半导体工艺讲解

半导体工艺讲解（1）--掩模和光刻（上）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勺透镜组成）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）；除去水

b、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HMD?六

甲基二硅胺烷）。

2、涂底（Priming）

方法：a、气相成底膜的热板涂底。HMD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、HMD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 Coati ng )

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。

决定光刻胶涂胶厚度的关键参数：光刻胶的黏度(Viscosity )，黏度越低, 光刻胶的厚度越薄；旋转速度，速度越快，厚度越薄；

影响光刻胶厚度均运性的参数：旋转加速度，加速越快越均匀；与旋转加速的时间点有关。

一般旋涂光刻胶的厚度与曝光的光源波长有关 (因为不同级别的曝光波长对应不同的光刻胶种类和分辨率)：

I-line 最厚，约0.7?3卩m KrF的厚度约0.4?0.9卩m ArF的厚度约0.2

0.5 卩m

4、软烘(Soft Baking )

方法：真空热板，85?120C,30?60秒;

目的：除去溶剂(4?7% ;增强黏附性；释放光刻胶膜内的应力；防止光刻胶玷污设备；

边缘光刻胶的去除(EBR Edge Bead Removal)。光刻胶涂覆后，在硅片边缘的正反两面都会有光刻胶的堆积。边缘的光刻胶一般涂布不均匀，不能得到很好的图形，而且容易发生剥离(Peeling )而影响其它部分的图形。所以需要去除。

方法：a、化学的方法(Chemical EBR)。软烘后，用PGME或EGME去边溶剂，喷出少量在正反面边缘出，并小心控制不要到达光刻胶有效区域；b、光学方法(Optical EBR )。即硅片边缘曝光(WEE Wafer Edge Exposure )。在完成图形的曝光后，用激光曝光硅片边缘，然后在显影或特殊溶剂中溶解

5、对准并曝光(Alignment and Exposure )

对准方法：a、预对准，通过硅片上的notch或者flat进行激光自动对准; b、通过对准标志(Align Mark)，位于切割槽(Scribe Line)上。另外层间对准，即套刻精度(Overlay )，保证图形与硅片上已经存在的图形之间的对准。

曝光中最重要的两个参数是：曝光能量(En ergy)和焦距(Focus)。如果能量和焦距调整不好，就不能得到要求的分辨率和大小的图形。表现为图形的关键尺寸超出要求的范围。

曝光方法：a、接触式曝光(Con tact Printing )。掩膜板直接与光刻胶层接触。曝光出来的图形与掩膜板上的图形分辨率相当，设备简单。缺点：光刻胶污染掩膜板；掩膜板的磨损，寿命很低(只能使用5?25次)；1970前使

用，分辨率〉0.5卩m。

b、接近式曝光(Proximity Printing )。掩膜板与光刻胶层的略微分开，大约为10?50

y m可以避免与光刻胶直接接触而引起的掩膜板损伤。但是同时引入了衍射效应，降低了分辨率。1970后适用，但是其最大分辨率仅为2?4y m。

)。在掩膜板与光刻胶之间使用

C、投影式曝光(Projection Printing

透镜聚集光实现曝光。一般掩膜板的尺寸会以需要转移图形的4倍制作。优点:

提高了分辨率；掩膜板的制作更加容易；掩膜板上的缺陷影响减小。

投影式曝光分类:

扫描投影曝光(Scanning Project Printing )。70年代末?80年代初，〉工艺；掩膜板1:1，全尺寸；

步进重复投影曝光(Stepping-repeating Project Printing 或称作

Ste pp er)。80 年代末?90 年代，0.35 y m( I line )?0.25 y m( DUV。掩膜板缩小比例(4: 1)，曝光区域(Exposure Field ) 22x22mn(一次曝光所能覆盖的区域)。增加了棱镜系统的制作难度。

扫描步进投影曝光(Scanning-Stepping Project Printing )。90 年代末?至今，用于W 0.18 ym工艺。采用6英寸的掩膜板按照4: 1的比例曝光，曝光区域(Exposure Field )

26x33mm优点：增大了每次曝光的视场；提供硅片表面不平整的补偿；提高整个硅片的尺寸均匀性。但是，同时因为需要反向运动，增加了机械系统的精度要求。

在曝光过程中，需要对不同的参数和可能缺陷进行跟踪和控制，会用到检测控制芯片/控片(Monitor Chip)。根据不同的检测控制对象，可以分为以下几种：a、颗粒控片(Particle MC :用于芯片上微小颗粒的监控，使用前其颗粒数应小于10颗；b、卡盘颗粒控片(Chuck Particle MC ):测试光刻机上的卡盘平坦度的专用芯片，其平坦度要求非常高；

