕花，需要极度的细心和耐心。
比如说，有一次我看到一块芯片在进行刻蚀工艺，旁边的工程师们紧张得大气都不敢出。
刻蚀液缓缓地流淌在芯片表面，一点点地侵蚀着多余的部分。
每一秒钟都显得那么漫长，大家都在等待着最终完美的结果。
光刻和刻蚀工艺的结合，就像是一场完美的双人舞。
光刻画出了优美的线条，刻蚀则将这些线条雕琢得更加精致。
它们相互配合，缺一不可，共同为制造出高性能的芯片而努力。
在现代科技的舞台上，光刻与刻蚀工艺是当之无愧的明星。
从我们日常使用的手机，到超级计算机，再到各种智能设备，都离不开它们的功劳。
就拿我们的手机来说吧，芯片的性能直接决定了手机的运行速度和功能。
而光刻与刻蚀工艺的不断进步，让芯片变得越来越小，性能却越来越强大。
以前的手机又大又笨重，功能也很有限。
但现在，小小的手机里却蕴含着巨大的能量，这都要归功于光刻与刻蚀工艺的不断创新和发展。
而且啊，这光刻与刻蚀工艺的发展可不是一帆风顺的。
光刻与刻蚀工艺
张道礼 教授 Email: zhang-daoli@ Voice: 87542894
微电子工艺学
6.1 概述
扩散掺杂 掺 杂 离子注入掺杂 物理气相淀积 微电子单项工艺 薄膜制备 化学气相淀积
外 延
光 图形转移 刻 蚀 刻
6.1 概述
在集成电路制造中，主要的光刻设备是利用紫外光(≈0.2～ 0.4m)的光学仪器。 刻蚀：在光刻胶掩蔽下，根据需要形成微图形的膜层不同，采 用不同的刻蚀物质和方法在膜层上进行选择性刻蚀。 这样，去掉光刻胶以后，三维设计图形就转移到了衬底的相关 膜层上。图形转移工艺是如此重要，以至一种微电子工艺技术的水 平通常以光刻和刻蚀的图形线宽（特征尺寸）表示。
8.2 光刻工艺
光刻胶的性能参数
a. 光学性质：如灵敏度、分辨率、对比度、折射率；
b. 力学和化学性质 ：如固溶度、黏滞度、抗蚀性、热稳定性、流 动性和对环境气氛的敏感度；
c. 其它性质：如纯度、金属含量、可使用范围、有效期和燃点；
一、分辨率 分辨率是指每毫米宽度内能够光刻出可分辨的最多线对数，它 是对光刻工艺可以达到的最小图形尺寸的一种描述。在线宽 L 与 线条间距相等的情况下，分辨率为：R 1 (mm 1 ) ，光刻分辨率受 2L 光刻系统、光刻胶和光刻等多方面因素影响。
+
_ 显影后的理想光刻胶剖面
_
8.2 光刻工艺
Imin
Imax
另一个可以从对比度中得到的光刻胶性能指标是调制传输函 I max I min MTF 数（MTF），它可以用来描述曝光图形的质量： I max I min 其中Imax 和Imin 分别为曝光图形上最大和最小辐照强度。 D D 光刻胶临界调制传输函数（CMTF）为：CMTF D100 D0 100 0 CMTF的典型值约为0.4。如果一个实际光刻图形的MTF小 于所用光刻胶的CMTF，则光刻图形上的最小尺寸线条不能被分 辨。反之，则可能被分辨。 101/ 1 对比度与CMTF的关系为： CMTF 101/ 1 对于曝光系统，如果该系统对各种线条的MTF均已知，则 根据光刻胶对比度可计算出该系统能够形成的最小图形尺寸。
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Microelectronic Processing 第六章 光刻与刻蚀工艺
张道礼 教授 Email: zhang-daoli@ Voice: 87542894
6.1 概述
微电子单项工艺
掺杂 薄膜制备 图形转移
扩散掺杂 离子注入掺杂 物理气相淀积 化学气相淀积
外延 光刻 刻蚀
6.1 概述
图形转移(pattern transfer)是微电子工艺的重要基础，其作 用是使器件和电路的设计从图纸或工作站转移到基片上得以实现， 我们可以把它看作是一个在衬底上建立三维图形的过程，包括光刻 和刻蚀两个步骤。
光刻 (lithography，又译图形曝光 )：使用带有某一层设计几 何图形的掩模版(mask)，通过光化学反应，经过曝光和显影，使光 敏的光刻胶在衬底上形成三维浮雕图形。将图案转移到覆盖在半导 体晶片上的感光薄膜层上(称为光致光刻胶、光刻胶或光阻，resist， 简称光刻胶)的一种工艺步骤。
正胶 ><
>< 断链
8.2 光刻工艺
