微图形转移技术——光刻
光刻图形转移技术
光刻图形转移技术作者：张永平等来源：《上海师范大学海报·自然版》2014年第02期摘要：通过对预烘、光刻胶旋涂、软烘焙、对准曝光、后烘、显影、坚膜的光刻工艺过程分析，主要介绍了光刻工艺中容易出现的问题及解决方法，并通过实验和分析得出了可靠的技术方案.关键词：光刻；光刻工艺；光刻胶中图分类号： TN 29 文献标识码： A 文章编号： 10005137（2014）020132050引言光刻机是微电机系统（MEMS）与微光学器件（MOD）的完美结合，引发了一场微型化革命，从而使半导体芯片、电子器件和集成电路向着更高集成度方向发展.而光刻技术是芯片制造的关键，决定了芯片的最小尺寸[1].IC制造具有复杂的工艺链：晶圆制备、电路制造、封装等，其中电路制造过程最为复杂，包括气相沉积、光刻、刻蚀、离子注入、扩散和引线等.决定IC特征尺寸大小的关键和瓶颈技术就是其中的光刻环节.IC特征尺寸的变化与光刻技术的发展关系遵从着著名的摩尔定理[2-3].随着IC特征尺寸的减小，采用的曝光方式从接触式、接近式到投影式；光源从436、365、248 nm到193 nm；数值孔径从0.35、0.45、0.55、0.60到0.70 [4].当特征尺寸小于100 nm时，现有的工艺和光源都必须再次更新，如离轴照明技术、相移掩模技术、浸没透镜技术等作为目前提高光刻分辨率的新技术正被研究和应用，但提高仍然有限.为了更进一步提高光刻分辨率，延长光学光刻寿命，一系列下一代的光学光刻技术，包括x射线、离子束投影、无掩模、电子束投影和电子束直写等已被提出和研究[5-7].这些技术的共同特点是：寻求波长更短的光源；依旧采用光学光刻机理；阻挠光刻分辨率的半波长效应仍然存在；使用这些光源不仅本身具有相当大的技术难度和基础理论问题，而且在光学透镜系统的研制、掩模制造工艺、光刻工艺及资金投入等方面都在难度和数量上呈指数上升.因而，如何提高光刻工艺技术，探索更加优良的工艺方法成为了当前优化光刻图形、提高最小分辨率的研究趋势.光刻图形转移过程中，参数选取稍有不同，将引起光刻图形质量的严重变化，因而必须通过科学合理的设计实验，获得最佳光刻参数.1实验实验中使用的光刻胶为陶氏化学SPR995，正胶；光刻机是中国科学院光电技术研究所设计的I线接触式光刻机.选用2英寸蓝宝石衬底，经过划片、清洗、烘干后，进行光刻图形转移技术研究.首先在蓝宝石衬底上外延SiO2保护层或金属蒸发层，再利用匀胶机旋涂一层均匀的光刻胶.其中，匀胶6 s，甩胶20 s，匀胶机转速分别为500 r/min和2 500 r/min，胶膜层均匀，粘附良好，表面无颗粒无划痕.前烘，将衬底放在90℃的加热板上烘焙，前烘15 s，使胶膜内溶剂充分地挥发掉，使胶膜干燥，增加胶膜与SiO2或金属膜之间的粘附性和提高胶膜的耐磨性，不沾污掩模板，只有干燥的光刻胶才能充分进行光化学反应.接下来就是曝光，接触式曝光法，在专用的光刻机上，它包括“定位”和“曝光”两部分.预热紫外光灯（高压汞灯）使光源稳定，将光刻掩模板安装在支架上，使有图形的玻璃面向下，并把涂有光刻胶的蓝宝石衬底片放在可微调的工作台上，胶面朝上，在显微镜下仔细调节微动装置，使掩模板上的图形与样片相应的位置准确套合，复查是否对准，按下曝光，曝光15 s，取出已曝光的样品.在90℃条件下后烘15 s，然后显影，将曝光后的样品放进准备好的显影液中，将未感光部分的光刻胶溶除，以获得腐蚀时所需要的、有抗蚀剂保护的图形；显影40 s后，取出来漂洗，氮气吹干；接下来进行转移后的图形检查，保证光刻质量.坚膜，显影时光刻胶胶膜易发生软化、膨胀，显影后必须进行坚固胶膜的工作，坚固后可以使胶膜与SiO2层或金属蒸发层之间粘贴得更牢，以增强胶膜本身的抗蚀能力.坚膜后进行化学腐蚀或是干法刻蚀，将无光刻胶复盖的氧化层或金属蒸发层刻蚀掉，而有光刻胶覆盖的区域保存下来；得到理想的图形以后，去除覆盖在衬底表面的保护胶膜，一般使用化学试剂使其胶膜碳化脱落.用浓硫酸煮两遍使胶膜碳化脱落、冷却、用去离子水冲洗净. 最后检查光刻转移图形质量.2结果与分析根据光源的强弱、光源与衬底的距离、光刻胶性能和光刻图形尺寸大小选择曝光时间.一般情况下，先试曝光一片，显影后检查一下表面，看其图形是否清晰.