C、焦距控片(Focus MC :作为

光刻机监控焦距监控；d、关键尺寸控片(Critical Dimension MC :用于光刻

区关键尺寸稳定性的监控；e、光刻胶厚度控片(PhotoResist Thickness MC : 光刻胶厚度测量；f、光刻缺陷控片(PDM Photo Defect Monitor ):光刻胶缺陷监控。

举例：0.18 ym的CMO扫描步进光刻工艺。

光源：KrF氟化氪DUV光源(248nm);数值孔径NA 0.6?0.7 ；焦深DOF 0.7 ym

分辨率Resolution : 0.18 ?0.25 y m （—般采用了偏轴照明OAI_Off- Axis lllumination 和相移掩膜板技术PSM_Phase Shift Mask增强）；套刻精度

Overlay : 65nnr；产能Through put : 30 ?60wafers/hour （200mm；

视场尺寸 Field Size : 25x 32mm

6、后烘(PEE , Post Exposure Baking ) 方法：热板，110?1300C,1分钟。

目的：a 、减少驻波效应；b 、激发化学增强光刻胶的PAy 生的酸与光刻 胶上的保护基团发生反应并移除基团使之能溶解于显影液。

7、显影(Development )

方法：a 、整盒硅片浸没式显影(Batch Development )。缺点：显影液消耗 很大；显影的均匀性差；b 、连续喷雾显影(Continuous Spray Development ) / 自动旋转显影(Auto-rotation Development )。一个或多个喷嘴喷洒显影液在 硅片表面，同时硅片低速旋转(100?500rpm )。喷嘴喷雾模式和硅片旋转速度 是实现硅片间溶 解率和均匀性的可重复性的关键调节参数。C 、水坑(旋覆浸没) 式显影(Puddle Development )。喷覆足够(不能太多，最小化背面湿度)的显 影液到硅片表面，并形成水坑形状(显影液的流动保持较低，以减少边缘显影速 率的变 化)。硅片固定或慢慢旋转。一般采用多次旋覆显影液：第一次涂覆、 保持10?30秒、去除；第二次涂覆、保持、去除。然后用去离子水冲洗(去除 硅片两面的 所有化学品)并旋转甩干。优点：显影液用量少；硅片显影均匀； 最小化了温度梯度。

显影液：a 、正性光刻胶的显影液。正胶的显影液位碱性水溶液。KOH 和NaOH 因为会带来可 动离子污染(MIC, Movable Ion Contamination )，所以在IC 制造中一般不用。最普通的正胶显影液是四甲基氢氧化铵( TMAH (标准当量浓 度为0.26，温度15?2500。在I 线光刻胶曝光中会生成羧酸，TMAH1影液中 的碱与酸中和使曝光的光刻胶溶解于显影液，而未曝光的光刻胶没有影响；在化 学放大光刻 胶(CAR Chemical Am pl ified Resist )中包含的酚醛树脂以 PHS 形式存在。CAR 中的PAG^生

的酸会去除PHS 中的保护基团(t-BOC )，从而使 PHS 快速溶解于TMAffi b 、负性光刻

胶的显影液。

显影中的常见问题： 残留有光刻胶。显影液不足造成； 侧壁不垂直，由显影时间不足造成； 表面的光刻

胶被显影液过度溶解，形成台阶。显影时间太长。

8、硬烘(Hard Baking )

方法：热板，100?1300C(略高于玻璃化温度Tg ), 1?2分钟。

目的：a 、完全蒸发掉光刻胶里面的溶剂(以免在污染后续的离子注入环境， 例如DNQ 酚醛树脂 光刻胶中的氮会引起光刻胶局部爆裂)；b 、坚膜，以提高光 刻胶在离子注入或刻蚀中保护下表面的能力；C 、进一步增强光刻胶与硅片表面

