第二章-1(光学光刻技术)
光刻技术
光刻机总体结构
照明系统 掩模台系统 环境控制系统 掩模传输系统 投影物镜系 统
自动对准系 统
调平调焦测 量系统 框架减振系 统
硅片传输系 统
工件台系统
整机控制系统
整机软件系统
图为CPU内部SEM图像
图为硅芯片集成电路放大图像
图为在硅片上进行的光刻图样
图为Intel 45nm高K金属栅晶体 管结构
SU-8交联示意图
正胶与负胶性能对比
正胶 缺点 （DQN） 特征 优点 优点 分辨率高、对比度好 粘附性差、抗刻蚀能力差、高成本 近紫外，365、405、435nm的波长曝 光可采用 良好的粘附能力、抗蚀能力、感光能 力以及较好的热稳定性。可得到垂直 侧壁外形和高深宽比的厚膜图形 显影时发生溶胀现象，分辨率差 对电子束、近紫外线及350-400nm紫 外线敏感
投影式印刷：在投影式印刷中，
用镜头和反光镜使得像聚焦到硅平 面上，其硅片和掩模版分得很开。
三种方法的比较
接触曝光：光的衍射效应较小，因而分辨率高；但易损
坏掩模图形，同时由于尘埃和基片表面不平等，常常存 在不同程度的曝光缝隙而影响成品率。
接近式曝光：延长了掩模版的使用寿命，但光的衍射效
应更为严重，因而分辨率只能达到2—4um 左右。
坚膜也是一个热处
理步骤。 除去显影时胶膜 吸收的显影液和水分， 改善粘附性，增强胶 膜抗腐蚀能力。 时间和温度要适 当。 时间短，抗蚀性 差，容易掉胶；时间 过长，容易开裂。
刻蚀就是将涂胶前所
沉积的薄膜中没有被 光刻胶覆盖和保护的 那部分去除掉，达到 将光刻胶上的图形转 移到其下层材料上的 目的。
等离子体去胶，氧气在强电场作用下电离产生的活性氧， 使光刻胶氧化而成为可挥发的CO2、H2O 及其他气体而被 带走。
光刻技术
职大09微电子光刻技术摘要：光刻(photoetching)是通过一系列生产步骤将晶圆表面薄膜的特定部分除去的工艺，在此之后，晶圆表面会留下带有微图形结构的薄膜。
被除去的部分可能形状是薄膜内的孔或是残留的岛状部分。
关键词：光刻胶；曝光；烘焙；显影；前景Abstract: photoetching lithography (is) through a series of steps will produce wafer surface film of certain parts of the process, remove after this, wafer surface will stay with the film structure. The part can be eliminated within the aperture shape is thin film or residual island.Keywords: the photoresist, Exposure; Bake; Enhancement; prospects目录第一章绪论 (2)第二章光刻技术的原理 (3)第三章光刻技术的工艺过程 (4)1基本光刻工艺流程—从表面准备到曝光 (4)1.1光刻十步法 (4)1.2基本的光刻胶化学物理属性 (4)1.2.1组成 (4)1.2.2光刻胶的表现要素 (4)1.2.3正胶和负胶的比较 (5)1.2.4光刻胶的物理属性 (5)1.3光刻工艺剖析 (5)1.3.1表面准备 (5)1.3.2涂光刻胶 (5)1.3.3软烘焙 (6)1.3.4对准和曝光（A&E） (6)2基本光刻工艺流程—从曝光到最终检验 (6)2.1显影 (6)2.1.1负光刻胶显影 (6)2.1.2正光刻胶显影 (7)2.1.3湿法显影 (7)2.1.4干法（或等离子）显影 (7)2.2硬烘焙 (7)2.3显影检验（develop inspect DI） (7)2.3.1检验方法 (8)2.3.2显影检验拒收的原因 (8)2.4刻蚀 (8)2.4.1湿法刻蚀 (8)2.4.2干法刻蚀（dry etching） (9)2.5光刻胶的去除 (10)2.6最终目检 (10)第四章光刻技术的发展与现状 (11)1 .EUV 光刻技术 (11)2 .PREVAIL 光刻技术 (12)3.纳米压印光刻技术 (12)4.展望 (14)参考文献15第一章绪论目前，集成电路已经从2O世纪6O年代的每个芯片上仅几十个器件发展到现在的每个芯片上可包含约1O亿个器件，其增长过程遵从摩尔定律，即集成度每3年提高4倍。
简述光刻技术
简述光刻技术光刻技术是一种半导体加工技术，它被广泛应用于集成电路制造、平板显示器制造、MEMS（微机电系统）制造以及其他微纳米器件的制造中。
通过光刻技术，可以将图案投影到半导体材料表面上，然后使用化学刻蚀等工艺将图案转移到半导体材料上，从而制作出微小而精密的结构。
