第一讲：紫外光刻技术
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光透过掩模版（ 要加工的图形） 光透过掩模版 （ 要加工的图形 ） ， 照射在涂有 光刻胶（ 光致抗蚀剂 ） 的被加工材料表面上 ， 利用 光刻胶 （ 光致抗蚀剂） 的被加工材料表面上， 光刻胶的感光性和抗蚀性， 经过化学显影， 光刻胶的感光性和抗蚀性 ， 经过化学显影 ， 制作出 与掩模版图形一致的光刻胶图形（正胶情况） 与掩模版图形一致的光刻胶图形（正胶情况）。 光刻是复制微细图形的最有效手段之一， 光刻是复制微细图形的最有效手段之一，是制 作超大规模集成电路芯片的核心技术。 作超大规模集成电路芯片的核心技术。
三．光刻工艺流程（以正胶为例） 光刻工艺流程
（1）基片清洁处理 ） （2）涂光刻胶 ） （3）前烘 ） 紫外光束
（4）曝光 ）
（5）显影 ） （6）坚膜（后烘） ）坚膜（后烘）
光刻工艺示意图（正胶、接触式） 光刻工艺示意图（正胶、接触式）
前烘温度与显影速率之间的关系
由上向下加热
由下向上加热
图形转移过程
• The layer of resist is exposed in specific areas through a mask. • Development washes away exposed resist. • In the additive process, material is deposited through the holes in the resist. • For a subtractive process, material is removed by ion milling through the holes in the resist. • In the final step, resist is removed.
根据光的衍射理论， 根据光的衍射理论，分布重复缩小投影曝光最小可分 辨线宽为 R=kλ R=kλ/NA NA为投影透镜的数值孔径内，NA=nsinθ，k为工艺系数， NA为投影透镜的数值孔径内， 为工艺系数， 为投影透镜的数值孔径内 对理想的透镜k=0.61,一般经验值k=0.8. 对理想的透镜k=0.61,一般经验值k=0.8. k=0.61,一般经验值 优点：完全避免了掩模的损伤问题 优点： 掩模图形制作相对容易。 掩模图形制作相对容易。
掩模版 光刻胶 基 片
正胶图形
负胶图形
图18. 显影后的正负光刻胶图形
光刻胶的特点： 光刻胶的特点： 正胶----分辨率较高 分辨率较高， 正胶 分辨率较高，感光灵敏度低 负胶----分辨率较差 分辨率较差， 负胶 分辨率较差，感光灵敏度高
4. g线和 线 线和i线 线和 g线和 线是 工艺的术语， 指曝光光源的波长。 线和I线是 工艺的术语， 指曝光光源的波长。 线和 线是IC工艺的术语 g线----0.436 um 线 i线----0.365 um 线 5. 曝光量 曝光量（或剂量） 曝光量（或剂量）：mJ/cm2
本人讲授的内容
♦光子束技术 光子束技术 ♦离子束技术 ♦应用实例（衍射光栅制作技术） 衍射光栅制作技术） 其它内容由沈连婠教授和田扬超教授讲授
光子束技术
紫外光刻 光Baidu Nhomakorabea光刻 极紫外光刻
(图形复制技术 图形复制技术) 图形复制技术
X射线光刻 射线光刻
第一讲 紫外光刻技术
一．基本概念
光刻（ 1．光刻（lithography）—图形转移技术 光刻 lithography） 图形转移技术