。最曰 影液中。整个显影过程中，TMAH 没有同PHS 发生反应。 二甲苯。清洗液为乙酸丁脂或乙醇、三氯乙烯。

a 、显影不完全(IncompIete Development )。表面还

b 、显影不够(Un der Devel opment )。显影的

c 、过度显影(Over Development )。靠近

之间的黏附性；d 、进一步减少驻波效应(Standing Wave Effect )。

常见问题：a 、烘烤不足(Underbake )。减弱光刻胶的强度(抗刻蚀能力和 离子注入中 的阻挡能力)；降低针孔填充能力(Gap fill Ca pability for the needle hole );降低与基底的黏附能力。b 、烘烤过度(Overbake )。弓I 起光刻 胶的流动，使图形精度降低，分辨率变差。

另外还可以用深紫外线(DUV DeepUltra-Violet )坚膜。使正性光刻胶树 脂发生交联形成一层薄的表面硬壳， 增加光刻胶的热稳定性。在后面的等离子刻 蚀和离子注入(125?2000C 工艺中减少因光刻胶高温流动而引起分辨率的降低。

光学基础

光的反射(reflection )。光射到任何表面的时候都会发生反射，并且符合 反射定律：入射角等于反射角。在曝光的时候，光刻胶往往会在硅片表面或者 金属层发生反射，使不希望被曝光的光刻胶被曝光，从而造成图形复制的偏差。 常常需要用抗反射 涂层(ARC Anti-Reflective Coating )来改善因反射造成 的缺陷。

光的折射(refraction )。光通过一种透明介质进入到另一种透明介质的时 候，发生方 向的改变。主要是因为在两种介质中光的传播速度不同(入 直观来说是两种介质中光的入射角发生改变。所以我们在 90nm 工艺中利

用高折

射率的水 为介质(空气的折射率为1.0，而水的折射率为1.47)，采用浸入式 光刻技术，从而提高了分辨率。而且这种技术有可能将被沿用至 45nm 工艺节点。

光的衍射或者绕射(diffraction )。光在传播过程中遇到障碍物(小孔 或者轮廓分 明的边缘)时，会发生光传播路线的改变。曝光的时候，掩膜板上 有尺寸很小的图形而且间距很窄。 衍射会使光部分发散，导致光刻胶上不需要曝 光的区域被曝光。 衍射现象会造成分辨率的下降。

光的干涉(interferenee )。波的本质是正弦曲线。任何形式的正弦波只 要具有相同的频率就能相互干涉，即相长相消：相位相同，彼此相长；相位不同, 彼此相消。在曝光的过程中，反射光与折射光往往会发生干涉， 从而降低了图形 特征复制的分辨率。

)。用于定义明暗 对比度的参

数。即分辨掩膜板上明暗图形的

能力，与光线的衍射效应密切相关。 MTF=(Imax- Imi n)/(Imax+lmi n)，好的调制传输函数，就会得到更加陡直的光刻 胶显影图形，即有高的分辨率。临界调制传输函数

(CMTF,Critical Modulation Transfer Fun ction )。主要表征光刻胶本身曝光对比度的参数。即光刻胶分辨 透射光线明暗的能力。一般来说光路系统的调制传输函数必须大于光刻胶的临界 调制传输函数，即MTF>CMTF 数值孔径(NA, Numerical Aperture )。透镜收集衍射光(聚光)的能力。 NA=n*sin 0 =n*

=v/f ）。 调制传输函数（MTF, Modulation Transfer Function

(透镜半径/透镜焦长)。一般来说NA大小为0.5~0.85。提高数

值孔径的方法：1、提高介质折射率n,采用水代替空气；2、增大透镜的半径;

分辨率(Resolution )。区分临近最小尺寸图形的能力。

R=k入/(NA)=0.66/(n*sin 0 )。提高分辨率的方法：1、减小光源的波长；2、采

用高分辨率的光刻胶；3、增大透镜半径；4、采用高折射率的介质，即采用浸入式光刻技术；5、优化光学棱镜系统以提高k (0.4~0.7 )值(k是标志工艺水平的参数)。

焦深(DOF Depth of Focus )。表示焦点周围的范围，在该范围内图像连续地保持清晰。焦深是焦点上面和下面的范围，焦深应该穿越整个光刻胶层的上下表面，这样才能够保证光刻胶完全曝光。DOF=lk/(NA)2。增大焦深的方法：

1、增大光源的波长；

2、采用小的数值孔径；

3、利用CMPt行表面平坦化。由于前两种方法会降低分辨率，而分辨率是芯片制造所努力提升的重要参数，因此我们需要在看上去相互矛盾的两个方面做出某种平衡。一般在保证基本的焦深要求下不降低分辨率，即以分辨率为主。所以，现在一般采用CMP平坦化技术

