2.4-2.5 光刻、光刻胶和刻蚀

2.4 光刻技术
2.4.1 光刻工艺概述 2.4.2 光刻胶 2.4.3 涂胶 2.4.4 对位和曝光 2.4.5 显影
2.4.1 光刻 工艺概述
2.4.2 光刻胶
光刻胶也称为 光致抗蚀剂（Photoresist，P R）。
1、光刻胶的类型
凡是在能量束（光束、电子束、离子束等）的照射下，以 交联反应为主的光刻胶称为 负性光刻胶，简称 负胶。 凡是在能量束（光束、电子束、离子束等）的照射下，以 降解反应为主的光刻胶称为 正性光刻胶，简称 正胶。 最常用的有 AZ –1350 系列。正胶的主要优点是分辨率高， 缺点是灵敏度、耐刻蚀性和附着性等较差。
自动显影检查设备
1、认识刻蚀
• 定义:
2.5 刻蚀(Eching)
– 由預先定义好的图形把不要的区域去除，保留要留下的区域，将图形转移 到所选定的举出上其过程称之为刻蚀。 • 刻蚀的作用 – 制作不同的器件结构，如线条、接触孔、栅等。 • 被刻蚀的材料 – 半导体，绝缘体，金属等。 • 刻蚀方法 – 可以是物理性(离子碰撞)，也可以是化学性(与薄膜发生化学反应)，也可
以是两者的混合方式。
2、刻蚀失败的例子
3、对图形转移的要求
(1) 获得满意的剖面（倾斜或垂直）
(2) 钻刻最小
(3) 选择比大 (4) 刻蚀均匀性好，重复性高 (5) 对表面和电路的损伤最小 (6) 清洁、经济、安全。
4、刻蚀工艺的分类
(1) 湿法刻蚀与干法刻蚀 a. 湿法刻蚀：采用液态化学试剂进行薄膜刻蚀
光的传输作为电磁波来处理，必须考虑衍射和干涉。由于衍射
的作用，掩模版透光区下方的光强减弱，非透光区下方的光强 增加，从而影响光刻的分辩率。
调制传输函数和光学曝光
光 强
无衍射效应
有衍射效应
定义图形的调制传输函数 MTF 为
I max I min MTF I max I min
无衍射效应时，MTF = 1 ；有衍射效应时 ，MTF < 1 。
最小电荷量（对电子束胶），称为光刻胶的灵敏度，记为 S ，
也就是D100 。S 越小，则灵敏度越高。
灵敏度太低会影响生产效率，所以通常希望光刻胶有较高
的灵敏度。但灵敏度太高会影响分辨率。
通常负胶的灵敏度高于正胶。
(2) 分辨率
光刻工艺中影响分辨率的因素有：光源、曝光方式和光刻
胶本身（包括灵敏度、对比度、颗粒的大小、显影时的溶胀、 电子散射等）。通常正胶的分辨率要高于负胶。
缺点
1、曝光效率低； 2、设备复杂、昂贵。
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 焦深之间的矛盾，可以采用分步重复的方式。
d. 搅拌
I. 刻蚀液的选用：选择比大。
II. 掩蔽膜的选用：
III. 主要优点：
粘附性；稳定性；抗蚀性好；
设备简单，成本底，产量高，并且具有很好的刻
蚀选择比，重复性好。
IV. 主要缺点
各相同性的，钻蚀严重，对图形的控制性较差。 安全性、洁净性差。
湿刻的工艺过程（例）
Mask
Cr patterned film Etching of Al film
200
300
400
500
600
由于衍射效应是光学曝光技术中限制分辨率的主要因素， 所以要提高分辨率就应使用波长更短的光源如 深紫外光。实际
使用的深紫外光源有 KrF 准分子激光（248F2 准分子激光（157 nm）等。
紫外光（UV）
g 线：436 nm i 线：365 nm KrF 准分子激光：248 nm ArF 准分子激光：193 nm
非 接 触 式 投影式
折射
2.4.5 光刻胶的显影
将曝光后的基片用显影液浸泡或喷雾处理。对负胶，显 影液将溶解掉未曝光区的胶膜；对正胶，显影液将溶解曝光区
的胶膜。几乎所有的正胶都使用碱性显影液，如 KOH 水溶液。
显影过程中光刻胶膜会发生膨胀。正胶的膨胀可以忽略， 而负胶的膨胀则可能使图形尺寸发生变化。 显影过程对温度非常敏感。显影过程有可能影响光刻胶的 对比度，从而影响光刻胶的剖面形状。 显影后必须进行严格的检查，如有缺陷则必须返工。
反射凸镜
反射凹镜
数值孔径 NA 太小，是限制 分辨率的主要因素。
（4）分步重复缩小投影光刻机
随着线宽的不断减小和基板直径的增大，分辨率与焦深的 矛盾、线宽与视场的矛盾 越来越严重。为解决这些问题，开发 出了分步重复缩小投影曝光机（ Direct Step on the Wafer ， 简称 DSW，Stepper）。常用的是 5 : 1 或 4 : 1。
Wmin k1