正胶----曝光时，受光照的部分， 正胶 曝光时，受光照的部分，光刻胶与光起光化 曝光时 学反应，使光刻胶的大分子链断裂， 学反应，使光刻胶的大分子链断裂，显影时 容易溶于显影液。 容易溶于显影液。显影后的光刻胶图形与掩 模版一致。 模版一致。 负胶----曝光时，受光照的部分，光刻胶与光起交联 负胶 曝光时，受光照的部分， 曝光时 反应，使光刻胶的分子连接起来， 反应，使光刻胶的分子连接起来，显影时未 曝光的部分易溶于显影液。 曝光的部分易溶于显影液。显影后的光刻胶 图形与掩模版图形相反。 图形与掩模版图形相反。
3.国家自然科学基金“变线密度光栅的研制和检测” 国家自然科学基金“变线密度光栅的研制和检测” 4.国家自然科学基金“高线密度自支撑透射光栅超微细加工技术研究” 国家自然科学基金“高线密度自支撑透射光栅超微细加工技术研究” 5.国家自然科学基金“探索变间距全息光栅新的研制及检测方法” 国家自然科学基金“探索变间距全息光栅新的研制及检测方法” 6.国家自然科学基金“X射线激光干涉仪用分束光栅研制” 国家自然科学基金“
原子力显微镜
台阶仪
微细加工技术
半导体技术 超大规模集成电路技术 微电子技术 微米技术 亚微米技术 纳米技术
从加工尺度上分类
微细加工技术
从加工方法上分类：．．．．．． 从加工方法上分类：．．．．．． ．．．．．． ．．．．．． “三束”技术: 光子束技 三束”技术 术 电子束技术 离子束技术
3. 投影式曝光技术
投影式曝光技术是将掩模图形通过 光学系统投影到基片上， 光学系统投影到基片上，掩模离基片 数厘米远。 数厘米远。
投影方式：1：1投影 投影方式： 缩小投影 投影曝光时，掩模与基片同步移动， 投影曝光时，掩模与基片同步移动，经过多次分布重复把整 个基片曝光完毕，因此也称为分布重复投影曝光或步进缩小投影 个基片曝光完毕， 曝光。缩小倍数： 曝光。缩小倍数：2.5, 5, 10.
衬底 图形
图17. 紫外光刻掩模 对不同的曝光光源，掩模的衬底和吸收体材料不一样！ 对不同的曝光光源，掩模的衬底和吸收体材料不一样！ 紫外光刻掩模的衬底一般是石英材料，吸收体为金属铬。 紫外光刻掩模的衬底一般是石英材料，吸收体为金属铬。
3.光刻胶 光刻胶
光刻胶是一种对某些波长感光灵敏的记录材料。 光刻胶是一种对某些波长感光灵敏的记录材料。 曝光后的光刻胶，经显影后形成浮雕图形。 曝光后的光刻胶，经显影后形成浮雕图形。 光刻胶的分类： 光刻胶的分类： 紫外光刻胶 按光源分类 X射线光刻胶 射线光刻胶 电子束胶 正胶 按性能分类： 按性能分类： 负胶
热板更适合生产线！ 热板更适合生产线！
可以看出两者之间的光刻分辨率的差别！ 可以看出两者之间的光刻分辨率的差别！
样品采用真空吸附固定；掩模固定，三维调节样品以保证对准。 样品采用真空吸附固定；掩模固定，三维调节样品以保证对准。
制作微透镜的有效方法
1.接触式曝光技术 1.接触式曝光技术
紫外光刻图形 截面照片
主要研究工作
二.与国防建设有关的衍射光栅研制
1.高线密度软X射线透射光栅研制（ICF诊断） 1.高线密度软X射线透射光栅研制（ICF诊断） 高线密度软 诊断 2.软 射线Mach-Zehnder干涉仪用闪耀光栅（ 射线激光） 2.软X射线Mach-Zehnder干涉仪用闪耀光栅（X射线激光） Mach 干涉仪用闪耀光栅 3.空间位置传感器用变间距光栅（飞机姿态闭环控制） 3.空间位置传感器用变间距光栅（飞机姿态闭环控制） 空间位置传感器用变间距光栅 4.X射线莫尔光栅（ 射线激光） 4.X射线莫尔光栅（X射线激光） 射线莫尔光栅 5.大口径衍射光学元件研制（863专项） 5.大口径衍射光学元件研制（863专项） 大口径衍射光学元件研制 专项 脉宽压缩光栅 光束采样光栅 谐波分离光栅 束匀滑位相片