保证足够的焦深。

掩膜板/光罩

掩膜板/光罩(Photo Mask/Reticle )硅片上的电路元件图形都来自于版图, 因此掩膜板的质量在光刻工艺中的扮演着非常重要的角色。

1、掩膜板的分类:

光掩膜板(Photo Mask)包含了整个硅片的芯片图形特征，进行1:1图形

复制。这种掩膜板用于比较老的接近式光刻和扫描对准投影机中。

投影掩膜板(Reticle )只包含硅片上的一部分图形(例如四个芯片)，

一般为缩小比例(一般为4：1)。需要步进重复来完成整个硅片的图形复制。

一般掩膜板为6X6inch( 152mm大小，厚度约为0.09 ” ~0.25 ”

(2.28mm~6.35mm。投影掩膜板的优点：1、投影掩膜板的特征尺寸较大(4X), 掩膜板制造更加容易；2、掩膜板上的缺陷会缩小转移到硅片上，对图形复制的危害减小；3、使曝光的均匀度提高。

2、掩膜板的制造:

掩膜板的基材一般为熔融石英(quartz )，这种材料对深紫外光(DUV KrF-248nm, ArF-193nm)具有高的光学透射，而且具有非常低的温度膨胀和低的内部缺陷。

掩膜板的掩蔽层一般为铬(Cr，Chromium)。在基材上面溅射一层铬，铬层的厚度一般为800~1000埃，在铬层上面需要涂布一层抗反射涂层(ARC

An ti-Reflective Coat ing

)。

制作过程：a、在石英表面溅射一层铬层，在铬层上旋涂一层电子束光刻胶;

b 、利用电子束（或激光）直写技术将图形转移到电子束光刻胶层上。电子源产 生许多电子，这些电子被加速并聚焦（通过磁方式或者电方式被聚焦） 成形投影 到电子束光刻胶上，扫描 形成所需要的图形；C 、曝光、显影；d 湿法或者干 法刻蚀（先进的掩膜板生产一般采用干法刻蚀）去掉铬薄层； e 、去除电子束光 刻胶；d 粘保护膜 （Mount Pellicle ）。保护掩膜板杜绝灰尘（Dust ）和微小 颗粒（Particle ）污染。保护膜被紧绷在一个密封框架上，在掩膜板上方约 5~10mm 保护膜对曝光光能是透明的，厚度约为 0.7~12卩m （乙酸硝基氯苯为 0.7卩m 聚酯碳氟化物为12卩m 。

3、掩膜板的损伤和污染

掩膜板是光刻复制图形的基准和蓝本，掩膜板上的任何缺陷都会对最终图形 精度产生严重的影响。所以掩膜板必须保持“完美”。

使用掩膜板存在许多损伤来源：掩膜板掉铬；表面擦伤，需要轻拿轻放；静 电放电（ESD ，在 掩膜板夹子上需要连一根导线到金属桌面，将产生的静电导 出。另外，不能用手触摸掩膜板；灰尘颗粒，在掩膜板盒打开的情况下，不准进 出掩膜板室（Mask Room ，在存取掩膜板时室内最多保持 2人。

因为掩膜板在整个制造工艺中的地位非常重要。 在生产线上，都会有掩膜板 管理系统（RTMS Reticle ManagementSystem ）来跟踪掩膜板的历史（History 八 现状（Status ）、位置（Location ）等相关信息，以便于掩膜板的管理。

光刻胶

光刻胶是一种有机化合物，它受紫外光曝光后，在显影液中的溶解度会发生 变化。一般光刻胶以液态涂覆在硅片表面上，曝光后烘烤成固态。

1、光刻胶的作用：a 、将掩膜板上的图形转移到硅片表面的氧化层中; 在后续工序中，保护下面的材料（刻蚀或离子注入）。

2、光刻胶的物理特性参数:

a 、分辨率（resolution ）。区别硅片表面相邻图形特征的能力。一般用 关键尺寸（CD Critical Dimension ）来衡量分辨率。形成的关键尺寸越小，光 刻胶的分辨率越好。