（a）曝光不足：光刻胶反应不充分，显影时部分胶膜被溶解，显微镜下观察胶膜发黑，如图2所示；（b）而图3是由于曝光时间过长：使不感光部分的边缘微弱感光，产生“晕光”现象，边界模糊，出现皱纹.光强为9 MW时，曝光时间选择8～15 s[8]得到的图形质量最高.如图4，曝光时间的不合理同样影响光刻转移的图形质量.曝光时间短，使显影困难；曝光时间过长，显影后图形轮廓粗糙甚至脱胶.在曝光之后要对样品进行后烘处理，如果后烘的温度变化大且温区不均匀，容易使胶膜产生“热斑”造成曝光、显影不彻底而出现小岛之类的缺陷或者使胶膜的抗蚀性变差.显影过后，对样品冲洗不彻底还会使图形边缘出现锯齿缺陷.此外，试验工作人员的净化服处理不干净、工作环境净化条件差等，也会引入点缺陷.实验环境湿度太大，前烘不足，显影时间太长，很容易出现浮胶，引起胶膜脱落，如图5所示.图6是在光学显微镜下放大2 000倍的照片，观察到的光刻损伤主要是驻波效应（stand wave effect）.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.经过反复试验，得到了解决方案：（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，AntiReflective Coating）；（c）延长后烘（PEB，Post Exposure Baking）和硬烘（HB，Hard Baking）时间.由于光刻掩模胶由高分子材料组成，当将其由液态的胶旋涂在样片上，加工形成薄膜后，使用台阶仪测量其厚度在100 nm左右，而且胶膜中会经常产生针孔，如图7所示.在工艺过程中它会使光刻掩模胶覆盖下的材料在不该腐蚀掉的地方留下针孔，影响器件整体结构的完整性，从而引起器件的漏电、短路、特性变坏等不良后果.它的分布通常也是随机的，其密度与胶的品种、粘度、涂层厚度以及显影、冲洗时间和样片表面状况有关.胶膜越薄、粘度越小、显影冲洗时间越长或衬底片表面沾污越严重，针孔密度就越大，掩模胶的抗蚀能力也越差.需要通过基片清洗、掩模板清洗和增加胶膜厚度等方法解决[9].如图8所示，曝光处理后的图形质量很差，部分区域显影过度.这与涂敷光刻胶的均匀性、平整度以及光刻机曝光的均匀性都有很大的关系.解决这一工艺问题，先调整光刻胶的旋涂方法，再调节曝光时间、显影液浓度及显影时间来避免光刻转移图形质量差的问题.从图10的电子显微镜图片和图11的AFM图片来看，可以知道衍射条纹的深度（膜厚）、宽度，亦表征了光刻胶表面的平整度以及光刻切面立度.光刻胶的黏度比较大，也会导致表面的不平整[10].3结论光刻图形转移技术是未来发展纳米电子器件、纳米芯片的关键技术，是一种图形技术与图形刻蚀工艺相结合的综合性工艺，是平面工艺中至关重要的一步，其工艺质量是影响器件稳定性、可靠性及成品率的关键因素之一.所以，稳定可靠的光刻工艺是当前亟需技术，本研究针对当前存在的普遍技术难题给出了解决方案.参考文献：[1]简祺霞，王军，袁凯，等.光刻工艺中关键流程参数分析[J].微处理机，2011，32（6）：13-17.[2]LEEDS A R，VNAKEUERN E R，DUSRT M E，et al.Integration of microfluidic and microoptical elements using singlemask photolithographic step[J].Sensors and Actuators A，2004，115（2-3）：571-580.[3]WONG W H，LIU K K，CHAN K S，et al.Polymer device for photonicapplications[J].Journal of Crystal Growth，2006，288（1）：100-104.[4]丁玉成，刘红忠，卢秉恒，等.下一代光刻技术——压印光刻[J].机械工程学报，2007，43（3）：1-7.[5]BERNARD F.Advanced optical lithography development，from UV toEUV[J].Microelectronic Eng，2002，61（62）：11-24.[6]成立，王振宇，朱漪云.制备纳米级ULSI的极紫外光刻技术[J].半导体技术，2005，30（9）：28-33.