第八章光刻与刻蚀工艺
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08光刻与刻蚀-01
热板
26
27
曝光（ 曝光（ Expose ）
对准： 对准： 将具有图形的掩模 板放在光刻胶表面 并将图形对准。 并将图形对准。 与前面工艺形成的 图形进行套准。 图形进行套准。
28
曝光： 曝光： 用尽可能短的时间使光刻胶 充分感光， 充分感光，在显影后获得近 似垂直的光刻胶侧壁和可控 的线宽。 的线宽。 曝光前：正光刻胶的感光剂 曝光前： 不溶于水； 不溶于水； 曝光后， 曝光后，感光剂发生光化学 反应， 反应，在碱性中的溶解度增 加100倍，从而实现图形转 倍 移。
developer dispenser
vacuum chuck spindle
影响显影速率的因素： 影响显影速率的因素：
显影液的溶液、温度， 显影液的溶液、温度，光刻胶 的前烘条件和曝光量
31
32
33
坚膜：后烘（ 坚膜：后烘（ Post-bake） ）
去除显影后胶层内残留的溶 使胶膜坚固， 剂，使胶膜坚固，同时提高粘 附力和抗蚀性。 附力和抗蚀性。 烘烤条件 10～30min@100～140℃ ～ ～ ℃
18
• 如果在光刻胶上面放置具有一定图形的掩模 板，曝光后由于图形选择性感光，显影后在 曝光后由于图形选择性感光， 光刻胶上留下掩模板的图形。 光刻胶上留下掩模板的图形。
• 利用留下的光刻胶作为保护，再进一步对没 利用留下的光刻胶作为保护， 有光刻胶保护的区域进行刻蚀或离子注入。 有光刻胶保护的区域进行刻蚀或离子注入。 刻蚀或离子注入 • 实现了光刻胶上的图形转移到硅表面的过程。 实现了光刻胶上的图形转移到硅表面的过程。
13
• 光刻是集成电路工艺中的关键性技术，有力推 光刻是集成电路工艺中的关键性技术， 动了ULSI工艺的高速发展。 动了ULSI工艺的高速发展。 ULSI工艺的高速发展 • 光刻成本大约占整个工艺成本的1/3，光刻的分 光刻成本大约占整个工艺成本的1/3， 1/3 辨率（线宽） IC工艺水平的标志。 辨率（线宽）是IC工艺水平的标志。 工艺水平的标志 • 光刻技术涉及到光学、物理学、精密机械、自 光刻技术涉及到光学、物理学、精密机械、 动化控制以及电子技术， 动化控制以及电子技术，是要求极高的系统化 工业技术。 工业技术。 • 目前世界上的曝光机主要由日本及瑞士的三家 目前世界上的曝光机主要由日本及瑞士的三家 公司制造。 公司制造。 制造
集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺
胶和工艺的误差等，因此这是纯理论的分辨率。
任意粒子曝光的最高的分辨率
关于光束的线宽限制，对其他的粒子束同样适用。任何粒子束都具有波动性，即 德布罗意物质波，其波长λ与质量m、动能E的关系描述如下。粒子束的动能E为
其动量p 粒子束的波长
E 1 mV 2 2
phmV 2mE
由此，用粒子束可得到的 最 细线h 条为
、对比度
为了测量光刻胶的对比度，将一定厚度的光刻胶膜在不同的辐照剂量下曝光，然 后测量显影之后剩余光刻胶的膜厚，利用得到的光刻胶膜厚-曝光剂量响应曲线进行 计算就可以得到对比度。
光刻胶的对比度：不同的光刻胶膜厚-曝光剂量响应曲线的外推斜率。
Y2 Y1
X2 X1 光刻胶的对比度会直接影响到曝光后光刻胶膜的倾角和线宽。
根据对比度定义， Y2＝0，Y1=1.0，X2＝log10Dc，X1＝ log10Do。
正胶的对比度
p
1 log10 (Dc
Do )
Dc为完全除去正胶膜所需要的最小曝光剂量， Do为对正胶不产生曝光效果所允许的最大曝光剂量。
光刻胶的侧墙倾斜
在理想的曝光过程中，投到光刻胶上的辐照区域应该 等于掩模版上的透光区域，在其他区域应该没有辐照能 量。
显影方式与检测
