光刻与刻蚀
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IC设计流程图，需要光刻图案用来定义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；
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。
理想的曝光图形
正胶
实际的曝光图形
微粒含量和金属含量
储存寿命
负胶
理想曝光图形与实际图形的差别
天津工业大学
§8.4 曝光系统
按光源分类：
紫外（UV） 曝 光 系 统
光学曝光系统
深紫外（DUV） 电子束曝光系统 非光学曝光系统 X射线曝光系统 离子束曝光系统
天津工业大学
8.4.1 紫外（UV）光源
研制大数值孔径光学透镜
0.2——0.85 —1.44(浸没光刻)
下一代光刻技术 NGL
1968 1971 1974 1977 1980 1983 1986 1989 1992 1995 1998
2001 2004 2007 2010 2013 2016
8.4.3 分辨率增强技术 RET
开发更短波长的 曝光光源
546 (e-line) ,436(g-line),365(i-line), 248(KrF), 193(ArF),157(F2),EUV 电子束(0.1-0.05Å),离子束,X射线
影得到的图形对比度越高。
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
天津工业大学
天津工业大学
正胶和负胶
天津工业大学
显影中可能存在的问题Leabharlann 天津工业大学显影设备
天津工业大学
喷洒显影液
天津工业大学
静止显影
天津工业大学
去除显影液
天津工业大学
天津工业大学
快速热处理及合金
天津工业大学
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，六甲基乙硅氧烷）来增加 黏附性
天津工业大学
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
MEF
RET
3 成 157nm F2 16 × 10 ML2 = maskless lithography 45 nm 16K IPL = ion projection lithography 度 EUV, EPL, ML2. 3 4 × 10 32 nm PXL = proximity x-ray lithography IPL，PXL，PEL PEL = proximity electron lithography 1×103 22 nm Next Generation Lithography Electron-Beam Lithography Electron-Beam Direct Writing Lithography
投影式曝光(projection system)
最小尺寸：Lmin＝0.61λ/NA （亚微米级工艺） 优点：1. 分辨率高； 2. 样品与掩膜版不接触，避 扫描方式： 1：1步进重复 M：1缩小的步进重复
免缺陷产生， 掩膜板不易损 坏，可仔细修整；
3. 可进行等比例缩小曝光 缺点：结构复杂，工艺要求 高，产率低
涂胶
前烘
曝光
显影
后烘
刻蚀
去胶
天津工业大学
硅片清洗
天津工业大学
预烘及涂增强剂
天津工业大学
涂胶
天津工业大学
前烘
天津工业大学
掩模版对准
天津工业大学
曝光
天津工业大学
曝光后烘培
天津工业大学
显影
天津工业大学
后烘及图形检测
天津工业大学
刻蚀
天津工业大学
刻蚀完成
天津工业大学
去胶
天津工业大学
离子注入
天津工业大学
特征尺寸与曝光波长
天津工业大学
8.4.2 曝光方式（Exposure）
接触式
曝 光 方 式 遮蔽式 Shade system 投影式 projection system Contact printer 接近式
proximity printer
天津工业大学
接近式曝光（proximity printer）
天津工业大学
天津工业大学
数值孔径（NA）
NA 2r0 / D n sin
NA表示透镜收集发散光的能力，NA越大，则能得到更 锐利的图形，从而得到更小的特征尺寸及更大的分辨率。
天津工业大学
M:1缩小的步进重复曝光
天津工业大学
天津工业大学
ASM 2500/5000 投影光刻机
天津工业大学
去离子水清洗
天津工业大学
显影全过程
天津工业大学
曝光后烘培
目的：降低驻波效应，形成均匀曝光
天津工业大学
曝光后烘培
天津工业大学
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)
正胶： rp
1 1 负胶： rn 0 i log10 ( Dc / D0 ) log10 ( Dg / Dg )
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
天津工业大学
其他特性
光敏度 膨胀性 抗刻蚀能力和热稳定性 黏着力 溶解度和黏滞度
1
2 掩膜版上 的图形 3
天津工业大学
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）
天津工业大学
§8.1 光刻工艺流程
对于微观粒子：能量一定，则粒子质量越大，分辨率越高 质量一定，则动能越高，分辨率越高
天津工业大学
光刻参数对工艺效果的影响
分辨率
曝光系统 衬底 掩膜 XX X X
对准
XX X X
片间控制
X XX －
批间控制
XX X X
产量
XX X X
光刻胶
显影剂 润湿剂 工艺 操作员
XX