光刻技术的发展对现代电子工业的发展起到了关键作用，其不断提升的分辨率和精度，为微电子领域的发展提供了强大的支持。
光刻技术的基本原理是利用光学投影系统将图案投射到半导体材料的表面上。
该图案通常由一个硅片上的光刻透镜形成，这个硅片被称为掩膜，通过掩膜和投影光源的组合来形成所需的图案。
投影光源照射到掩模上的图案，然后通过光学投影系统将图案投影到待加工的半导体材料表面上，形成微小的结构。
在现代的光刻技术中，使用的光源通常是紫外线光源，其波长为193nm或者更短的EUV（极紫外光）光源。
这样的光源具有较短的波长，可以实现更高的分辨率，从而可以制作出更小尺寸的微结构。
光刻机的光学镜头和控制系统也在不断地提升，以满足对分辨率和精度的需求。
光刻技术在半导体制造中的应用主要包括两个方面，一是用于制作集成电路中的各种微小结构，例如晶体管的栅极、金属线路、电容等；二是用于制作各种传感器、MEMS等微纳米器件。
在集成电路制造中，光刻技术通常是在硅片上进行的，硅片经过多道工艺，将图案逐渐转移到硅片上，并最终形成完整的芯片。
在平板显示器制造中，光刻技术则是用于制作液晶显示器的像素结构；而在MEMS器件的制造中，光刻技术则是用于制作微机械结构和微流体结构。
光刻技术的发展受到了许多因素的影响，包括光学技术、光源技术、掩膜制备技术、光刻胶技术等。
在光学技术方面，光学投影系统的分辨率和变像畸变都会直接影响到光刻的精度；在光源技术方面，光刻机所使用的光源的波长和功率都会对分辨率和加工速度有直接影响；掩膜制备技术则影响到了掩模的制备精度和稳定性；光刻胶技术则直接影响到了图案的传输和转移过程。
第二章-1(光学光刻技术)
Resolution: 0.5~1 mm
3
Historical note:lithography developing
130 years later, in 1961, photo-etching process been used to produce a large number of transistor on a thin slice of Si wafer.
第二章：光学光刻
Chapter II:
Photo Lithography
主流的微电子制造过程中，光刻是最 复杂、昂贵和关键的工艺。大概占成 本的1/3以上。
Content
Resolution in Photolithography Exposure modes and their advantages and disadvantages Photolithography resolution enhancement technology Planarization Alignment
39
光刻系统分辨率与焦深的关系
DOF =
λ
2( NA)
2
40
光刻系统分辨率与焦深的关系
41
表面反射和驻波对曝 表面反射和驻波对曝光精度的影响
42
造成侧壁粗糙
表面反射和驻波对曝 表面反射和驻波对曝光精度影响的消除
43
Standing Wave Effect on Photoresist
44
Post Exposure Bake
47
Alignment (套刻对准 套刻对准) 套刻对准
48
对准标记
对准标记： 对准标记：置于掩模版和硅片上用来 确定它们的位置和方向的定位图形。 确定它们的位置和方向的定位图形。
光学光刻
缺点：掩模版与晶片易损伤，成品率低
接近式 优点：掩模版寿命长，成本低 缺点：衍射效应严重，影响分辨率 全反射 优点：无像差，无驻波效应影响 缺点：数值孔径小，分辨率低 优点：数值孔径大，分辨率高， 对硅片平整度要求低， 掩模制造方便 缺点：曝光效率低，设备昂贵
非 接 触 式 投影式
折射
在步进光刻机上通常有自动对准系统。为了提高对准效率，
可以先作一次人工对准。
掩模的热膨胀也会产生对准误差。为避免 8 英寸掩模产生
0.1 m 的膨胀，掩模的温度变化必须控制在 0.75C 左右。
10 小结
限制光学曝光方式的分辨率的主要因素是衍射效应。最早 使用的接触式光刻机，分辨率可到 1 m以下，但容易损伤掩模 和硅片。解决的办法是使用接近式光刻机，但要影响分辨率。 介绍了具有亚微米分辨率的投影曝光系统。为了解决分辨率和
衬底处的光对制版技术提出了新的要求，如相移材料的 选择、制备与加工，制版软件中对相移层图形的设计等。
边缘相移掩模技术
四、光学邻近效应修正技术（OPC） 把掩模设想为一个曝光矩阵 M，由许多 0 和 1 的像素组成，
0 代表透明区，1 代表不透明区。当用这块掩模对硅片曝光后，
NA
式中，k1 是与光刻胶的光强响应特性有关的常数，约为 0.75 。 NA 为镜头的数值孔径，
NA n sin
n 为折射率， 为半接收角。NA 的典型值是 0.16 到 0.8。 增大 NA 可以提高分辨率，但受到焦深的限制。
