光刻

光刻胶膜厚的均匀性影响分辨率的均匀性，导致图形失真。 要求在 10 nm 之间。主要取决于涂胶方法及设备。
具有疏水性的衬底表面（干燥基片）与光刻胶粘附性强。
滴涂法：将胶液滴到硅片的表面中心位置，然后低速 旋转，甩掉多余的胶液，再高速旋转，使硅片表面均 匀的涂上光刻胶 自动喷涂法：目前生产大多数采用喷涂法 光刻胶的厚度一般500nm－1000nm
(1). 接触式光学曝光技术
Mask
P. R.
Si
SiO2
优点：设备简单，分辨率高（约1 μm ）。
缺点：掩模寿命短（10 ~ 20次），硅片上图形缺陷多，
光刻成品率低。
(2). 接近式光学曝光技术
d= 10 ~ 25 μm
优点：掩模寿命长（可提高10 倍以上），图形缺陷少。 缺点：衍射效应使分辨率下降。
(2) 铝层等金属表面的去胶常用溶剂去胶法。将去胶剂加 热到所需的温度后，把待去胶的硅片放入，浸泡一定的时间， 然后用去离子水冲净。此类金属表面的去胶方法还有：
(3) 铝层表面也可用氧化去胶。把待去胶的硅片用去离子水 冲洗甩干后，放入发烟硝酸中浸泡一定时间，再用去离子水将 残液迅速冲洗干净。
(4) Ni-Cr金属膜表面的氧化去胶，可用1号清洗液煮，然后 用去离子水冲净。
光刻胶一般由三部分组成： 感光剂（或称光致抗蚀剂） 增感剂 溶剂
1、聚乙烯醇肉桂酸酯光刻胶
聚乙烯醇肉桂酸酯光刻胶简称KPR，是目前半导体光 刻 工艺中应用比较广泛的一种光致抗蚀剂，是一种负性胶。 它由聚乙烯醇肉桂酸酯（感光剂）、5-硝基苊（增感剂） 和环己酮（溶剂）三部分组成。
1、去胶的方法
(1) 溶剂去胶法。将带有光刻胶的硅片浸泡在适当的有机溶 剂中，使胶膜溶胀而去掉。
优点：适用于各种表面的硅片，特别是金属表面；适用于 大批量生产；溶剂的使用期长。
(2) 氧化去胶法。较普遍的方法。将待去胶的硅片放入氧化 去胶剂中，加热至100℃以上，光刻胶层被氧化成CO2和H2O。 最常用的氧化去胶剂有(a)浓H2SO4；(b)浓H2SO4：H2O2 = 3：1 混合液；(c)NH4OH：H2O2：H2O = 1：2：5（1号洗液）；(d) 发烟硝酸等。
温度必须良好的控制 前烘温度越高，时间越长，光刻胶与基片粘附越好。 但是温度过高，会使光刻胶翘曲硬化，造成显影不 净；图形的分辨率也会下降；抗蚀能力下降； 前烘时间过长，会造成增感剂的过度挥发
• 前烘温度过低/时间过短：光刻胶内可能存在溶
剂，图形曝光的质量将受到严重的影响
(三)、定位与曝光
• 按照光源的不同可以分为：
光刻质量分析
• 光刻是集成电路制造中最重要的一个环 节，影响产品合格率的关键在于光刻的 质量
质量问题一：溶胶
• 在显影或刻蚀时，硅片表面上的胶膜会 起皱，呈桔皮状或大面积脱落，这种现 象称溶胶或脱胶
• 原因： 操作环境湿度大 硅片面膜上不干净 前烘不足或过度 曝光或显影不到位
质量问题二：小岛
• 小岛：残留在光刻胶窗口上细小的二氧 化硅区域
四、影响光刻工艺水平的因素
1、光刻胶：负性光刻胶、正性光刻胶、新型光刻胶（仍然 分正负胶）。
2、曝光光源：紫外光、远紫外光、极紫外光、 X 射线、 电子束、离子束。
3、曝光方式：接触式曝光、接近式曝光、投影式曝光。 4、刻蚀方法：湿法刻蚀、干法刻蚀（等离子体腐蚀法、离 子溅射刻蚀法、反应离子刻蚀法）。
原因： 掩模板上不透光部分有小孔或透光点 光刻胶中有颗粒状不溶性物质留在硅片 表面 显影不完全
针孔
• 二氧化硅膜上的细小的孔洞 原因：
掩模板上有黑斑 操作过程中有尘埃落在硅片表面 感光剂中有颗粒状物质等
§7.2 光刻胶概述
在半导体器件生产中，一般要求光致抗蚀剂具备如下 的性能:
( l ) 光致抗蚀剂对于衬底（SiO2、Si、Al 及其它金属） 的粘附性能必须良好; ( 2 ) 抗蚀性能要好，并不易出现针孔; ( 3 ) 分辨率要高，刻细线条的清晰度要好; ( 4 ) 具有足够的感光度，即能达到合适的感光速度; ( 5 ) 显影后未曝光部分（负性胶）无残渣，腐蚀后要易 于除去胶膜; ( 6 ) 暗反应小，质量稳定，易贮存。