主要研究工作
三.其它国家纵向课题
1.中科院知识创新工程项目“像差校正光栅的设计、制作和性能评价” 1.中科院知识创新工程项目“像差校正光栅的设计、制作和性能评价” 中科院知识创新工程项目 射线偏振测量基础技术研究” 2.国家自然科学重点基金“同步辐射软X射线偏振测量基础技术研究” 国家自然科学重点基金“同步辐射软 射线偏振测量基础技术研究
UV Light mask photoresist substrate
Exposure
Developing Deposition Ion Milling
Additive Finished Product
Subtractive Finished Product
2．掩模版 ．
把要加工的图形制作成透光衬底上的金属膜（ 吸收体） 把要加工的图形制作成透光衬底上的金属膜（ 吸收体） 图形，即为掩模。 图形，即为掩模。
接触式曝光技术是传统的 曝光技术。曝光时， 曝光技术。曝光时，采用加 压或真空吸附使掩模版与基 片紧密接触。 片紧密接触。 优点：分辨率较高 优点： 缺点：容易损伤掩模和光刻胶图形 缺点：
2．接近式曝光技术
为了克服接触式曝光容易 损伤掩模的缺点， 损伤掩模的缺点，使掩模与 基片保持一定间隙， 基片保持一定间隙，一般 10µm左右。 10µ 左右。 实际上由于掩模和基片都有一定的面形误差， 实际上由于掩模和基片都有一定的面形误差 ， 不可能是理想的平面， 不可能是理想的平面，在接触式曝光中掩模与基 片总有一定间隙。 片总有一定间隙。
自我介绍
付绍军 国家同步辐射实验室 电话：3602013，电子信箱 电话： ，电子信箱:sjfu@ustc.edu.cn 研究方向: 研究方向 衍射光学与技术 短波光学 超微细加工技术
机器部
国 家 同 步 辐 射 实 验 室
实验 X 实验 MCD实验 实验
实验部
主要研究工作
一.同步辐射衍射光栅研制
1.真空紫外球面闪耀光栅（燃烧光束线） 1.真空紫外球面闪耀光栅（燃烧光束线） 真空紫外球面闪耀光栅 2.真空紫外球面Laminar光栅（燃烧光束线） 2.真空紫外球面Laminar光栅（燃烧光束线） 真空紫外球面Laminar光栅 3.真空紫外柱面Laminar光栅（真空紫外圆二色线） 3.真空紫外柱面Laminar光栅（真空紫外圆二色线） 真空紫外柱面Laminar光栅 4.软 射线球面Laminar光栅（光电子能谱线） 4.软X射线球面Laminar光栅（光电子能谱线） Laminar光栅
三．光刻工艺流程（以正胶为例） 光刻工艺流程
（1）基片清洁处理 ） （2）涂光刻胶 ） （3）前烘 ） 紫外光束
（4）曝光 ）
（5）显影 ） （6）坚膜（后烘） ）坚膜（后烘）
光刻工艺示意图（正胶、接触式） 光刻工艺示意图（正胶、接触式）
前烘温度与显影速率之间的关系
由上向下加热
由下向上加热
图形转移过程
• The layer of resist is exposed in specific areas through a mask. • Development washes away exposed resist. • In the additive process, material is deposited through the holes in the resist. • For a subtractive process, material is removed by ion milling through the holes in the resist. • In the final step, resist is removed.