X － X X
X
－ － X XX
水银弧光灯光源 i线（365nm） h线（405nm） g线（436nm） 缺点： 波长较长，限制分辨率 能量利用率低（2％） 准直性差
天津工业大学
深紫外（ DUV ）光源
KrF、ArF、F2准分子激光器
优点：更高有效能量，各向异性，准直，波长更短，空 间相干低，分辨率高
缺点：脉冲式发射，能量峰值大，易造成损伤
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
1 R (mm 1 ) 2L
天津工业大学
物理学意义：限制因素是衍射
光子：
L p h
h h 1 L ; Rmax p 2 p 2
粒子：
L
h 2 2m E
对于光子：波长越短，分辨率越高；
天津工业大学
光刻技术在IC流程中的重要性
天津工业大学
ULSI中对光刻的基本要求
高分辨率
高灵敏度的光刻胶
低缺陷
精密的套刻对准 对大尺寸硅片的加工
天津工业大学
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。
XX
XX XX XX XX
XX
XX X XX X
XX
X － XX XX
天津工业大学
§8.3 光刻胶的基本属性
正胶与负胶：
天津工业大学
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，同时也决定了光刻胶薄膜的其他物理 特性； 感光材料（PAC）：受光辐照后会发生化学反应，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（增加光吸收能力）等。
天津工业大学
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
天津工业大学
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）
天津工业大学
§8.2 分辨率(Resolution)
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）
天津工业大学
前烘方法
天津工业大学
显影
目的：显现出曝光后在光刻胶层中形成的潜在图形，显 影时曝光区和非曝光区的光刻胶溶解速度反差越大，显
天津工业大学
正胶与负胶
天津工业大学
正胶与负胶
负胶的缺点：显影过程为先溶胀再溶解，非曝光区树 脂的溶涨降低分辨率；溶剂（二甲苯）造成环境污染 正胶的优点：显影过程是逐层溶解，非曝光区不受影 响，分辨率高
天津工业大学
对比度
光刻胶膜厚——曝光剂量响应曲线 对比度： r (Y Y ) /( X X ) 2 1 2 1
天津工业大学
旋涂
天津工业大学
旋涂
天津工业大学
旋涂
天津工业大学
旋涂
天津工业大学
边沿清除
天津工业大学
边沿清除
天津工业大学
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）
天津工业大学
分辨率增强技术使光学光刻不断突破分辨率极限
1968 1971 1974 1977 1980 1983 1986 1989 1992 1995 1998 2001 2004 2007 2010 2013 2016
546nm E线 --10um 1×1012 1980年左右曾经有人预言：光刻线宽不能 8.0 um 接触式光刻 小于1微米；1989年曾经有预言：到 1997 256 ×109 光 5.0 um光学曝光区 436nm G线 10-2.0um 年光刻技术将走到尽头；1994年也曾经有 64×109 刻 3.0 um 接触式光刻 比较乐观的长期预测：2007年线宽达到 工 2.0 um 16×109 16G 436nm G 线 2.0--0.5um 0.1微米（保守的预计为0.5微米），这些9 艺 1.3 um Mask Error Factor 4×10 投影光刻 预测都被光刻技术神话般的进步的步伐远 特 9 1 × 10 0.8 um 掩模精度控制技术 365nm I线 0.08--0.28um 远抛在后头。 1G 征 256×106 0.5 um 投影光刻 尺 1980 光学光刻技术潜力挖掘区 64×106 0.35um 248nm KrF 0.5--0.13um 寸 6 16 × 10 0.25um 投影光刻 +OPC Resolution16M Enhancement Technology 6 4 × 10 0.18um 193nm ArF 0.18--0.1um 分辨率增强技术 1×106 芯 LFD Lithography Friendly Design rules 0.13um KrF+PSM +OPC+OAI 1M 256×103 片 与光刻工艺友好协同的设计技术 90 nm ArF +浸没透镜 EUV = extreme ultraviolet 64×103 集 65 nm +PSM +OPC+OAI EPL = electron projection lithography
接近式曝光（>3um）
由于光的衍射，导致最小线宽 LCD=1.4(Sλ)1/2 减少了掩膜版的损坏，但分辨 率受到限制。
天津工业大学
接触式曝光(contact printer)
接触式曝光
S≈0，分辨率得到提高（1－3um)
尘埃粒子的产生，导致掩膜版的损坏，降低成品率
天津工业大学
接触式曝光机
天津工业大学
Chap.8 光刻与刻蚀工艺
光刻的重要性及要求 光刻工艺流程 光刻工艺的分辨率及光刻胶 曝光光源、曝光方式以及掩膜版 湿法刻蚀与干法刻蚀技术
天津工业大学
1
2 3 4 5
光刻与刻蚀的定义