焦深 代表当硅片沿光路方向移动时能保持良好聚焦的移动 距离。投影式光刻机的焦深由 雷利第二公式 给出，即
最小可分辨的线宽为
Wmin k g g
式中，k 是与光刻胶处理工艺有关的常数，通常接近于 1。
光刻技术的原理和应用
光刻技术的原理和应用1. 光刻技术简介光刻技术是一种半导体制造工艺中的核心技术，它通过使用光刻胶和强光源对半导体材料进行曝光和显影，从而形成精细的图案。
光刻技术广泛应用于集成电路、光学器件、光纤通信等领域，并在现代科技的高速发展中扮演着重要的角色。
2. 光刻技术的原理光刻技术的基本原理是利用紫外线或电子束照射光刻胶，通过光学或电子学的方式将图形投射到硅片表面上。
具体原理如下： - 掩膜制备：首先，根据设计要求，通过计算机辅助设计软件制作掩膜。
掩膜上的图形和模式将决定最终形成的芯片或器件的结构和功能。
掩膜制备完成后，可以进行下一步的光刻工艺。
- 光刻胶涂布：将光刻胶均匀涂布在硅片表面，待其干燥后，形成一层均匀的薄膜。
- 曝光：将掩膜放置在光刻机上，并通过强光源（紫外线或电子束）照射胶层，使胶层中被照射到的部分发生化学反应。
- 显影：将曝光后的光刻胶进行显影处理。
显影液会溶解胶层中未曝光或曝光光强较弱的部分，从而形成所需的图案结构。
- 刻蚀：使用化学腐蚀剂将显影后的光刻胶图案转移到硅片表面。
硅片经过刻蚀后，就可以进行后续的工艺步骤，如沉积材料、蚀刻、退火等。
3. 光刻技术的应用光刻技术作为半导体制造工艺的重要步骤，广泛应用于以下领域：3.1 集成电路制造•制造微电子芯片：光刻技术在集成电路制造中扮演着重要的角色。
它可以将复杂的电路图案转移到硅片上，制造出微米级别的微电子芯片。
光刻技术的精细度和稳定性对于芯片的性能和可靠性有着重要影响。
•多层薄膜的制备：光刻技术还可以用于制备多层薄膜。
通过在每一层上使用不同的掩膜和曝光显影工艺，可以制备出具有特定功能的多层薄膜结构。
这种技术在微电子器件和光学器件制造中得到广泛应用。
3.2 光学器件制造•制造光学透镜：光刻技术可以制造各种光学透镜和光学器件。
通过光刻胶的曝光显影工艺，可以在光学玻璃上形成精细的结构，从而调控光的传播和聚焦性能。
•制备光接头和光波导器件：光刻技术还可以用于制备光接头和光波导器件。
光学光刻技术
光刻技术的原理
集成电路制造中利用光学-化学反应原理和化学、物理刻蚀方法，将电路图形传递到单晶表面或介质层上，形成有效图形窗口或功能图形的工艺技术。
随着半导体技术的发展，光刻技术传递图形的尺寸限度缩小了2～3个数量级（从毫米级到亚微米级），已从常规光学技术发展到应用电子束、X射线、微离子束、激光等新技术；使用波长已从4000埃扩展到0.1埃数量级范围。
光刻技术成为一种精密的微细加工技术。
光刻技术是在一片平整的硅片上构建半导体MOS管和电路的基础，这其中包含有很多步骤与流程。
首先要在硅片上涂上一层耐腐蚀的光刻胶，随后让强光通过一块刻有电路图案的镂空掩模板（MASK）照射在硅片上。
被照射到的部分(如源区和漏区)光刻胶会发生变质，而构筑栅区的地方不会被照射到，所以光刻胶会仍旧粘连在上面。
接下来就是用腐蚀性液体清洗硅片，变质的光刻胶被除去，露出下面的硅片，而栅区在光刻胶的保护下不会受到影响。
随后就是粒子沉积、掩膜、刻线等操作，直到最后形成成品晶片（WAFER）。
光刻技术是集成电路制造中利用光学-化学反应原理和化学、物理刻蚀方法，将电路图形传递到单晶表面或介质层上，形成有效图形窗口或功能图形的工艺技术。
随着半导体技术的发展，光刻技术传递图形的尺寸限度缩小了2～3个数量级（从毫米级到亚微米级），已从常规光学技术发展到应用电子束、X射线、微离子束、激光等新技术；使用波长已从4000
埃扩展到0.1埃数量级范围。
光刻技术成为一种精密的微细加工技术。
光刻技术简介
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1
讲解内 容
光刻技术简 光刻的介原理概
光刻胶述-光致抗蚀 光刻的一剂般流
程
光刻技术应用举例
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2
光刻的原理简 介
光刻： 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。多用于半导体器 件与集成电路的制作。
传统方法制作电极的缺陷：
1：PVDF压电薄膜两侧的电极层的尺寸大小和 形状与薄膜不匹配。 2：未经过处理的压电薄膜在电极两侧加上电 压时，会产生放电现象。
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光刻技术在PVDF压电薄膜电极制作中的应 用