b 、对比度（Contrast ）。指光刻胶从曝光区到非曝光区过渡的陡度。对 比度越

好，形成图形的侧壁越陡峭，分辨率越好。

C 、敏感度（Se nsitivity ）。光刻胶上产生一个良好的图形所需一定波长 光的最

小能量值（或最小曝光量）。单位：毫焦 /平方厘米或mJ/cm2光刻胶的 敏感性对于波长更短的深紫外光（DUV 、极深紫外光（EUV 等尤为重要。

d 粘滞性/黏度（Viscosity ）。衡量光刻胶流动特性的参数。粘滞性随着 c 、 b 、

光刻胶中的 溶剂的减少而增加；高的粘滞性会产生厚的光刻胶；越小的粘滞性， 就有越均匀的光刻胶厚度。光刻胶的比重(SG Speeifie Gravity )是衡量光刻 胶的密度的指标。它与光刻胶中的固体含量有关。较大的比重意味着光刻胶中含 有更多的固体，粘滞性更高、流动性更差。粘度的单 位：泊(POise )，光刻胶 一般用厘泊(cps ,厘泊为1%白)来度量。百分泊即厘泊为绝对粘滞率；运动粘 滞率定义为：运动粘滞率=绝对粘滞率/比重。单位：百分斯托克斯(cs )= cps/SGo

e 、粘附性(Adhere nee )。表征光刻胶粘着于衬底的强度。光刻胶的粘附性 不足会导致硅片表面的图形变形。光刻胶的粘附性必须经受住后续工艺(刻蚀、 离子注入等)。

f 、抗蚀性(Anti-etchin

g )。光刻胶必须保持它的粘附性，在后续的刻 蚀工序中保

护衬底表面。耐热稳定性、抗刻蚀能力和抗离子轰击能力。

g 、表面张力(Surface Tension )。液体中将表面分子拉向液体主体内的 分子间吸引力。光刻胶应该具有比较小的表面张力， 使光刻胶具有良好的流动性 和覆盖。

h 、存储和传送(Storage and Transmission )。能量(光和热)可以激活 光刻胶。应该存储在密闭、低温、不透光的盒中。同时必须规定光刻胶的闲置期 限和存贮温度环境。一旦超过存储时间或较高的温度范围，负胶会发生交联，正 胶会发生感光延迟。

3、光刻胶的分类

a 、根据光刻胶按照如何响应紫外光的特性可以分为两类：负性光刻胶和正 性光刻胶。

负性光刻胶(Negative Photo Resist )。最早使用，一直到 20世纪70年 曝光区域发生交联，难溶于显影液。特性：良好的粘附能力、良好的阻挡作 感光速度快；显影时发生变形和膨胀。所以只能用于 2^m 的分辨率。

正性光刻胶(Positive Photo Resist )。20世纪70年代，有负性转用正

正性光刻胶的曝光区域更加容易溶解于显影液。特性：分辨率高、台阶覆盖 对比度好；粘附性差、抗刻蚀能力差、高成本。

b 、根据光刻胶能形成图形的最小光刻尺寸来分：传统光刻胶和化学放大光

刻胶。

传统光刻胶。适用于I 线(365nm )、H 线(405nm )和G 线(436nm )， 关键尺寸在0.35 um

及其以上。

化学放大光刻胶(CAR Chemical Amplified Resist )。适用于深紫 外线(DUV 波长的

光刻胶。KrF (248nm )和ArF (193nm )。

代。 性。

传统光刻胶：正胶和负胶。光刻胶的组成：树脂(resin/polymer )，光 不同材料的粘合剂，给与光刻胶的机械与化学性质(如粘附性、胶膜厚 度、热稳定性等)；感

光剂，感光剂对光能发生光化学反应；溶剂( Solve nt )，

保持 光刻胶的液体状态，使之具有良好的流动性；添加剂( Additive )，用以 改变光刻胶的某些特性，如改善光刻胶发生反射而添加染色剂等。

负性光刻胶。树脂是聚异戊二烯，一种天然的橡胶；溶剂是二甲苯； 感光剂

是一种经过曝光后释放出氮气的光敏剂，产生的自由基在橡胶分子间形成 交联。从而变得不溶于显影液。负性光刻胶在曝光区由溶剂引起泡涨；曝光时光 刻胶容易与氮气反应而抑制交联。