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，但却受到 焦深 的限制。
焦深 代表当基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 瑞利第二公式 给出，即
正胶和负胶比较
光刻胶对比度 斜坡 膨胀 分辨率 粘附性
图形的分辩率还要受光刻胶对光强的响应特性的影响。 D100 D0
Dcr
理想光刻胶：光强不到临界光强 Dcr 时不发生反应，光强 超过 Dcr 时完全反应，衍射只造成线宽和间距的少量变化。 实际光刻胶：光强不到 D0 时不发生反应，光强介于 D0 和
光源
聚光透镜
掩模
投影器
基片
UV light
Reticle field size 20 mm × 15mm, 4 die per field
5:1 reduction lens
曲折的步进图形
基片
优点
1、掩模版寿命长，图形缺陷少；
2、可以使用高数值孔径的透镜来提高分辨率，通过分步 聚焦来解决焦深问题，可以在大基片上获得高分辨率的图形； 3、由于掩模尺寸远大于芯片尺寸，使掩模制造简单，可 减少掩模上的缺陷对芯片成品率的影响。
光栅的周期（或图形的尺寸）越小，则 MTF 越小；光的波长
越短，则 MTF 越大。
2、光源
对光源系统的要求
1、有适当的波长。波长越短，可曝光的特征尺寸就越小；
2、有足够的能量。能量越大，曝光时间就越短； 3、曝光能量必须均匀地分布在曝光区。 常用的 紫外光 光源是高压弧光灯（高压汞灯），高压汞灯 有许多尖锐的光谱线，经过滤光后使用其中的 g 线（436 nm）
或 i 线（365 nm）。
高压汞灯的光谱线
Emission spectrum of high-intensity mercury lamp
120
100 80
i-line 365 nm
60
40 20 Relative Intensity (%) 0
DUV 248 nm
h-line 405 nm
g-line 436 nm
2、光刻胶的组成
成分
功能
聚合物
溶剂 感光剂 添加剂
当被曝光时，聚合物结构由 可溶变为聚合（或反之）
稀释 调节化学反应 工艺效果（如染色剂等）
未反应的归一化膜厚
1.0
3 光刻胶的特性
（1）灵敏度
灵敏度曲线 0.5 0
入射剂量 （C/cm2）
D0
D100
单位面积上入射的使光刻胶全部发生反应的最小光能量或
Mask
P. R. Si SiO2
优点：设备简单；理论上 MTF 可达到 1，因此分辨率比较
高，约 0.5 m。 缺点：掩模版寿命短（10 ~ 20 次），硅片上图形缺陷多， 光刻成品率低。
（2）接近式光刻机
g = 10 ~ 50 m
优点：掩模寿命长（可提高 10 倍以上），图形缺陷少。 缺点：衍射效应严重，使分辨率下降。
1、湿法刻蚀:
利用溶液与预刻蚀材料之间的化学反应来去除
未被掩蔽膜材料掩蔽的部分而达到刻蚀目的。
2、三个步骤：
1）反应物扩散到被刻蚀的材料表面； 2）反应物与被刻蚀薄膜反应；
速率控制方法： a. 刻蚀溶液的种类 b. 溶液的浓度
3）反应后的产物从刻蚀表面扩散到溶液中， c. 反应温度 并随溶液被排出。
D100 之间时发生部分反应，光强超过 D100 时完全反应，使线条
边缘出现模糊区。在通常的光刻胶中，当 MTF < 0.5 时，图形 不再能被复制。
2.4.3 涂胶
一般采用旋涂法。涂胶的关键是控制胶膜的厚度与膜厚的均 匀性。胶膜的厚度决定于光刻胶的粘度和旋转速度。
1) 滴胶 2) 加速旋转
3) 甩掉多 余的胶


NA2
分辨率与焦深对波长和数值孔径有相互矛盾的要求，需要
折中考虑。增加 NA 线性地提高分辨率，平方关系地减小焦深， 所以一般选取较小的 NA。为了提高分辨率，可以缩短波长。
（3）1 : 1 扫描反射投影光刻机
光源
优点
1、掩模寿命长，图形缺陷少。
硅片 掩模
2、无色散，可以使用连续波长 光源，无驻波效应。无折射系统 中的象差、弥散等的影响。 3、曝光效率较高。 缺点
transparent glass photoresist
Al film SiO2 film
Si
Pattern transfer to photoresist
Si UV exposure
Develop solution
Si
Si
Si
湿法刻蚀中的侧向腐蚀