目前广泛使用的显影的方式是喷洒方法。 可分为三个阶段： ①硅片被置于旋转台上，并且在硅片表面上喷洒显影液； ②然后硅片将在静止的状态下进行显影； ③显影完成之后，需要经过漂洗，之后再旋干。
喷洒方法的优点在于它可以满足工艺流水线的要求。
显影之后，一般要通过光学显微镜、扫描电镜(SEM)或者激光系统来检查图形的 尺寸是否满足要求。
8.3、光刻胶的基本属性
光学光刻胶通常包含有三种成份： ①聚合物材料(树脂)：附着性和抗腐蚀性 ②感光材料：感光剂 ③溶剂：使光刻胶保持为液态
任意粒子曝光的最高的分辨率
关于光束的线宽限制，对其他的粒子束同样适用。任何粒子束都具有波动性，即 德布罗意物质波，其波长λ与质量m、动能E的关系描述如下。粒子束的动能E为
其动量p 粒子束的波长
E 1 mV 2 2
phmV 2mE
由此，用粒子束可得到的 最 细线h 条为
、对比度
为了测量光刻胶的对比度，将一定厚度的光刻胶膜在不同的辐照剂量下曝光，然 后测量显影之后剩余光刻胶的膜厚，利用得到的光刻胶膜厚-曝光剂量响应曲线进行 计算就可以得到对比度。
光刻胶的对比度：不同的光刻胶膜厚-曝光剂量响应曲线的外推斜率。
Y2 Y1
X2 X1 光刻胶的对比度会直接影响到曝光后光刻胶膜的倾角和线宽。
根据对比度定义， Y2＝0，Y1=1.0，X2＝log10Dc，X1＝ log10Do。
正胶的对比度
p
1 log10 (Dc
Do )
Dc为完全除去正胶膜所需要的最小曝光剂量， Do为对正胶不产生曝光效果所允许的最大曝光剂量。
光刻胶的侧墙倾斜
在理想的曝光过程中，投到光刻胶上的辐照区域应该 等于掩模版上的透光区域，在其他区域应该没有辐照能 量。
显影方式与检测
目前广泛使用的显影的方式是喷洒方法。 可分为三个阶段： ①硅片被置于旋转台上，并且在硅片表面上喷洒显影液； ②然后硅片将在静止的状态下进行显影； ③显影完成之后，需要经过漂洗，之后再旋干。
喷洒方法的优点在于它可以满足工艺流水线的要求。
显影之后，一般要通过光学显微镜、扫描电镜(SEM)或者激光系统来检查图形的 尺寸是否满足要求。
8.3、光刻胶的基本属性
光学光刻胶通常包含有三种成份： ①聚合物材料(树脂)：附着性和抗腐蚀性 ②感光材料：感光剂 ③溶剂：使光刻胶保持为液态
光刻与刻蚀工艺流程
光刻与刻蚀工艺流程光刻和刻蚀是微电子加工过程中常用的两个工艺步骤。
光刻用于创建芯片上的图案，而刻蚀则用于移除不需要的材料。
以下是光刻和刻蚀的工艺流程。
光刻工艺流程：1.沉积光刻胶：首先，在硅片上沉积一层光刻胶。
这是一个具有高度选择性和可重复性的光敏聚合物材料，能够在曝光过程中改变化学性质。
2.乾燥和前处理：将光刻胶乾燥，然后对其进行前处理，例如去除表面的污垢和残留物。
3.涂布光刻胶：用涂胶机将光刻胶均匀地涂布在硅片的表面。
4.烘烤：将涂覆有光刻胶的硅片进行烘烤，以去除溶剂并使光刻胶层变得坚硬和耐久。
5.对位：将掩模对位仪对准硅片上的光刻胶层，确保光刻胶上的图案与所需的芯片图案完全一致。
6.曝光：通过紫外线照射机将光传递到光刻胶上，使其形成与掩模图案相同的图案。
7.显影：使用显影液处理光刻胶，显影液会将未曝光的部分光刻胶溶解掉，只留下曝光过的部分。
刻蚀工艺流程：1.腐蚀栅极：首先，通过化学腐蚀将栅极区域的金属材料去除，只保留未覆盖的部分，以便后续步骤。
2.沉积绝缘层：然后，在晶圆上沉积一层绝缘层材料，用以隔离电路的不同层次。
3.涂胶和曝光：使用同样的光刻胶工艺，在绝缘层表面涂覆光刻胶，并将掩模对位仪对准绝缘层上的光刻胶层。
4.显影：通过显影液处理光刻胶，保留所需的图案，暴露绝缘层。
5.刻蚀绝缘层：使用化学腐蚀或物理刻蚀技术，将未被光刻胶保护的绝缘层材料去除，使其与下方的层次保持相同的图案。
6.清洗和检验：最后，对晶圆进行清洗，以去除残留的光刻胶和刻蚀剂。