[7]RICHARD H S，DONALD W S.Extreme Ultraviolet Lithography[J].IEEE Journal of Quantum Electronics，1998，16（6）：694-699.[8]郑金红.光刻胶的发展及应用[J].精细与专用化学，2006，14（16）：24-30.[9]汪继芳.光刻工艺稳定性研究[J].集成电路通讯，2005，23（1）：38-40.[10]邓涛，李平，邓光华.光刻工艺中缺陷来源的分析[J].半导体光电，2005，26（3）：229-231.Abstract： The process of the photolithography were introduced in this paper，including prebaking，the photoresist coating，soft baking，alignment and exposure，post-exposure baking，development，hard baking.Then we mainly discussed the problems in the photolithography process and the solutions of these problems. We did large number of experiments，and the results were carefully analyzed. Finally，reliable and stable solutions were provided via analyzis and experiments.Key words： photolithography； photolithography technique； photoresist（责任编辑：顾浩然）。
光刻成像设计的原理和应用
光刻成像设计的原理和应用1. 光刻成像的原理光刻成像是一种用于制造集成电路、光学器件等微纳米结构的关键工艺。
它通过使用光刻胶和光刻机将设计好的图形转移到器件表面上。
以下是光刻成像的原理：1.1 光刻胶的选择光刻胶是光刻过程中的关键材料，它通过光敏化作用将图形转移到器件表面上。
常用的光刻胶有正胶和负胶两种。
正胶的曝光后受到光的作用而变得溶解性增强，而负胶则是曝光后受光的作用而变得溶解性降低。
根据具体的应用需求和工艺要求，选择合适的光刻胶。
1.2 曝光和开发过程在光刻成像中，曝光是将光刻胶转化为溶解性变化的关键步骤。
通过在光刻机中使用适当波长和强度的紫外光照射光刻胶，使其发生化学和物理变化。
曝光后的光刻胶需要进行开发，即用化学溶剂将未曝光的部分去除，形成具有所需图形的光刻胶图案。
1.3 转移图案和衬底制备曝光和开发后，光刻胶中的图形被转移到器件表面上。
根据不同的应用需求，可以采用量子点、半导体材料等不同材料作为衬底。
衬底的选择和准备对于最终的器件性能有着重要影响。
2. 光刻成像的应用光刻技术在微纳米制造中的应用十分广泛，以下是光刻成像应用的一些典型例子：2.1 集成电路制造光刻成像是制造集成电路的重要步骤之一。
通过光刻胶和光刻机，将电路图案转移到硅片表面上，形成电路的各层结构，包括金属线、沟槽等。
2.2 光学器件制造光刻成像在光学器件制造中也有广泛应用。
例如，可以使用光刻技术制造光纤光栅、激光二极管等光学器件。
光刻技术可以实现对光学器件的精确图案转移，提高器件的光学性能。
2.3 生物芯片制造在生物芯片的制造中，光刻成像也起到关键作用。
通过光刻胶和光刻机，可以制造出具有微米尺度结构的生物芯片，用于生物实验和生物传感等领域。
2.4 微纳米结构制造光刻成像技术还可以制造出各种微纳米结构，如微电机、微流体芯片等。
这些微纳米结构在传感器、医疗器械等领域有着广泛的应用。
3. 光刻成像的发展趋势随着微纳米技术的发展，光刻成像技术也在不断进步和发展。
光刻的四条技术路线
光刻的四条技术路线
1. 接触式光刻（Contact Lithography）：此技术路线将掩模直接与光刻胶接触，通过紫外光照射来传导图案。
接触式光刻具有高分辨率和高精度的特点，但会产生掩模和光刻胶之间的化学反应。
2. 脱接触式光刻（Proximity Lithography）：在脱接触式光刻中，光刻胶和掩模之间仅存在微小的距离，而不接触彼此。
当紫外光照射时，通过距离短暂拉近并拉开来传递图案。