图形曝光（光刻，Photolithography） 图形加工 图形转移（刻蚀，Etching） 光刻工艺的重要性：
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。
理想的曝光图形
正胶
实际的曝光图形
微粒含量和金属含量
储存寿命
负胶
理想曝光图形与实际图形的差别
天津工业大学
§8.4 曝光系统
按光源分类：
紫外（UV） 曝 光 系 统
光学曝光系统
深紫外（DUV） 电子束曝光系统 非光学曝光系统 X射线曝光系统 离子束曝光系统
天津工业大学
8.4.1 紫外（UV）光源
研制大数值孔径光学透镜
0.2——0.85 —1.44(浸没光刻)
下一代光刻技术 NGL
1968 1971 1974 1977 1980 1983 1986 1989 1992 1995 1998
2001 2004 2007 2010 2013 2016
8.4.3 分辨率增强技术 RET
开发更短波长的 曝光光源
546 (e-line) ,436(g-line),365(i-line), 248(KrF), 193(ArF),157(F2),EUV 电子束(0.1-0.05Å),离子束,X射线
影得到的图形对比度越高。
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
天津工业大学
天津工业大学
正胶和负胶
天津工业大学
显影中可能存在的问题Leabharlann 天津工业大学显影设备
天津工业大学
喷洒显影液
天津工业大学
静止显影
天津工业大学
去除显影液
天津工业大学
天津工业大学
快速热处理及合金
天津工业大学
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，六甲基乙硅氧烷）来增加 黏附性
天津工业大学
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
MEF
RET
3 成 157nm F2 16 × 10 ML2 = maskless lithography 45 nm 16K IPL = ion projection lithography 度 EUV, EPL, ML2. 3 4 × 10 32 nm PXL = proximity x-ray lithography IPL，PXL，PEL PEL = proximity electron lithography 1×103 22 nm Next Generation Lithography Electron-Beam Lithography Electron-Beam Direct Writing Lithography
投影式曝光(projection system)
最小尺寸：Lmin＝0.61λ/NA （亚微米级工艺） 优点：1. 分辨率高； 2. 样品与掩膜版不接触，避 扫描方式： 1：1步进重复 M：1缩小的步进重复
免缺陷产生， 掩膜板不易损 坏，可仔细修整；
3. 可进行等比例缩小曝光 缺点：结构复杂，工艺要求 高，产率低
涂胶
前烘
曝光
显影
后烘
刻蚀
去胶
天津工业大学
硅片清洗
天津工业大学
预烘及涂增强剂
天津工业大学
涂胶
天津工业大学
前烘
天津工业大学
掩模版对准
天津工业大学
曝光
天津工业大学
曝光后烘培
天津工业大学
显影
天津工业大学
后烘及图形检测
天津工业大学
刻蚀
天津工业大学
刻蚀完成
天津工业大学
去胶
天津工业大学
离子注入
天津工业大学
特征尺寸与曝光波长
天津工业大学
8.4.2 曝光方式（Exposure）
接触式
曝 光 方 式 遮蔽式 Shade system 投影式 projection system Contact printer 接近式
proximity printer
天津工业大学
接近式曝光（proximity printer）
天津工业大学
天津工业大学
数值孔径（NA）
NA 2r0 / D n sin
NA表示透镜收集发散光的能力，NA越大，则能得到更 锐利的图形，从而得到更小的特征尺寸及更大的分辨率。
天津工业大学
M:1缩小的步进重复曝光
天津工业大学
天津工业大学
ASM 2500/5000 投影光刻机
天津工业大学
去离子水清洗
天津工业大学
显影全过程
天津工业大学
曝光后烘培
目的：降低驻波效应，形成均匀曝光
天津工业大学
曝光后烘培
天津工业大学
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)
正胶： rp
1 1 负胶： rn 0 i log10 ( Dc / D0 ) log10 ( Dg / Dg )
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
天津工业大学
其他特性
光敏度 膨胀性 抗刻蚀能力和热稳定性 黏着力 溶解度和黏滞度
1
2 掩膜版上 的图形 3
天津工业大学
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）
天津工业大学
§8.1 光刻工艺流程
对于微观粒子：能量一定，则粒子质量越大，分辨率越高 质量一定，则动能越高，分辨率越高
天津工业大学
光刻参数对工艺效果的影响
分辨率
曝光系统 衬底 掩膜 XX X X
对准
XX X X
片间控制
X XX －
批间控制
XX X X
产量
XX X X
光刻胶
显影剂 润湿剂 工艺 操作员
XX
X － X X
X
－ － X XX
水银弧光灯光源 i线（365nm） h线（405nm） g线（436nm） 缺点： 波长较长，限制分辨率 能量利用率低（2％） 准直性差