然后，对刻蚀图案进行检验，确保其质量和精确度。
这就是光刻和刻蚀的工艺流程。
通过这些步骤，可以在微电子芯片上创建复杂的电路和结构，以实现功能丰富的科技产品。
光刻与刻蚀工艺
洁净室（1）
洁净室（2）
洁净室的等级定义方式：
（1）英制系统：
• 每立方英尺中直径大于或等于0.5um的尘埃粒子总数 不准超过设计等级数值。
（2）公制系统
• 每立方米中直径大于或等于0.5um的尘埃粒子总数不 准超过设计等级数值（以指数计算，底数为10）。
洁净室（3）
例子：
（1）等级为100的洁净室（英制），直径大于 或等于0.5um的尘埃粒子总数不超过100个/ft3
坚膜的目的
去除光刻胶中剩余的溶剂，增强光刻胶对硅片表 面的附着力
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
5、坚膜
—显影后必须进一步增强光刻胶粘附力
（5）腐蚀
光刻胶 SiO2
Si
6、去胶
SiO2
Si （6）去胶
6、去胶
经过刻蚀或离子注入后，将光刻胶从表面除去 去胶方法
显影方式：
浸渍显影； 旋转喷雾显影
影响显影效果的因素 ：
a.曝光时间； b.前烘的温度和时间； c.光刻胶的厚度； d.显影液的浓度； e.显影液的温度； f.显影液的搅拌情况
4、显影（Development）
4、显影（Development）
显影之后的检查 掩膜版选用是否正确
基本光刻技术
*实际工艺中正胶用的比较多，why?
a.分辨率高 b.抗干法腐蚀的能力较强 c.抗热处理的能力强 d.可用水溶液显影，溶涨现象小 e.可涂得较厚(2-3um)不影响分辨率，有较好台
阶覆盖性 f.适合1：1及缩小的投影光刻 负胶也有一些优点，如: 粘附性好，抗湿法腐蚀
接近式曝光
• 可以减小掩膜版损伤 • 间隙会在掩膜版图案边缘造成光学衍射 • 分辨率降低至2um～5um
光刻与刻蚀工艺
光刻工艺的基本步骤
涂胶
将光刻胶涂敷在硅片表面，以形成 光刻胶层。
烘烤
通过烘烤使光刻胶层干燥并固化。
曝光
将掩膜版上的图形对准硅片上的光 刻胶层，并使用曝光设备将图形转 移到光刻胶上。
显影
使用显影液将曝光后的光刻胶进行 化学处理，使图形更加清晰地展现 出来。
光刻工艺的重要性
光刻工艺是半导体制造中的关键环节，直接影响芯片的制造 质量和性能。
非接触式光刻
投影式非接触
利用光学系统将掩膜板上的图像投影到光刻胶涂层上，优点是无需直接接触，缺点是难度较高，需要精确的控 制系统。
电子束光刻
利用电子束在光刻胶上直接曝光，优点是分辨率高、无需掩膜板，缺点是生产效率低。
投影式光刻
接触式投影
掩膜板与光刻胶涂层之间保持接触，通过投影系统将图像投影到光刻胶上，优点是操作简单、高效， 缺点是图像质量可能受到掩膜板损伤和光刻胶污染的影响。
涂胶/显影技术
01
02
03
涂胶
在晶圆表面涂上一层光敏 胶，以保护非曝光区域并 提高图像对比度。
显影
用适当的溶剂去除曝光区 域的光敏胶，以形成所需 的图案。
控制胶厚
保持胶厚均匀，以避免图 像的扭曲和失真。
烘烤与曝光技术
烘烤
通过加热去除晶圆表面的湿气，以提高光敏胶的灵敏度和图像质 量。
曝光
将掩模图像投影到光敏胶上，通过光化学反应将图像转移到晶圆 上。
扫描投影
利用扫描系统将掩膜板上的图像投影到光刻胶上，优点是分辨率高、生产效率高，缺点是需要精确的 控制系统和高质量的掩膜板。
03
光刻工艺中的关键技术
光学系统
紫外光源
产生短波长的光，以获得更好的分辨率和更来自的 特征尺寸。反射镜和透镜
第八章光刻与刻蚀工艺模板
第八章光刻与刻蚀工艺模板光刻与刻蚀工艺是现代集成电路制造中的重要工艺环节之一、光刻技术用于在硅片上制作电路图形，而刻蚀技术则用于去除不需要的材料，以形成所需的电路结构。
本章将介绍光刻与刻蚀工艺的基本原理及常见的工艺模板。