根据光的衍射理论， 根据光的衍射理论，分布重复缩小投影曝光最小可分 辨线宽为 R=kλ R=kλ/NA NA为投影透镜的数值孔径内，NA=nsinθ，k为工艺系数， NA为投影透镜的数值孔径内， 为工艺系数， 为投影透镜的数值孔径内 对理想的透镜k=0.61,一般经验值k=0.8. 对理想的透镜k=0.61,一般经验值k=0.8. k=0.61,一般经验值 优点：完全避免了掩模的损伤问题 优点： 掩模图形制作相对容易。 掩模图形制作相对容易。
掩模版 光刻胶 基 片
正胶图形
负胶图形
图18. 显影后的正负光刻胶图形
光刻胶的特点： 光刻胶的特点： 正胶----分辨率较高 分辨率较高， 正胶 分辨率较高，感光灵敏度低 负胶----分辨率较差 分辨率较差， 负胶 分辨率较差，感光灵敏度高
4. g线和 线 线和i线 线和 g线和 线是 工艺的术语， 指曝光光源的波长。 线和I线是 工艺的术语， 指曝光光源的波长。 线和 线是IC工艺的术语 g线----0.436 um 线 i线----0.365 um 线 5. 曝光量 曝光量（或剂量） 曝光量（或剂量）：mJ/cm2
本人讲授的内容
♦光子束技术 光子束技术 ♦离子束技术 ♦应用实例（衍射光栅制作技术） 衍射光栅制作技术） 其它内容由沈连婠教授和田扬超教授讲授
光子束技术
紫外光刻 光Baidu Nhomakorabea光刻 极紫外光刻
(图形复制技术 图形复制技术) 图形复制技术
X射线光刻 射线光刻
第一讲 紫外光刻技术
一．基本概念
光刻（ 1．光刻（lithography）—图形转移技术 光刻 lithography） 图形转移技术
正胶----曝光时，受光照的部分， 正胶 曝光时，受光照的部分，光刻胶与光起光化 曝光时 学反应，使光刻胶的大分子链断裂， 学反应，使光刻胶的大分子链断裂，显影时 容易溶于显影液。 容易溶于显影液。显影后的光刻胶图形与掩 模版一致。 模版一致。 负胶----曝光时，受光照的部分，光刻胶与光起交联 负胶 曝光时，受光照的部分， 曝光时 反应，使光刻胶的分子连接起来， 反应，使光刻胶的分子连接起来，显影时未 曝光的部分易溶于显影液。 曝光的部分易溶于显影液。显影后的光刻胶 图形与掩模版图形相反。 图形与掩模版图形相反。
3.国家自然科学基金“变线密度光栅的研制和检测” 国家自然科学基金“变线密度光栅的研制和检测” 4.国家自然科学基金“高线密度自支撑透射光栅超微细加工技术研究” 国家自然科学基金“高线密度自支撑透射光栅超微细加工技术研究” 5.国家自然科学基金“探索变间距全息光栅新的研制及检测方法” 国家自然科学基金“探索变间距全息光栅新的研制及检测方法” 6.国家自然科学基金“X射线激光干涉仪用分束光栅研制” 国家自然科学基金“
原子力显微镜
台阶仪
微细加工技术
半导体技术 超大规模集成电路技术 微电子技术 微米技术 亚微米技术 纳米技术
从加工尺度上分类
微细加工技术
从加工方法上分类：．．．．．． 从加工方法上分类：．．．．．． ．．．．．． ．．．．．． “三束”技术: 光子束技 三束”技术 术 电子束技术 离子束技术
3. 投影式曝光技术
投影式曝光技术是将掩模图形通过 光学系统投影到基片上， 光学系统投影到基片上，掩模离基片 数厘米远。 数厘米远。
投影方式：1：1投影 投影方式： 缩小投影 投影曝光时，掩模与基片同步移动， 投影曝光时，掩模与基片同步移动，经过多次分布重复把整 个基片曝光完毕，因此也称为分布重复投影曝光或步进缩小投影 个基片曝光完毕， 曝光。缩小倍数： 曝光。缩小倍数：2.5, 5, 10.