正性光刻胶。树脂是一种叫做线性酚醛树脂的酚醛甲醛， 提供光刻胶的

粘附性、化学抗蚀性， 当没有溶解抑制剂存在时，线性酚醛树脂会溶解在显影

液中；感光剂是光敏化合物(PAC Photo Active Compound ，最常见的是重氮 萘醌(DNQ ，在曝光前，DNQ 是一种强烈的溶解抑制剂，降低树脂的溶解速度。 在紫外曝光后，DNQ 在光刻胶中化学 分解，成为溶解度增强剂，大幅提高显影 液中的溶解度因子至100或者更高。这种曝光反应会在DNC 中产生羧酸，它在显 影液中溶解度很高。正性光刻胶具有很 好的对比度，所以生成的图形具有良好 的分辨率。

b 、化学放大光刻胶(CAR Chemical Amplified Resist

)。树脂是具有化

学基团保护(t-BOC )的聚乙烯(PHS 。有保护团的树脂不溶于水；感光剂是光 酸产生剂(PAG Photo Acid Generator )，光刻胶曝光后，在曝光区的 PAG 发 生光化学反应会产生一种酸。该酸在曝光后热烘( PEB Post Exposure Baking )

时，作为化学催化剂将树脂上的保护基团移走， 从而使曝光区域的光刻胶由原来 不溶于水转变为高度溶于以水为主要成分的显影液。化学放大光刻胶 曝光速度 非常快，大约是DNG 线性酚醛树脂光刻胶的10倍；对短波长光源具有很好的光 学敏感性；提供陡直侧墙，具有高的对比度；具有 0.25 um 及其以下尺寸的高 分辨率。 光源

光刻是光源发出的光通过掩膜板和透镜系统照射到光刻胶的特定部分并使 之曝光，以实现图形的复 制和转移。波长越小、得到的图形分辨率越高。 曝光 光源的另外一个重要参数就是光的强度。光强定义为单位面积上的功率

(mW/cm )，该光强应在光刻胶表 面测量。光强也可以被定义为能量：单位面 积上的光亮或亮度。曝光能量(剂量)=曝光强度X 曝光时间。单位：毫焦每平 方厘米(mJ/ cm2)。

电磁波谱：整个可见光和不可见的电磁波。 可见光谱(白光是所有可见光 4、 光刻胶的具体性质

a 、 刻胶中

谱波长的光组成）：390nm^ 780nm 紫外光谱：4nm-450nm;

常见光源有：汞灯和准分子激光。另外，在先进或某些特殊场合也会用到 其他曝光手段，如 电流通过装有氙汞气体的管子时，会产生电弧放电。电弧发射 出一个

特征光谱，包括波长处于 240nn ?500nm 之间的紫外辐射光谱。

一般来说，特定波长的光源对应特定性能的光刻胶。 在使用汞灯作光源时， 需要利用一套滤波器去除不需要的波长和红外波长。 所选择的波长应与硅片上的 关键尺寸相匹配。高压汞灯一般用于1线（365nm ）步进光刻机上。I line 用于 关键尺寸大于0.35 um 的图形。

2、准分子激光（Excimer Laser ）

20世纪80年代中期以来，激光光源以可以用于光学光刻。但是其可靠性和 性能影响其在硅片生产上的实施直至 90年代中期。其优点是可以提供较大的深 紫外光强。迄今唯一用于光学曝光的激光光源是准分子激光。

原理：准分子是不稳定分子，由惰性气体原子和卤素构成，如氟化氩（ArF ）。 这些分子只存在于准稳定激发态。当不稳定的准分子分解成两个组成原子时， 激发态发生衰减，同时发射出激光。激光器通过两个平板电极的高压（10?20kV ） 脉冲放电来激发高压惰性气体和卤素的混合物，使之维持着激发态的分子多于 基态分子。实现连续发射激光。第一步激发：Kr* + F2->KrF* +F ;第二步衰 减: KrF*->Kr + F + DUV

常见的准分子激光光源为248nm 的KrF （用于关键尺寸大于0.13 ^m 的图形） 和193nm 的ArF （用于关键尺寸大于0.08 ^m 的图形）。

光刻中常见的效应和概念

1、驻波效应(Standing Wave Effect )

现象：在光刻胶曝光的过程中，透射光与反射光（在基底或者表面）之间会 发生干涉。这种相同频率的光波之间的干涉，在光刻胶的曝光区域内出现相长相 消的条纹。光刻胶在显影后，在侧壁会产生波浪状的不平整