一、光刻工艺模板在光刻工艺中，需要使用光刻胶作为图形保护层，以及光罩作为图形的模板。
光刻模板通常由硅片或光刻胶制成，可以通过不同的工艺步骤来实现具体的图形需求。
1.硅片模板硅片模板是一种常见的光刻工艺模板，它的制作过程相对简单。
首先，将一块纯净的硅片进行氧化处理，形成硅的氧化层。
然后，在氧化层上通过光刻技术制作所需的图形。
最后，使用化学刻蚀方法去除不需要的硅的氧化层，就可以得到所需的硅片模板。
硅片模板具有较好的精度和可靠性，能够满足微纳加工的要求。
然而，硅片模板制作过程复杂，成本较高。
2.光刻胶模板光刻胶模板是利用光刻胶作为模板材料的一种工艺模板。
光刻胶是一种感光性的聚合物材料，可以在光照的作用下发生化学反应。
在光刻工艺中，首先将光刻胶涂覆在硅片上，然后通过光刻曝光将所需的图形转移到光刻胶上。
接下来，使用化学方法或溶剂去除不需要的光刻胶，就可以得到所需的光刻胶模板。
光刻胶模板制作过程简单，成本较低。
同时，光刻胶模板的精度较高，可以满足微纳加工的要求。
然而，光刻胶模板的使用寿命较短，通常只能使用几次。
在刻蚀工艺中，需要使用刻蚀胶作为图形保护层，以及刻蚀模板作为图形的模板。
刻蚀模板通常由硅片或光刻胶制成，可以通过不同的工艺步骤来实现具体的图形需求。
1.硅片模板硅片模板在刻蚀工艺中的制作方法与光刻工艺类似。
首先，在硅片上通过光刻技术制作所需的图形，然后使用化学刻蚀方法去除不需要的硅材料，就可以得到所需的刻蚀模板。
硅片模板具有较高的精度和可靠性，可以满足微纳加工的要求。
然而，硅片模板制作过程复杂，成本较高。
2.光刻胶模板光刻胶模板在刻蚀工艺中的制作方法与光刻工艺类似。
首先，将光刻胶涂覆在硅片上，然后通过光刻曝光将所需的图形转移到光刻胶上。
半导体工艺(第8章)刻蚀
典型的氧化去胶是H2SO4 ：H2O2=3：1；
优点：
洗涤过程十分简单，即用去离子水冲洗即 可；
但要注意，氧化剂对衬底表面也有腐蚀作 用（十分轻微）；
等离子体去胶
一种近几年发展起来的一种新工艺； 不需要化学试剂，也不需要加温，因此，
器件的结构性和金属铝层都不受影响； 这对提高产品质量和可靠性有好处；
干法刻蚀是指以气体为主要媒体的刻蚀技 术，晶圆不需要液体化学品或冲洗，刻蚀 过程在干燥的状态进出系统；
干法刻蚀种类
等离子体刻蚀（以化学反应为主，较少采
用）
物理刻蚀（物理溅射作用） 反应离子刻蚀（既有化学反应，又有物理
溅射）
等离子体概念：
当对一个低压强的容器内的气体施加电压 时，这些原本中性的气体分子将被激发或 离解成各种不同的带电粒子（离子、原子 团、分子及电子）。这些离子便称为等离 子体；
如果用CF4或其他含氟的气体来进行刻蚀， 则选择性较差；
以CF3为例， 对SiO2与Si的刻蚀选择性在 10以上，但是对Si3N4与Si的刻蚀选择性仅 在3~5之间，对Si3N4与SiO2的选择性仅在 2~4之间。故近期改用NF3的等离子体进行 刻蚀，结果比较理想；
多晶硅的刻蚀
多晶硅的刻蚀比Si3N4和SiO2要复杂得多； 多晶硅栅极本身由两层不同材料组成（多
原理：
系统中通入氧气，在外加高频电磁场作用 下，氧气电离，形成等离子区；
其中活化的原子态氧约占10%~20%，他们 活性活泼，氧化能力强，与光刻胶发生反 应；
一些易于氧化的材料，用湿法清洗很容易 被氧化，如果改用干法洗，就可以避免这 一缺陷；
目前用得最多的是干法刻蚀的反应室，可 以与淀积金属的薄膜反应实相连接，经干 法清洗以去除硅片表面氧化层后，可以保 持在真空状态下，再进行表面镀膜；
第八章光刻8
第八章 光刻与刻蚀工艺
光刻是集成电路工艺中的关键性技 术，由于光刻技术的不断更新，推 动了ULSI的高速发展。
1958年，光刻技术的发明，研制 成功平面晶体管，推动了集成电 路的发明。