3、器件的小型化、集成度的提高，对光刻 精度提出了更高的要求（难度更大）。
二、对光刻的基本要求
高的图形分辨率；高灵敏度；低缺陷；精密 的套刻对准。
三、光刻的工艺流程
1、清洁处理：清洁的表面才能与光刻胶有良好的粘附；
2、涂胶：在待光刻的硅片表面均匀地涂上一层光刻胶。要 求粘附良好，均匀；
3、前烘：使光刻胶干燥，以增强胶膜与硅片表面的粘附性 和胶膜耐磨性，同时使曝光时能进行充分的光化学反应；
3、电子束曝光技术 （1）电子束曝光方式
(a) 无掩模扫描电子束曝光：采用计算机控制电子束直接曝 光图形。主要用于制作掩模版。图形分辨率 0.1m ~ 1m 。
(b) 电子束缩小投影曝光。
（2）影响电子束曝光分辨率的因素
影响电子束曝光分辨率的主要因素，是由于电子在光刻胶 中的散射和在衬底与胶层交界面处的背散射所引起的邻近效应。 邻近效应有两种表现形式：
涂胶示意图
(二)、前烘 前烘是将涂好胶层的硅片用烘烤使胶层中的溶剂挥发、使
胶膜干燥工艺。目的：增加光刻胶与硅片粘附能力、在接触式 曝光中提高胶膜与掩膜版接触时的耐磨性能、提高和稳定胶膜 的感光灵敏度。
1、前烘的方法 干燥循环热风、红外烘烤法、热板烘烤。
2、前烘温度与时间的选择 根据光刻胶的性质及光刻过程确定。前烘的温度一般低于 100℃，时间 15~30 min。
第7章 光刻工艺的化学原理
在硅片上进行定域扩散，必须经过 光刻。要形成一定互连线的电路，必须 对铝层进行光刻。在大规模集成电路生 产中，有时需要几十次光刻：包括光刻 隐埋区、隔离区、基区、发射区、引线 孔和铝电极等等。所以光刻工艺是半导 体器件生产的主要工艺之一，光刻质量 的好坏，直接影响器件的电学性能以及 成品率。
~
~
(3). 缩小投影曝光技术
光源
随着线宽的减小和晶片直径的
增大，分辨率与焦深的矛盾越来越 透镜 严重。为解决这一问题，人们开发
出了：
掩模
1、扫描投影曝光机（Scanner）
2、分步重复缩小投影曝光机
透镜
（ Direct Step on The Wafer ,
简称为 DSW，或 Stepper）
目前几乎所有的工艺线均采用
硅片
Stepper
投影式曝光的优点：
• 掩模寿命长。 • 可以在不十分平整的大晶片上获得高分辨率的图形。 • 由于掩模尺寸远大于芯片尺寸，使掩模制造简单，可减 少掩模上的缺陷对芯片成品率的影响。
投影式曝光的缺点：
• 设备复杂、昂贵。 • 曝光效率低。
各种光源的比较：
光谱
波长 曝光方式 抗蚀
（nm)
(五)、坚膜
又称后烘，经过显影以后的胶膜发生 了软化，膨胀，胶膜与硅片粘附力下降。 坚膜可以除去显影后溶入胶膜中的溶剂， 使胶膜与衬底之间粘附得更牢；可以增 强胶膜本身的抗蚀能力。坚膜的方法同 前烘。
(六)、腐蚀
腐蚀是用适当的腐蚀液将无光刻胶膜覆盖的衬底材料腐蚀 掉，而有光刻胶覆盖的区域保存下来。所用的腐蚀液必须既能 腐蚀掉裸露的衬底表面材料（如介质膜或金属膜），又不损伤 光刻胶层。
剂
紫外光 365 ~ 436 各种有掩 光致
UV
模方式
深紫外光 193 ~ 248 各种有掩 电子
DUV
模方式
掩模材料 玻璃/Cr 石英/Cr、Al
分辨率 0.5 μm 0.2 μm
极紫外光 EUV
X 射线
10 ~ 15 0.2 ~ 4
缩小全 反射
接近
电子 多涂层反射层/ 0.1 μm 金属吸收层
电子 Si、Si3N4、Al2O3/ 0.1 μm
4、曝光：将掩膜版放在涂有光刻胶的硅片上，用紫外线照 射，这时光刻胶只有一部分感光。受到光照的光刻胶由于发生 了光化学反应，出现一些新的性质，如溶解性降低，难溶于有 机溶剂中。
5、显影：在曝过光的硅片表面的胶膜上显Fra Baidu bibliotek出与掩 膜版相同（正性光刻胶）或相反（负性光刻胶）的图形， 显影后的硅片必须严格检查，以保证光刻的质量；
（4）X 射线光刻胶 常采用电子束光刻胶，如 PMMA 等。
（5）X 射线光源 提高 X 射线辐射功率，减小曝光时间。光源尺寸 d < 1mm，