负胶是一种含有感光剂的聚合物。曝光时，感光剂将吸收的光 能转变为化学能而引起链反应，聚合物分子间发生交联，形成不 溶于显影液的高分子交联聚合物。显影后，未感光部分的光刻胶 被去除。负胶的主要缺点是显影时吸收显影液溶剂而膨胀，限制 了其分辨率。
负胶
交联
8.2 光刻工艺
刻蚀：在光刻胶掩蔽下，根据需要形成微图形的膜层不同，采 用不同的刻蚀物质和方法在膜层上进行选择性刻蚀。
这样，去掉光刻胶以后，三维设计图形就转移到了衬底的相关 膜层上。图形转移工艺是如此重要，以至一种微电子工艺技术的水 平通常以光刻和刻蚀的图形线宽（特征尺寸）表示。
8.2 光刻工艺
光刻（lithography）是以一种被称为光刻胶的光敏感聚
生曝光图形所允许的最大曝光
剂量。D100为感光区光刻胶在 显影液中完全可溶所需的最小
曝光剂量。可以看出，感光区
剩余膜厚随曝光剂量的增加逐
渐减小。对比度与该曲线外推
斜率的绝对值有关：
1
log10 (D100 / D0 )
光刻胶留膜率
曝光剂量
正胶光刻胶对度曲线
8.2 光刻工艺
在理想曝光过程中，辐照在光刻胶上的投影区域应该与掩模版 的透光区域完全相同，其它区域没有辐照投影。但在实际曝光过程 中，由于衍射和散射的影响，光刻胶所受辐照具有一定分布，因此 显影后剩余光刻胶层的侧面通常有一定斜坡。
8.2 光刻工艺
光刻胶的性能参数 a. 光学性质：如灵敏度、分辨率、对比度、折射率； b. 力学和化学性质 ：如固溶度、黏滞度、抗蚀性、热稳定性、流 动性和对环境气氛的敏感度； c. 其它性质：如纯度、金属含量、可使用范围、有效期和燃点； 一、分辨率
分辨率是指每毫米宽度内能够光刻出可分辨的最多线对数，它 是对光刻工艺可以达到的最小图形尺寸的一种描述。在线宽 L 与 线条间距相等的情况下，分辨率为：R 1 (mm1) ，光刻分辨率受
推动硅(Si)集成电路成为商用产品主 流的一大动力。一般说来， SiO2可 作为许多器件结构的绝缘体，或在 器件制作过程中作为扩散或离子注 入的阻挡层。如在p-n结的制造过程 中， SiO2薄膜可用来定义结的区域。 图 (a)显示一无覆盖层的硅晶片，正 准备进行氧化步骤。在氧化步骤结 束后，一层SiO2就会均匀地形成在 晶片表面。为简化讨论，图 (b)只显 示被氧化晶片的上表层。
数（MTF），它可以用来描述曝光图形的质量： MTF Imax Imin
6.1 概述
在扩散或离子注入步骤之后，欧
姆接触和连线在接着的金属化
步骤完成[图 (e)]。金属薄膜可以 用物理气相淀积和化学气相淀积 来形成。光刻步骤再度用来定义 正面接触点，如图 (f)所示。一 相似的金属化步骤可用来定义背 面接触点，而不用光刻工艺。一 般而言，低温(≤500。C)的退火 步骤用来促进金属层和半导体之 间的低电阻接触点。随着金属化 的完成，p-n结已经可以工作了。
侧墙的倾斜角度与光刻胶对比度和膜厚有关。光刻胶对比度越 高，剩余光刻胶层侧墙越陡。而光刻胶层侧墙陡度越大，线宽测量 的精确度越高。同时，侧墙陡峭的光刻胶层可以减小刻蚀过程中的 钻蚀效应，提高图形转移分辨率。
+
_
_
显影后的理想光刻胶剖面
8.2 光刻工艺
Imin
Imax
另一个可以从对比度中得到的光刻胶性能指标是调制传输函
在使用正胶曝光的过程中，要注意光刻胶与曝光源之间的匹配 关系。光刻胶与曝光波长之间的谐调非常重要，因为其它谱系的光 线（如黄光和绿光）对光刻胶也会产生一定曝光效果。一般要求非 曝光区对光波的吸收系数不能大于40％，否则将影响曝光图形。
8.2 光刻工艺
三、对比度 对比度是衡量光刻胶区分掩模版上亮区与暗区的能
1.2m 1.2m
1m 1m
0.8 - 1.5m
层次索引
接触孔（14层） 第一层金属（15层） 有源区（3层） 栅（10层）
8.2 光刻工艺
光刻胶 光刻胶（photoresist，又称光致抗蚀剂）是一类对辐照敏感的、
由碳、氢、氧等元素组成的有机高分子化合物，这类化合物中均含 有一种可以由特定波长的光引发化学反应的感光剂（PAC: photoactive compound）。依其对光照的反应分成正性光刻胶 与负性光刻胶。
因此光刻是主流微电子制造过程中最复杂、昂贵和关键的 工艺；
b. 随着器件和电路特征尺寸的不断缩小，光刻工艺 已成为微电子技术进一步发展的主要瓶颈。