解决方案：a 、在光刻胶内加入染色剂，降低干涉现象； b 在光刻胶的上下 表面增加抗反射涂层（ARC Anti-Reflective Coating ） ； c 、后烘（PEE ，Post Exposure Baking ）和硬烘（HE ，Hard Baking ）。

2、摆线效应(Swing Curve Effect )

现象：在光刻胶曝光时，以相同的曝光剂量对不同厚度的光刻胶曝光，

从 而引起关键尺寸(CD Critical dimension )的误差。 X 射线、电子束和粒子束等。

1汞灯

(Mercury Lamp )

原理:

3、反射切口效应(Notching Effect )

现象：在光刻胶曝光时，由于接触孔尺寸的偏移等原因使入射光线直接照射到金属或多晶硅上发生发射，使不希望曝光的光刻胶被曝光，显影后，在光刻胶的底部出现缺口。

解决方案：a、提高套刻精度，防止接触孔打偏；b、涂覆抗反射涂层。

4、脚状图形(Footing Profiles )

现象：在光刻胶的底部，出现曝光不足。使显影后，底部有明显的光刻胶残留。

解决方案：a、妥善保管光刻胶，不要让其存放于碱性环境中；b、在涂覆光刻胶之前，硅片表面要清洗干净，防止硅基底上有碱性物质的残余。

5、T 型图形(T-Top Profiles )

现象：由于表面的感光剂不足而造成表层光刻胶的图形尺寸变窄。

解决方案：注意腔室中保持清洁，排除腔室中的碱性气体污染。

6 分辨率增强技术(RET Resolution En ha need Tech nology )

包括偏轴曝光(OAI，Off Axis Illumination )、相移掩膜板技术(PSM Phase Shift

Mask )、光学近似修正(OPC Optical Proximity Correction ) 以及光刻胶技术等。

a、偏轴曝光

改变光源入射光方向使之与掩膜板保持一定角度，可以改善光强分布的均匀性。但同时，光强有所削弱。

b、相移掩膜板技术(PSM Phase Shift Mask)

在掩膜板上，周期性地在相邻的图形中，每隔一个图形特征对掩膜板的结构(减薄或者加厚)进行改变，使相邻图形的相位相差180度，从而可以达到提升分辨率的目的。

相移掩膜板技术使掩膜板的制作难度和成本大幅增加。

C、光学近似修正(OPC Optical Proximity Correction )

在曝光过程中，往往会因为光学临近效应使最后的图形质量下降：线宽的变化；转角的圆化；线长的缩短等。需要采用“智能型掩膜板工程( Clever Mask Engineering )”来补偿这种尺寸变化。

7、显影后检测(ADI，After Development Inspection )

主要是检查硅片表面的缺陷。通常将一个无缺陷得标准图形存于电脑中，然后用每个芯片的图形与标准相比较，出现多少不同的点，就会在硅片的defect map中显示多少个缺陷。

8、抗反射涂层(ARC An ti-Reflective Coati ng

光刻胶照射到光刻胶上时，使光刻胶曝光。但同时，在光刻胶层的上下表面也会产生反射而产生切口效应和驻波效应。

a、底部抗反射涂层(BARC Bottom Anti-Reflective Coating )。将抗

反射涂层涂覆在光刻胶的底部来减少底部光的反射。

有两种涂层材料：有机抗反

射涂层(Organic )，在硅片表面旋涂，依靠有机层直接接

收掉入射光线；无机抗反射涂层(Inorganic )，在硅片表面利用等离子增强化学气相沉积(PECVD Plasma EnhancedChemical Vapour Deposition )形成。一般材料为：TiN 或SiN。通过特定波长相位相消而起作用，最重要的参数有：材料折射率、薄膜厚度等。

b、顶部抗反射涂层(TARC Top Anti-Reflective Coating )。不会吸收

光，而是通过光线之间相位相消来消除反射。为一层透明的薄膜。

下一代光刻技术

1、浸入式光刻技术(Immersion Lithography )

由公式R=k*入/(NA)= =k入/(n*sin a )，空气的折射率为1,水的折射率为1.47 (相对于193nm的深紫外光而言)；所以，用水来代替空气，可以提高光刻系统的数值孔径(NA Numerical Aperture )，最终可以提升分辨率。在ITRS2003版本中，增加了浸入式光刻，作为45nm节点的解决方案。近年，浸入式光刻发展非常迅猛，并获得了产业界持续发展的信心。在ITRS2005版本中, 已将浸入式光刻列为32nm甚至22nm节点的可能解决方案挑战：气泡问题(Water Bubble );温度不均匀(Temperature Effect )。下一步发展中的挑战在于研发高折射率的抗蚀剂、高折射率的液体和高折射率的光学材料。