以提高分辨率。X 射线能量要求 1 至10 keV 。 （6）X 射线曝光主要特点 (a) 分辩率高，理论最小线宽小于0.05 m ，但实际上分辨
率取决于掩模并受几何畸变和半影畸变的影响。 (b) 曝光时受衍射和反射的干扰小。 (c) 掩模的制作困难，成本高。 (d) 对准困难。 (e) 受X 射线源限制，曝光时间长。
光刻是感光复制图象（照相）和选择 性化学腐蚀相结合的综合性技术。
光刻是先将光刻版上的图形精确地复 印在涂有感光胶的二氧化硅层或金属层 上，然后利用光刻胶的保护作用，对二 氧化硅或金属层进行选择性化学腐蚀， 从而得到与光刻版相应的图形。
§7.1 光刻技术
一、光刻技术的特点
1、光刻是一种表面加工技术； 2、光刻是复印图象和化学腐蚀相结合的综 合性技术；
6、坚膜：使胶膜与硅片之间紧密粘附，防止胶层脱 落，同时增强胶膜本身的抗蚀能力；
7、刻蚀：以坚膜后的光刻胶作为掩蔽层，对衬底进 行干法或湿法刻蚀，使之得到与光刻胶膜图形相应的图 形；
8、去胶：以干法或湿法去除光刻胶膜。
(一)、涂胶
将感光胶涂布在待光刻的硅片表面上，要求涂布好的光刻 胶层粘附性好、均匀、无针孔、厚度适中（几百 nm 到 2 m 之 间）。胶膜太薄，针孔较多，则抗蚀性能差；胶膜太厚，则分 辨率低。涂胶法一般为旋转法。
折射
较大孔径的透镜以提高分辨率， 掩模制造方便。
缺点：设备昂贵，曝光效率低。
2、X 射线曝光技术
X射线波长范围取为0.2~4nm。X射线不易聚焦，曝光方式 为接近式。光源有两种，一种是电子束轰击靶X射线源，另一 种是同步辐射X射线源。掩模版为 X 射线曝光专用掩模版。
（1）曝光系统
(2) X 射线曝光中图形的畸变
光学曝光、x射线曝光、电子束曝光、粒 子束曝光
• 按照对掩模板的要求：
投影式 扫描式
• 接触式 • 接近式 • 投影式
光学曝光
1、光学曝光
光 源 为 紫 外 光 （ 4 3 6 nm、365nm） 和 远 紫 外 光 （ 2 4 8 nm、 193nm）。曝光方式有接触式、接近式和投影式。
接触与接近式光学曝光技术
腐蚀方法分为 “湿法” 和 “干法” 两大类。因正胶的抗 干法腐蚀能力强，因此干法腐蚀对正胶更为适合。
湿法腐蚀具有各向同性的缺点，但设备简单，故仍被普遍 采用。腐蚀液的配方视被腐蚀材料和光刻胶性能而定。
干法腐蚀具有各向异性的特点，包括：等离子腐蚀、反应 离子刻蚀和溅射刻蚀（离子束刻蚀）等。
(七)、去胶
(a) 曝光过量导致图形凸起；(b) 曝光不足导致图形缺损。
(四)、显影
显影是将未感光的负胶或已经感光的正胶溶解的工艺。 显影速率受显影液温度和浓度的影响。显影方法分为浸泡 法和喷雾法两种。后者的分辨率和重复性好，广泛采用。
负性胶的显影液：丁酮 （CH3COCH2CH3）、甲苯、 丙酮、三氯乙烯 正性胶的显影液：甲基异 丁基酮和异丙醇混合液（1： 1）
Au、Pt、Os 等
光学曝光的各种曝光方式及其利弊
接 优点：设备简单，分辨率较高。 触 式 缺点：掩模版与晶片易损伤，成品率低。
优点：掩模版寿命长，成本低。
接近式
非
缺点：衍射效应严重，影响分辨率。
接
优点：无像差，无驻波效应影响。
触 式
全反射 缺点：光学系统复杂，对准困难。
投影式
优点：对片子平整度要求低，可采用
影响分辨率的主要因素：几何畸变、半影畸变。
几何畸变：
S W
D
半影畸变：
S d D
（6.19） （6.20）
（3）X 射线曝光掩模 X 射线曝光对掩模的要求： （a）材料的形变小； （b）透 X 光能力强的材料作为掩模衬底； （c）透 X 光能力差的材料作为图形区涂敷层。
优点：洗涤过程简便。缺点：可能被Na离子沾污，酸溶液 不能用于多层交叠的金属化图形的电路上，否则会腐蚀掉金属。
(3) 干法去胶法。主要为等离子体去胶。
2、操作过程
(1) 当用氧化去胶法去除SiO2、Si3N4、多晶硅等表面的胶层 时，操作步骤为： (a) 用浓硫酸煮二次，使胶层碳化脱落，冷却 后用去离子水冲净； (b) 或用浓 H2SO4：H2O2 = 3：1 浸泡或加 热，使胶层脱落后用去离子水冲净； (c) 或用 1号清洗液煮，使 胶层脱落后用去离子水冲净。