在目前基础上进一步缩小光刻图形尺寸会遇到一系 列技术上甚至理论上的难题，因此大批科学家和工程师正 在从光学、物理学、化学、精密机械、自动控制以及电子 技术等不同途径对光刻技术进行深入的研究和探索。
这些图案可用来定义集成电路中各种不同区域，如离子注入、 接触窗(contact window)与压焊垫(bonding-pad)区。而由光刻所 形成的光刻胶图案，并不是电路器件的最终部分，而只是电路图形 的印模。
6.1 概述
在集成电路制造中，主要的光刻设备是利用紫外光(≈0.2～ 0.4m)的光学仪器。
在一定外界条件（如曝光）的作用下，光刻胶的分子结构由于 光化学反应而发生变化，进而引起其化学、物理或机械性质发生相 应变化，例如在显影液中的溶解度发生变化，由可溶性变为不可溶 性或者相反。这样，光刻胶感光部分与未感光部分在显影液中的溶 解速度就出现差异。在微电子工艺中，就是利用光刻胶的这一特性 来进行光刻的。
8.2 光刻工艺
以ULSI为例，对光刻技术的基本要求包括几个方面： a. 高分辨率：以线宽作为光刻水平的标志； b. 高灵敏度光刻胶：为提高产量，希望曝光时间尽量短； c. 低缺陷：光刻引入缺陷所造成的影响比其它工艺更为严重； d. 精密的套刻对准：一般器件结构允许套刻误差为线宽的10％； e. 对大尺寸基片的加工：在大尺寸基片上光刻难度更大。
6.1 概述
图 (a)为显影后的晶片。晶片再 次于120℃～180 ℃之间烘烤 20min，以加强对衬底的附着 力和即将进行的刻蚀步骤的抗 蚀能力。然后，使用缓冲氢氟 酸作酸刻蚀液来移除没有被光 刻胶保护的一。氧化硅表面， 如图4(b)所示。最后，使用化 学溶剂或等离子体氧化系统剥 离(stripped)光刻胶。图 (c)显 示光刻步骤之后，没有氧化层 区域(一个窗户)的最终结果。晶 片此时已经完成准备工作，可 接着用扩散或离子注入步骤形 成p-n结。
8.2 光刻工艺
光学光刻使用的正胶通常含有三种主要成分：酚醛树脂、感光 剂和有机溶剂。曝光前的光刻胶基本上不溶于显影液。曝光时， 感光剂 — 如 g 线（436 nm）和 i 线（365 nm）光刻时正胶中 的重氮醌（DNQ），因吸收光能而导致化学结构发生变化，在显 影液中的溶解度比曝光前高出很多（约100倍）。显影后，感光 部分光刻胶被溶解去除。
合物为主要材料的照相制版技术。集成电路发明至今，
电路集成度提高了六个数量级以上，主要归功于光刻技
术的进步。
光学曝光
遮蔽式曝光 投影式曝光
曝光方式
非光学曝光
电子束曝光 X 射线曝光 超紫外光曝光
离子束曝光
8.2 光刻工艺
光刻工艺的重要性源于两个方面： a. 微电子制造需进行多次光刻，耗费总成本的30％。
当曝光剂量达到 D100 以 上时，感光区剩余膜厚最终达 到初始时负胶的厚度。因此， 负胶的对比度取决于曲线的曝 光剂量取对数坐标之后得到的 斜率。
光刻胶留膜率
曝光剂量
负胶光刻胶对比度曲线
8.2 光刻工艺
正胶的感光区剩余膜厚与
曝光剂量的关系如右图所示。
D0为感光区光刻胶在显影液中 完全不溶，即在光刻胶上不产
6.1 概述
光刻技术被用来界定p-n结的几何形状。
在形成SiO2之后。利用高速旋转机，将晶 片表面旋涂一层对紫外光敏感的材料，称 为光刻胶(photo-resist)。将晶片从旋转机 拿下之后[图 (c)]，在80C～100C之间烘烤。 以驱除光刻胶中的溶剂并硬化光刻胶，加 强光刻胶与晶片的附着力。如图 (d)所示， 下一个步骤使用UV光源，通过一有图案的 掩模版对晶片进行曝光。对于被光刻胶覆 盖的晶片在其曝光的区域将依据光刻胶的 型态进行化学反应。而被暴露在光线中的 光刻胶会进行聚合反应，且在刻蚀剂中不 易去除。聚合物区域在晶片放进显影剂 (developer)后仍然存在，而未被曝光区域 (在不透明掩模版区域之下)会溶解并被洗去。
2L
光刻系统、光刻胶和光刻等多方面因素影响。
8.2 光刻工艺
二、灵敏度
光刻胶的灵敏度是指完成光刻所需最小曝光剂量（光能量， mJ/cm2）。对于光化学反应，灵敏度是由曝光效率决定的，而曝 光效率可以定义为参与曝光的光子能量与进入光刻胶的光子能量的 比值。通常正胶比负胶有更高的曝光效率，因此正胶的灵敏度比较 大。对于一个给定的曝光强度，灵敏度大的光刻胶曝光时间较短， 且曝光效果较好。但如果灵敏度过大，光刻胶在室温下就可能发生 热分解，使其储存有效期缩短。