由1959年集成电路发明至今的40 多年里，集成电路的集成度不断 提高，器件的特征尺寸不断减小。 这个时期中，集成电路图形的线 宽缩小了4个数量级，集成度提 高了6个数量级，这一切都归功 于光刻技术的进步。
光刻的工艺流程
1涂胶：是在Si片或其它薄膜表面， 涂上一层粘附良好，厚度适当，均 匀的光刻胶膜。
脱水烘焙 方法：旋转法 步骤：喷胶——加速——保持
前烘：
是使胶膜体内溶剂充分地挥发，使胶 膜干燥以增加胶膜与SiO2膜（或金属 膜）的粘附性和胶膜的耐磨性，即在 曝光对准时允许胶膜与掩模版有一定 紧贴而不磨损胶膜，不沾污掩模版； 同时，只有光刻胶干燥，在曝光时才 能充分进行光化学反应。
在甩胶和和前烘后，在光刻胶上甩上一层 对比增强层。这层通常是不透明的，但在 投影曝光系统中，不透明对比增强层在强 光的作用下变为透明，光线通过透明的对 比增强层对下面的光刻胶曝光。
在曝光中，不透明的对比增强层可以吸收 衍射光线。
对比增强层直接与光刻胶接触，它的作用 类似接触式曝光中的掩模版，达到接触式 曝光的效果，而不受其限制。
含有高浓度P的SiO2表面，使光刻胶粘附 变差,在P扩散后进行光刻时容易出现浮胶 或钻蚀。
增强黏附方法：对硅片进行脱水处理、 使用增黏剂、提高坚膜的温度
8.3 光刻胶的基本属性(溶解度 和黏滞度)
光刻胶由溶剂溶解了固态物质所 形成的液体，其中溶解的固态物 质所占的比重为溶解度
溶解度决定甩胶后所形成的光刻 胶的厚度以及光刻胶的流动性。
光刻是集成电路工艺中的关键性技 术，由于光刻技术的不断更新，推 动了ULSI的高速发展。
1958年，光刻技术的发明，研制 成功平面晶体管，推动了集成电 路的发明。
由1959年集成电路发明至今的40 多年里，集成电路的集成度不断 提高，器件的特征尺寸不断减小。 这个时期中，集成电路图形的线 宽缩小了4个数量级，集成度提 高了6个数量级，这一切都归功 于光刻技术的进步。
光刻的工艺流程
1涂胶：是在Si片或其它薄膜表面， 涂上一层粘附良好，厚度适当，均 匀的光刻胶膜。
脱水烘焙 方法：旋转法 步骤：喷胶——加速——保持
前烘：
是使胶膜体内溶剂充分地挥发，使胶 膜干燥以增加胶膜与SiO2膜（或金属 膜）的粘附性和胶膜的耐磨性，即在 曝光对准时允许胶膜与掩模版有一定 紧贴而不磨损胶膜，不沾污掩模版； 同时，只有光刻胶干燥，在曝光时才 能充分进行光化学反应。
在甩胶和和前烘后，在光刻胶上甩上一层 对比增强层。这层通常是不透明的，但在 投影曝光系统中，不透明对比增强层在强 光的作用下变为透明，光线通过透明的对 比增强层对下面的光刻胶曝光。
在曝光中，不透明的对比增强层可以吸收 衍射光线。
对比增强层直接与光刻胶接触，它的作用 类似接触式曝光中的掩模版，达到接触式 曝光的效果，而不受其限制。
含有高浓度P的SiO2表面，使光刻胶粘附 变差,在P扩散后进行光刻时容易出现浮胶 或钻蚀。
增强黏附方法：对硅片进行脱水处理、 使用增黏剂、提高坚膜的温度
8.3 光刻胶的基本属性(溶解度 和黏滞度)
光刻胶由溶剂溶解了固态物质所 形成的液体，其中溶解的固态物 质所占的比重为溶解度
溶解度决定甩胶后所形成的光刻 胶的厚度以及光刻胶的流动性。
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n 深亚微米器件（尘埃尺寸为0.1μm） 10级：≤350，光刻、制版； 1级：≤ 35，光刻、制版；
第八章光刻与刻蚀工艺
8.1 光刻工艺 Photolithography Process
光刻工艺的基本步骤
➢• 涂胶 Photoresist coating ➢• 曝光 Exposure ➢• 显影 Development
8.1.1 光刻工艺流程
光刻1－清洗
RCA标准清洗
光刻2－预烘和打底膜
SiO2:亲水性；光刻胶：疏水性； 预烘：去除Si片水汽，增强光刻