天津工业大学
深紫外（ DUV ）光源
KrF、ArF、F2准分子激光器
优点：更高有效能量，各向异性，准直，波长更短，空 间相干低，分辨率高
缺点：脉冲式发射，能量峰值大，易造成损伤
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
1 R (mm 1 ) 2L
天津工业大学
物理学意义：限制因素是衍射
光子：
L p h
h h 1 L ; Rmax p 2 p 2
粒子：
L
h 2 2m E
对于光子：波长越短，分辨率越高；
天津工业大学
光刻技术在IC流程中的重要性
天津工业大学
ULSI中对光刻的基本要求
高分辨率
高灵敏度的光刻胶
低缺陷
精密的套刻对准 对大尺寸硅片的加工
天津工业大学
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。
XX
XX XX XX XX
XX
XX X XX X
XX
X － XX XX
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§8.3 光刻胶的基本属性
正胶与负胶：
天津工业大学
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，同时也决定了光刻胶薄膜的其他物理 特性； 感光材料（PAC）：受光辐照后会发生化学反应，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（增加光吸收能力）等。
天津工业大学
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
天津工业大学
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）
天津工业大学
§8.2 分辨率(Resolution)
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）
天津工业大学
前烘方法
天津工业大学
显影
目的：显现出曝光后在光刻胶层中形成的潜在图形，显 影时曝光区和非曝光区的光刻胶溶解速度反差越大，显
天津工业大学
正胶与负胶
天津工业大学
正胶与负胶
负胶的缺点：显影过程为先溶胀再溶解，非曝光区树 脂的溶涨降低分辨率；溶剂（二甲苯）造成环境污染 正胶的优点：显影过程是逐层溶解，非曝光区不受影 响，分辨率高
天津工业大学
对比度
光刻胶膜厚——曝光剂量响应曲线 对比度： r (Y Y ) /( X X ) 2 1 2 1
天津工业大学
旋涂
天津工业大学
旋涂
天津工业大学
旋涂
天津工业大学
旋涂
天津工业大学
边沿清除
天津工业大学
边沿清除
天津工业大学
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）
天津工业大学
分辨率增强技术使光学光刻不断突破分辨率极限
1968 1971 1974 1977 1980 1983 1986 1989 1992 1995 1998 2001 2004 2007 2010 2013 2016
546nm E线 --10um 1×1012 1980年左右曾经有人预言：光刻线宽不能 8.0 um 接触式光刻 小于1微米；1989年曾经有预言：到 1997 256 ×109 光 5.0 um光学曝光区 436nm G线 10-2.0um 年光刻技术将走到尽头；1994年也曾经有 64×109 刻 3.0 um 接触式光刻 比较乐观的长期预测：2007年线宽达到 工 2.0 um 16×109 16G 436nm G 线 2.0--0.5um 0.1微米（保守的预计为0.5微米），这些9 艺 1.3 um Mask Error Factor 4×10 投影光刻 预测都被光刻技术神话般的进步的步伐远 特 9 1 × 10 0.8 um 掩模精度控制技术 365nm I线 0.08--0.28um 远抛在后头。 1G 征 256×106 0.5 um 投影光刻 尺 1980 光学光刻技术潜力挖掘区 64×106 0.35um 248nm KrF 0.5--0.13um 寸 6 16 × 10 0.25um 投影光刻 +OPC Resolution16M Enhancement Technology 6 4 × 10 0.18um 193nm ArF 0.18--0.1um 分辨率增强技术 1×106 芯 LFD Lithography Friendly Design rules 0.13um KrF+PSM +OPC+OAI 1M 256×103 片 与光刻工艺友好协同的设计技术 90 nm ArF +浸没透镜 EUV = extreme ultraviolet 64×103 集 65 nm +PSM +OPC+OAI EPL = electron projection lithography
接近式曝光（>3um）
由于光的衍射，导致最小线宽 LCD=1.4(Sλ)1/2 减少了掩膜版的损坏，但分辨 率受到限制。
天津工业大学
接触式曝光(contact printer)
接触式曝光
S≈0，分辨率得到提高（1－3um)
尘埃粒子的产生，导致掩膜版的损坏，降低成品率
天津工业大学
接触式曝光机
天津工业大学
Chap.8 光刻与刻蚀工艺
光刻的重要性及要求 光刻工艺流程 光刻工艺的分辨率及光刻胶 曝光光源、曝光方式以及掩膜版 湿法刻蚀与干法刻蚀技术
天津工业大学
1
2 3 4 5
光刻与刻蚀的定义
图形曝光（光刻，Photolithography） 图形加工 图形转移（刻蚀，Etching） 光刻工艺的重要性：