第一步： 设计要制作的电极的形状与尺寸
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光刻技术在PVDF压电薄膜电极制作中的应 用
原理：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。
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3
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。
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第二步： 对PVDF压电薄膜进行清洗处理。采用 有机溶剂丙酮。
第三步： 涂胶。选用正性光刻胶，采用手工操作 涂到需要保护的电极层上。
第三步： 前烘与曝光。
第四步： 腐蚀。采用湿法刻蚀方法。选取碘和碘化 钾的水溶液（质量比为1:4:40）作为金的 腐蚀溶剂，体积分数为40%的氢氟酸作为 铬层的腐蚀溶剂。
22
谢谢大家
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23
5 显影 6 坚模 7 刻蚀 8 去胶
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The way to improve resolution
Increase NA
Larger lens, could be too expensive and unpratical Reduce DOF and cause fabrication difficulties
Reduce wavelength
Numerical Aperture (数值孔径)
透镜收集衍射光 的能力称为透镜 的数值孔径(NA) 的数值孔径 NA=nsinθm θ
31
通过增加透镜半径,达到增加 的目的 通过增加透镜半径 达到增加NA的目的 达到增加
k=0.75 NA=0.6 λ=365nm R=0.4µm µ 32
Exercise 1,
21
Debris between wafer and mask
Expusure Light source
•Short wavelength •High intensity •Stable •High pressure mecury lamp •Excimer laser
22
Spectrum of the Mercury Lamp
Photoresist glass transition temperuature Tg Baking temperature higher than Tg Thermal movement of photoresist molecules Rearrangement of the overexposed and underexposed PR molecules Average out standing wave effect Smooth PR sidewall and improve resolution
DOF =
λ
2( NA)
2
λ =365nm NA=0.4 DOF =2.3µm 37
Exercise 2,
DOF =
λ
2( NA)
2
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Planarization (表面平整化 表面平整化) 表面平整化
Liquid films: Spin-on glass, resist Solid films: CVD deposition dioxide Chemical-mechanical polishing (CMP) [oxide, polysilicon, metal]
Resolution: 5µm µ
Today, photolithography, X-ray lithography, chargeparticle lithography, all achieved submicro resolution.
Resolution: ~10-190nm
4
Lithography Overview
Mask Aligner (光学光刻机 光学光刻机) 光学光刻机
Exposure system (maskaligner) consist of a light source, illumination optics, a mask, projection optics, an alignment system and a wafer stage.