脱接触式光刻比接触式光刻更容易控制化学反应，但相对于接触式光刻的分辨率和精度较低。
3. 投影式光刻（Projection Lithography）：这是最常用的光刻技术路线之一。
先通过光学方式将掩模上的图案投射到光刻胶的表面上。
投影式光刻的特点是具有高分辨率和高通量，但需要复杂的光学系统。
4. 电子束光刻（Electron Beam Lithography，EBL）：电子束光刻是一种高分辨率光刻技术，利用聚焦的电子束直接写入图案。
电子束光刻具有非常高的分辨率，但速度较慢，适用于制造高级芯片和小批量生产。
这些光刻技术路线在微电子器件制造中起着重要的作用，根据不同的需求和应用领域选择合适的技术路线。
第五章：光刻
数值孔径
分辨率（R）
分辨率是将硅片上两个相邻的特征尺寸（或关键尺 寸）光刻胶图形区分开的能力。分辨率是光刻中一 个重要的性能指标。
k为工艺因子，范围是0.6～0.8， λ为光源的波长NA 为曝光系统的数值孔径 要提高曝光系统的分辨率即减小特征尺寸，就要降 低紫外光的波长λ
图中分辨率为0.25μm
涂胶/显影系统设备（AIO-700型）
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第五章 光 刻
光刻：
5.1 引 言
将掩膜版上的电路图形精确转移到硅片表面光刻
胶膜上的复制过程。
光刻是集成电路制造的关键工艺
掩膜版（Reticle或Mask）
材质—玻璃/石英，亚微米及以下技术—石英版， 石英版优点：透光性好、热膨胀系数低。
金属铬膜 — 版上不透光的图形
光刻是产生特征尺寸的工序
透 镜 光 学 系 统
数值孔径（NA）
透镜能够把一些衍射光会聚到一点成像，把透镜 收集衍射光的能力称为透镜的数值孔径。（ 通常 UV光通过掩膜版上的特征尺寸小孔会发生衍射 现象）
NA＝（n）Sinθm≈（n）×透镜半径/透镜焦长 n为图像介质的折射率，θm为主光轴与透镜边缘 光线的最大夹角。透镜半径越大数值孔径越大成 像效果越好。但受到镜头成本的限制。分步重复 光刻机和步进扫描光刻机的NA都能做到0.60～ 0.68的水平
（b）对比度好
3. 敏感度好（是指硅片表面光刻胶中产生良好图形 所需要的一定波长光的最小能量值，以mJ/cm2为 单位）
微图形讲义转移技术——光刻
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曝光
UV
显影
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光刻概述
《微电子学导论》课程报告题目：光刻工艺概述姓名：王泽卫学号：2011700214专业：材料科学与工程完成日期：2014年11月17日光刻工艺概述摘要：从半导体制造的初期，光刻就被认为是集成电路制造工艺发展的驱动力。
直到今天，集成电路正致力于把更多的器件和组合电路集成在一个芯片上，这种趋势仍在延续。
在半导体制造业发展的五十年来，正像摩尔定律所阐明的，相比于其他单个技术来说，光刻对芯片性能的发展有着革命性的贡献。
本文将从光刻的原理、工艺流程、以及目前先进的光刻工艺等几个方面对其进行介绍。
关键词：光刻原理、光刻工艺流程、先进光刻工艺一、光刻概述（一）光刻的概念及原理光刻就是利用照相复制与化学腐蚀相结合的技术，在工件表面制取精密、微细和复杂薄层图形的化学加工方法。
在光刻的过程中，使用光敏光刻胶材料和可控制的曝光在硅片表面形成三维图形。
光刻过程的其他说法是照相、光刻、掩膜、图形形成。
总的来说，光刻指的是将图形转移到转移到一个平面的任一复制过程。
因此，光刻有时就是指“复制”。
光刻的原理就是利用光致抗蚀剂(或称光刻胶)感光后因光化学反应而形成耐蚀性的特点，将掩模板上的图形刻制到被加工表面上。
在光刻的过程中，为获得令人满意的光刻图形，对光刻提出了几点要求：高分辨率；光刻胶高光敏性；精确对准；精确的工艺参数控制；低缺陷密度。
（二）光刻胶光刻胶也称为光致抗蚀剂，它是由感光树脂、增感剂和溶剂三部分组成的对光敏感的混合液体。
光刻胶主要用来将光刻掩模板上的图形转移到元件上。
根据光刻胶的化学反应机理和显影原理，可将其分为：正性光刻胶和负性光刻胶。
负性光刻胶把与掩膜版上图形相反的图形复制到硅片表面。
正性光刻胶把与掩膜版上相同的图形复制到硅片表面。