衬底 图形
图17. 紫外光刻掩模 对不同的曝光光源，掩模的衬底和吸收体材料不一样！ 对不同的曝光光源，掩模的衬底和吸收体材料不一样！ 紫外光刻掩模的衬底一般是石英材料，吸收体为金属铬。 紫外光刻掩模的衬底一般是石英材料，吸收体为金属铬。
3.光刻胶 光刻胶
光刻胶是一种对某些波长感光灵敏的记录材料。 光刻胶是一种对某些波长感光灵敏的记录材料。 曝光后的光刻胶，经显影后形成浮雕图形。 曝光后的光刻胶，经显影后形成浮雕图形。 光刻胶的分类： 光刻胶的分类： 紫外光刻胶 按光源分类 X射线光刻胶 射线光刻胶 电子束胶 正胶 按性能分类： 按性能分类： 负胶
热板更适合生产线！ 热板更适合生产线！
可以看出两者之间的光刻分辨率的差别！ 可以看出两者之间的光刻分辨率的差别！
样品采用真空吸附固定；掩模固定，三维调节样品以保证对准。 样品采用真空吸附固定；掩模固定，三维调节样品以保证对准。
制作微透镜的有效方法
1.接触式曝光技术 1.接触式曝光技术
紫外光刻图形 截面照片
主要研究工作
二.与国防建设有关的衍射光栅研制
1.高线密度软X射线透射光栅研制（ICF诊断） 1.高线密度软X射线透射光栅研制（ICF诊断） 高线密度软 诊断 2.软 射线Mach-Zehnder干涉仪用闪耀光栅（ 射线激光） 2.软X射线Mach-Zehnder干涉仪用闪耀光栅（X射线激光） Mach 干涉仪用闪耀光栅 3.空间位置传感器用变间距光栅（飞机姿态闭环控制） 3.空间位置传感器用变间距光栅（飞机姿态闭环控制） 空间位置传感器用变间距光栅 4.X射线莫尔光栅（ 射线激光） 4.X射线莫尔光栅（X射线激光） 射线莫尔光栅 5.大口径衍射光学元件研制（863专项） 5.大口径衍射光学元件研制（863专项） 大口径衍射光学元件研制 专项 脉宽压缩光栅 光束采样光栅 谐波分离光栅 束匀滑位相片
主要研究工作
三.其它国家纵向课题
1.中科院知识创新工程项目“像差校正光栅的设计、制作和性能评价” 1.中科院知识创新工程项目“像差校正光栅的设计、制作和性能评价” 中科院知识创新工程项目 射线偏振测量基础技术研究” 2.国家自然科学重点基金“同步辐射软X射线偏振测量基础技术研究” 国家自然科学重点基金“同步辐射软 射线偏振测量基础技术研究
UV Light mask photoresist substrate
Exposure
Developing Deposition Ion Milling
Additive Finished Product
Subtractive Finished Product
2．掩模版 ．
把要加工的图形制作成透光衬底上的金属膜（ 吸收体） 把要加工的图形制作成透光衬底上的金属膜（ 吸收体） 图形，即为掩模。 图形，即为掩模。
接触式曝光技术是传统的 曝光技术。曝光时， 曝光技术。曝光时，采用加 压或真空吸附使掩模版与基 片紧密接触。 片紧密接触。 优点：分辨率较高 优点： 缺点：容易损伤掩模和光刻胶图形 缺点：
2．接近式曝光技术
为了克服接触式曝光容易 损伤掩模的缺点， 损伤掩模的缺点，使掩模与 基片保持一定间隙， 基片保持一定间隙，一般 10µm左右。 10µ 左右。 实际上由于掩模和基片都有一定的面形误差， 实际上由于掩模和基片都有一定的面形误差 ， 不可能是理想的平面， 不可能是理想的平面，在接触式曝光中掩模与基 片总有一定间隙。 片总有一定间隙。
自我介绍
付绍军 国家同步辐射实验室 电话：3602013，电子信箱 电话： ，电子信箱:sjfu@ustc.edu.cn 研究方向: 研究方向 衍射光学与技术 短波光学 超微细加工技术
机器部
国 家 同 步 辐 射 实 验 室
实验 X 实验 MCD实验 实验
实验部
主要研究工作
一.同步辐射衍射光栅研制
1.真空紫外球面闪耀光栅（燃烧光束线） 1.真空紫外球面闪耀光栅（燃烧光束线） 真空紫外球面闪耀光栅 2.真空紫外球面Laminar光栅（燃烧光束线） 2.真空紫外球面Laminar光栅（燃烧光束线） 真空紫外球面Laminar光栅 3.真空紫外柱面Laminar光栅（真空紫外圆二色线） 3.真空紫外柱面Laminar光栅（真空紫外圆二色线） 真空紫外柱面Laminar光栅 4.软 射线球面Laminar光栅（光电子能谱线） 4.软X射线球面Laminar光栅（光电子能谱线） Laminar光栅