胶与表面的黏附性；大约1000C； 打底膜：涂HMDS（六甲基乙硅氮
烷），去掉SiO2表面的-OH，增强 光刻胶与表面的黏附性。
第八章光刻与刻蚀工艺
8.1.1 光刻工艺流程
光刻工艺的主要步骤
✓涂胶 ✓前烘 ✓曝光 ✓后烘 ✓显影 ✓坚膜
第八章光刻与刻蚀工艺
1)清洗硅片 Wafer Clean
8.1.1 光刻工艺流程
3、涂胶 Photoresist Coating
2)预烘和打底胶 Pre-bake and Primer Vapor
4、前烘 Soft Bake
第八章光刻与刻蚀工艺
n 光刻：通过光化学反应，将光刻版（mask）上的图形转 移到光刻胶上。
n 刻蚀：通过腐蚀，将光刻胶上图形完整地转移到Si片上 n 光刻三要素：①光刻机②光刻版（掩膜版）③光刻胶 n ULSI对光刻的要求：高分辨率；高灵敏的光刻胶；
低缺陷；精密的套刻对准；
第八章光刻与刻蚀工艺
第八章 光刻与刻蚀工艺
8.1.1 光刻工艺流程
5、对准 Alignment
7、后烘 Post Exposure Bake
6、曝光 Exposure
8、显影 Development
第八章光刻与刻蚀工艺
8.1.1 光刻工艺流程
9、坚膜 Hard Bake
10、图形检测 Pattern Inspection
第八章光刻与刻蚀工艺
光刻3－涂胶 Spin Coating
①要求：粘附良好，均匀，薄厚适当 胶膜太薄－针孔多，抗蚀性差； 胶膜太厚－分辨率低（分辨率是膜厚
的5－8倍） ②涂胶方法：浸涂，喷涂，旋涂√
旋转涂胶 Spin Coating
n 圆片放置在涂胶机的真空卡盘上 n 高速旋转 n 液态光刻胶滴在圆片中心 n 光刻胶以离心力向外扩展 n 均匀涂覆在圆片表面
光刻7－曝光后烘焙（后烘，PEB）
烘焙温度高于光刻胶玻璃化转变温度（Tg） 光刻胶分子发生热运动 过曝光和欠曝光的光刻胶分子发生重分布 平衡驻波效应，平滑光刻胶侧墙， 目的：提高分辨率
电子束曝光：λ＝几十---100Å ； n 优点：分辨率高；不需光刻版
（直写式）；
n 缺点：产量低（适于制备光刻 版）；
X射线曝光：λ＝2---40Å ，软X射 线；
n X射线曝光的特点：分辨率高， 产量大。
极短紫外光（EUV）：λ＝10—14nm
商用X-ray光刻机
第八章光刻与刻蚀工艺
8.1.1 光刻工艺流程
第八章光刻与刻蚀工艺
2020/12/12
第八章光刻与刻蚀工艺
主要内容
n 光刻的重要性 n 光刻工艺流程 n 光源 n 光刻胶 n 分辨率 n 湿法刻蚀 n 干法刻蚀
第八章光刻与刻蚀工艺
第八章 光刻与刻蚀工艺
n IC制造中最重要的工艺：①决定着芯片的最小特征尺寸 ②占芯片制造时间的40-50%③占制造曝光机 投影式曝光机 步进式曝光机（Stepper）
第八章光刻与刻蚀工艺
接触式曝光示意图
接近式曝光示意图
投影式曝光示意图
步进-重复（Stepper） 曝第八光章光示刻与意刻蚀图工艺
8.1.1 光刻工艺流程
2）曝光光源：
光学曝光、X射线曝光、电子束曝光
②影响因素：温度，时间。 n 烘焙不足（温度太低或时间太短）－显影时易浮胶，图形易变形。 n 烘焙时间过长－增感剂挥发，导致曝光时间增长，甚至显不出图形。 n 烘焙温度过高－感光剂反应（胶膜硬化），不易溶于显影液，导致显
影不干净。
Baking Systems
第八章光刻与刻蚀工艺
8.1.1 光刻工艺流程
特征尺寸与栅长的摩尔定律 与特征尺寸相应的光源
第八章光刻与刻蚀工艺
第八章 光刻与刻蚀工艺
接触式与投影式光刻机
第八章光刻与刻蚀工艺
掩模版
n 掩膜版的质量要求 若每块掩膜版上图形成品率＝90％，则 6块光刻版，其管芯图形成品率＝（90％）6＝53％； 10块光刻版，其管芯图形成品率＝（90％）10＝35％； 15块光刻版，其管芯图形成品率＝（90％）15＝21％； 最后的管芯成品率当然比其图形成品率还要低。 n 掩膜版尺寸：