2、深紫外光刻(DUV Deep Ultra-Violet Lithography )

通过缩小光源的波长来改善分辨率。F2的准分子激光光源157nrn 有望成 为50?70nm 的解决方案。需要同浸入式结合才有可能存在，而且可能性比较小 的选择。

挑战：易被氧气吸收，需要真空环境；光强比较弱，易被透镜吸收，折射 透镜系统设计非常复杂；高灵敏度的光刻胶。

3、极紫外光刻(EUV Extreme Ultra-Violet Lithography )

又称作软X 射线（Soft X-ray ）。极紫外光的波长为11?14nm 可以大幅 提升分辨率。由于极紫外光非常容易被吸收，所以光学系统（透镜等）和掩膜板 都要采用反射式传递图 形信息。光刻胶为PMMA 在ITRS2005版本中，已将EUV 光刻列为32nm 22nm 甚至16nm 节点的可能解决方案。

挑战：极紫外光容易被吸收，必须真空环境；掩膜板很特殊，制作困难；设 备的成本很高。

4、电子束直写光刻(EBL ， Electron Beam Direct-Write Lithography ) 电子束的能量越高，波长越短。一般为 0.1 nm 。利用尺寸非常小的电子束在 光刻胶上直写，不需要掩膜板。可以用电磁场聚焦，易于控制。现在用于掩膜板 的制作。光刻胶为PMMA 可以作为10nm 的潜在解决方案。

挑战：因为会发生电子散射而产生临近效应；常能低，大概

5、电子束投影光刻(EPL Electron Projection Lithography 采用掩膜板的电子束投影，其产能比较高。波长约

版本中，已经取消电子束投影光刻技术作为

45nm 节点以后的可能解决方案） 挑战：电子束的散射引起的临近效应。 &角度限制投影电子束光刻(SCAL PEJLScatteri ng with An gular Limitatio n E-beam Lithogra phy )

掩膜板的基底材料是铍（Be ），阻挡层是金（Au ）。通过对入射电子的不 同散射，使大散射 部分（通过阻挡层的电子），不会使光刻胶曝光。它的掩膜 板制作比极紫外光刻容易；具有大的焦深；可以用深紫外光刻胶； 100Kev 的能 量。（在ITRS2004版本中，已经将PEL 光刻技术撤销，因为该技术只是作为地 区性的解决方案）

7、离子束投影光刻(IPL ， Ion-Beam Projection Lithography )

与电子束直写光刻技术类似。不需要掩膜板，应用高能粒子束直写。粒子束 的散射没有电子束那么强，所以具有更好的分辨率。使用PMM 光刻胶。常用于: 1片/小时。

0.1 nm 。

(在 ITRS2004

掩膜板的修复；监测和修复IC 电路。（在ITRS2003版本中，已经将离子束投影 光刻技术撤销）

挑战：粒子束的产生没有电子束容易；产能很低。

8、紫外纳米压印光刻(UVNIL , Ultra-Violet Nanoimprint Lithography

紫外纳米压印技术是一种高产能、低成本、 辨率直接决定于模板的 分辨率。主要工艺过程: 曝光、脱模、反映离子刻蚀。图形精度可以达到 印作为32nm 、22nm 甚至16nm 的潜在解决方案。

9、双重图形光刻(Double Pattering Lithography )

将设计版图分成两块掩膜板以降低光刻图形间距要求的技术。在 ITRS2006修正版中，将双重图形光刻作为潜在的45nm 光刻解决方案之一。将 一套高密度的电路图分解成为两套独立的、 密度低一些的图形。它的基本步骤是 先印制一半的图形，显影， 刻蚀；然后重新旋涂一层光刻胶，再印制另一半的

图形，最后利用硬掩膜或者是选择性刻蚀来完成整个光刻过程。如果配合浸入式 光刻技术，可能将推至22nm 的水平

挑战：两次曝光之间的套刻精度；掩膜板的制作；产能降低 高分辨率的光刻技术。图形的分 模板制作、硅衬底滴胶、压印、 5nm ITRS2005中，紫外纳米压