根据所能形成的图形的关键尺寸可将其分为：传统光刻胶（包括I线、G线和H线）和深紫外光刻胶。
传统的光刻胶只适用于线宽在0.35μm和以上的硅片非关键层，关键尺寸最小的是I线光刻胶。
深紫外光刻胶可用于制作0.25μm 及以下关键尺寸。
光刻的原理
光刻的原理光刻技术是一种利用光照射光刻胶层，并通过显影和蚀刻等工艺步骤，将芯片上的图形转移到硅片上的工艺。
光刻技术在半导体制造、集成电路、光学元件等领域有着广泛的应用，是微纳加工中至关重要的一环。
其原理主要涉及光的衍射、光的折射、光刻胶的光化学反应等多个方面。
在光刻的过程中，首先需要准备一块硅片作为基板，然后在硅片上涂覆一层光刻胶。
光刻胶的种类有很多，常见的有正胶和负胶。
正胶在紫外光照射后会变得容易溶解，而负胶则相反。
接着，通过掩膜板，将原始图形的信息传输到光刻胶上。
掩膜板上的图形是根据设计需求制作的，包括线宽、间距等尺寸参数。
当紫外光照射到光刻胶表面时，光的波长决定了最小可分辨的图形尺寸。
光波长越短，分辨率也就越高。
光照射到光刻胶上后，光会经过掩膜板的图形结构，产生衍射现象，最终在光刻胶表面形成图形。
而光的折射则决定了图形在光刻胶和硅片之间的投影位置，进而决定了最终图形的位置和形状。
光照射后，光刻胶会发生光化学反应，使得光刻胶在显影液中变得容易溶解。
通过显影，去除未经光照射的部分光刻胶，露出基板表面。
接着进行蚀刻，将露出的部分硅片进行蚀刻，形成所需的图形结构。
最后，清洗去除光刻胶残留，完成整个光刻工艺。
光刻技术的原理看似简单，实际操作却十分复杂。
光刻胶的选择、光源的参数、掩膜板的制作等都会影响最终的光刻效果。
而随着微纳加工技术的不断发展，光刻技术也在不断演进，越来越高的分辨率要求和更加复杂的图形结构，都对光刻技术提出了更高的要求。
总的来说，光刻技术作为微纳加工中的一项重要工艺，其原理虽然复杂，但却是实现微纳米级图形的关键。
通过精密的光学系统、优质的光刻胶和精准的掩膜板制作，光刻技术能够实现微米甚至纳米级的图形制作，为现代微电子学和光电子学的发展提供了强大的支持。
随着科技的不断进步，光刻技术也将不断完善和发展，为微纳加工领域的研究和应用带来更多的可能性。
光刻技术的发展进程
光刻技术的发展进程1.引言1.1 概述随着科技的飞速发展，光刻技术作为一种重要的微纳制造技术，正在广泛应用于半导体、光电子等领域。
光刻技术通过利用光的干涉、衍射和折射等现象，对光敏材料进行曝光，从而实现微米级甚至纳米级的精确图形转移。
其高解析度、高精度、高可重复性等特点使之成为当今先进制造领域的核心技术之一。
光刻技术的发展得益于半导体工艺的不断进步。
20世纪50年代初，随着集成电路的兴起，光刻技术开始被广泛应用于半导体芯片制造中。
其后，随着半导体工艺的不断演进，光刻技术的发展也日益迅猛。
从最早的传统光刻技术，逐渐发展到投影光刻技术、近场光刻技术等。
这些新技术的出现，使得光刻技术更加精确、高效，并且可应用于更小尺寸的器件制造。
光刻技术的进步对于微电子产业的发展具有重要意义。
现代电子产品对于器件尺寸的要求越来越苛刻，如目前的芯片工艺已经逐渐接近纳米级，而光刻技术则成为了实现这一要求的重要手段。
通过光刻技术，可以在半导体材料表面上精确制造出微小的电路图案，从而实现集成电路中的互连和功能器件的制造。
光刻技术的应用前景广阔。
随着人工智能、物联网、5G通信等技术的快速发展，对于更高性能、更小尺寸、更低功耗的集成电路需求也越来越大。
而光刻技术作为微纳制造的重要工艺之一，将继续发挥其巨大的作用。
预计未来，光刻技术将不断推动半导体工艺的发展，实现器件制造的更高精度和更小尺寸，满足不断升级换代的电子产品需求。
总而言之，光刻技术的发展进程与半导体工艺的演进紧密相连。
其作为一种核心的微纳制造技术，对于现代高性能集成电路和光电子器件的制造起着至关重要的作用。
未来，光刻技术将继续发展，并且在新兴领域的应用中发挥着越来越重要的作用。
1.2 文章结构文章结构:本文将按照以下结构来介绍光刻技术的发展进程。
首先，在引言部分，我们将概述本文的主要内容，介绍文章的结构和目的。
接下来，在正文部分，我们将先给出光刻技术的定义和背景，为读者提供一个整体的认识。
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