①光学曝光－紫外，深紫外
n 高压汞灯：紫外(UV），300－450nm；
i线365nm，h线405nm，g线436nm。
n 准分子激光：KrF：λ= 248nm；
ArF：λ= 193nm；
n F2激光器：
λ= 157nm。
第八章高光刻压与汞刻蚀灯工艺紫外光谱
8.1.1 光刻工艺流程
②下一代曝光方法
EBR: Edge bead removal边缘修复
第八章光刻与刻蚀工艺
光刻胶厚度与旋转速率和粘性的关系
与涂胶旋转速率成反比 与光刻胶粘性成正比
第八章光刻与刻蚀工艺
8.1.1 光刻工艺流程
光刻4－前烘Soft Bake
①作用：促进胶膜内溶剂充分挥发，使胶膜干燥；增加胶膜与SiO2 （Al 膜等）的粘附性及耐磨性。
①接触式接近式和投影式曝光机：1∶1 ②分步重复投影光刻机（Stepper）：4∶1；5∶1；
10∶1
第八章光刻与刻蚀工艺
Clean Room净化间
n 洁净等级：尘埃数/m3； （尘埃尺寸为0.5μm） 10万级：≤350万，单晶制备； 1万级：≤35万，封装、测试； 1000级：≤35000，扩散、CVD； 100级：≤3500，光刻、制版；
5-6、对准与曝光 Alignment and Exposure
n Most critical process for IC fabrication n Most expensive tool (stepper) in an IC fab. n Determines the minimum feature size n Currently 45nm and pushing to 32 nm
第八章光刻与刻蚀工艺
8.1 光刻工艺 Photolithography Process
光刻工艺的基本步骤
➢• 涂胶 Photoresist coating ➢• 曝光 Exposure ➢• 显影 Development
8.1.1 光刻工艺流程
光刻1－清洗
RCA标准清洗
光刻2－预烘和打底膜
SiO2:亲水性；光刻胶：疏水性； 预烘：去除Si片水汽，增强光刻
胶与表面的黏附性；大约1000C； 打底膜：涂HMDS（六甲基乙硅氮
烷），去掉SiO2表面的-OH，增强 光刻胶与表面的黏附性。
第八章光刻与刻蚀工艺
8.1.1 光刻工艺流程
光刻工艺的主要步骤
✓涂胶 ✓前烘 ✓曝光 ✓后烘 ✓显影 ✓坚膜
第八章光刻与刻蚀工艺
1)清洗硅片 Wafer Clean
8.1.1 光刻工艺流程
3、涂胶 Photoresist Coating
2)预烘和打底胶 Pre-bake and Primer Vapor
4、前烘 Soft Bake
第八章光刻与刻蚀工艺
n 光刻：通过光化学反应，将光刻版（mask）上的图形转 移到光刻胶上。
n 刻蚀：通过腐蚀，将光刻胶上图形完整地转移到Si片上 n 光刻三要素：①光刻机②光刻版（掩膜版）③光刻胶 n ULSI对光刻的要求：高分辨率；高灵敏的光刻胶；
低缺陷；精密的套刻对准；
第八章光刻与刻蚀工艺
第八章 光刻与刻蚀工艺
8.1.1 光刻工艺流程
5、对准 Alignment
7、后烘 Post Exposure Bake
6、曝光 Exposure
8、显影 Development
第八章光刻与刻蚀工艺
8.1.1 光刻工艺流程
9、坚膜 Hard Bake
10、图形检测 Pattern Inspection
第八章光刻与刻蚀工艺
光刻3－涂胶 Spin Coating
①要求：粘附良好，均匀，薄厚适当 胶膜太薄－针孔多，抗蚀性差； 胶膜太厚－分辨率低（分辨率是膜厚
的5－8倍） ②涂胶方法：浸涂，喷涂，旋涂√
旋转涂胶 Spin Coating
n 圆片放置在涂胶机的真空卡盘上 n 高速旋转 n 液态光刻胶滴在圆片中心 n 光刻胶以离心力向外扩展 n 均匀涂覆在圆片表面