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Alignment (套刻对准 套刻对准) 套刻对准
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对准标记
对准标记： 对准标记：置于掩模版和硅片上用来 确定它们的位置和方向的定位图形。 确定它们的位置和方向的定位图形。
投影掩模版的对准标记(RA)在投影掩模版的左 在投影掩模版的左 投影掩模版的对准标记 右两侧。 右两侧。它将与安装在步进光刻机机身上的对 准标记对准。 准标记对准。 整场对准标记(GA)在第一次曝光时被光刻在硅 整场对准标记 在第一次曝光时被光刻在硅 片左右两边，它被用于每个硅片的粗对准。 片左右两边，它被用于每个硅片的粗对准。 精对准标记(FA)是在每个场曝光时被光刻，它 是在每个场曝光时被光刻， 精对准标记 是在每个场曝光时被光刻 被用于每个硅片曝光场和投影掩模版的对准调 节。
8
9
Cr(铬) Glass(玻璃)
掩模版 (Mask)
ห้องสมุดไป่ตู้
dark field
light field 10
Negative and Positive Photoresist
11
Critical Dimension (特征尺寸 特征尺寸) 特征尺寸
The absolute size of minimum feature in an IC or a miniature device, whether it involves a line width, spacing, or contact dimension, is called the critical dimension.
Resolution: 0.5~1 mm
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Historical note:lithography developing
130 years later, in 1961, photo-etching process been used to produce a large number of transistor on a thin slice of Si wafer.
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光刻胶/光阻 光刻胶 光阻 (Photoresist)
光诱导化学反应
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光刻胶的涂覆
T= ( KCβη γ ) /W1/2
Where K=overall calibration C=polymer concentration in g/100mL solution η=intrinsic viscosity W=rotations per minute (rpm)
Need develop light source, PR and equipment Limitation for reducing wavelength UV to DUV, to EUV, and to X-Ray
Reduce k1
Phase shift mask
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Phase-shifting Masks
19
Projection Printer (步进式投影曝光机) 步进式投影曝光机 步进式投影
Step and repeat
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Factor on the Exposure System Resolution
Resolution mainly limits by: Light source Optical system Mask Diffraction of light Resist sensitivity Alignment of mask to wafer Non-uniformities in wafer or mask flatness
第二章：光学光刻
Chapter II:
Photo Lithography
主流的微电子制造过程中，光刻是最 复杂、昂贵和关键的工艺。大概占成 本的1/3以上。
Content
Resolution in Photolithography Exposure modes and their advantages and disadvantages Photolithography resolution enhancement technology Planarization Alignment
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Light Diffraction With Lens
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Projection Printing (投影式曝光)
k1: experimentally determined parameter λ: wavelength of the light NA: numerical aperture of the lens system 30
12
Mask Aligners对准机/光刻机
主要性能标准： 1, 分辨率(即可以曝光出来的最小特征尺寸) 2, 对准(套刻精度的度量) 3, 产量
13
Resolution 分辨率
通常表达为可分辨的且仍能保持一定 尺寸容差的最小特征尺寸，典型值是 取线宽分布三倍标准偏差值不超过线 宽的10％。
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3, Projection Mode
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Work like a projector over head Mask to wafer 1:1 Resolution: 1 µm
Scanning Projection System
18 Resolution: 0.25 µm
4, Step & Repeat Alignment/Exposure
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光刻系统分辨率与焦深的关系
DOF =
λ
2( NA)
2
40
光刻系统分辨率与焦深的关系
41
表面反射和驻波对曝 表面反射和驻波对曝光精度的影响
42
造成侧壁粗糙
表面反射和驻波对曝 表面反射和驻波对曝光精度影响的消除
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Standing Wave Effect on Photoresist
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Post Exposure Bake
• • • • • • •
Mask (掩模版 掩模版) 掩模版 Photoresist (光刻胶 光刻胶) 光刻胶 Spinning resist and soft baking (涂胶 前烘 涂胶/前烘 涂胶 前烘) Exposure and post-exposure treatment(曝光 曝光) 曝光 Development (显影 显影) 显影 De-scumming and post-baking（去胶） （去胶） Inspections （检测） 检测）