光刻7－曝光后烘焙（后烘，PEB）
烘焙温度高于光刻胶玻璃化转变温度（Tg） 光刻胶分子发生热运动 过曝光和欠曝光的光刻胶分子发生重分布 平衡驻波效应，平滑光刻胶侧墙， 目的：提高分辨率
电子束曝光：λ＝几十---100Å ； n 优点：分辨率高；不需光刻版
（直写式）；
n 缺点：产量低（适于制备光刻 版）；
X射线曝光：λ＝2---40Å ，软X射 线；
n X射线曝光的特点：分辨率高， 产量大。
极短紫外光（EUV）：λ＝10—14nm
商用X-ray光刻机
第八章光刻与刻蚀工艺
8.1.1 光刻工艺流程
第八章光刻与刻蚀工艺
2020/12/12
第八章光刻与刻蚀工艺
主要内容
n 光刻的重要性 n 光刻工艺流程 n 光源 n 光刻胶 n 分辨率 n 湿法刻蚀 n 干法刻蚀
第八章光刻与刻蚀工艺
第八章 光刻与刻蚀工艺
n IC制造中最重要的工艺：①决定着芯片的最小特征尺寸 ②占芯片制造时间的40-50%③占制造曝光机 投影式曝光机 步进式曝光机（Stepper）
第八章光刻与刻蚀工艺
接触式曝光示意图
接近式曝光示意图
投影式曝光示意图
步进-重复（Stepper） 曝第八光章光示刻与意刻蚀图工艺
8.1.1 光刻工艺流程
2）曝光光源：
光学曝光、X射线曝光、电子束曝光
②影响因素：温度，时间。 n 烘焙不足（温度太低或时间太短）－显影时易浮胶，图形易变形。 n 烘焙时间过长－增感剂挥发，导致曝光时间增长，甚至显不出图形。 n 烘焙温度过高－感光剂反应（胶膜硬化），不易溶于显影液，导致显
影不干净。
Baking Systems
第八章光刻与刻蚀工艺
8.1.1 光刻工艺流程
特征尺寸与栅长的摩尔定律 与特征尺寸相应的光源
第八章光刻与刻蚀工艺
第八章 光刻与刻蚀工艺
接触式与投影式光刻机
第八章光刻与刻蚀工艺
掩模版
n 掩膜版的质量要求 若每块掩膜版上图形成品率＝90％，则 6块光刻版，其管芯图形成品率＝（90％）6＝53％； 10块光刻版，其管芯图形成品率＝（90％）10＝35％； 15块光刻版，其管芯图形成品率＝（90％）15＝21％； 最后的管芯成品率当然比其图形成品率还要低。 n 掩膜版尺寸：
①光学曝光－紫外，深紫外
n 高压汞灯：紫外(UV），300－450nm；
i线365nm，h线405nm，g线436nm。
n 准分子激光：KrF：λ= 248nm；
ArF：λ= 193nm；
n F2激光器：
λ= 157nm。
第八章高光刻压与汞刻蚀灯工艺紫外光谱
8.1.1 光刻工艺流程
②下一代曝光方法
EBR: Edge bead removal边缘修复
第八章光刻与刻蚀工艺
光刻胶厚度与旋转速率和粘性的关系
与涂胶旋转速率成反比 与光刻胶粘性成正比
第八章光刻与刻蚀工艺
8.1.1 光刻工艺流程
光刻4－前烘Soft Bake
①作用：促进胶膜内溶剂充分挥发，使胶膜干燥；增加胶膜与SiO2 （Al 膜等）的粘附性及耐磨性。
①接触式接近式和投影式曝光机：1∶1 ②分步重复投影光刻机（Stepper）：4∶1；5∶1；
10∶1
第八章光刻与刻蚀工艺
Clean Room净化间
n 洁净等级：尘埃数/m3； （尘埃尺寸为0.5μm） 10万级：≤350万，单晶制备； 1万级：≤35万，封装、测试； 1000级：≤35000，扩散、CVD； 100级：≤3500，光刻、制版；
5-6、对准与曝光 Alignment and Exposure
n Most critical process for IC fabrication n Most expensive tool (stepper) in an IC fab. n Determines the minimum feature size n Currently 45nm and pushing to 32 nm