(第五章)光刻工艺
光刻工艺介绍
光刻工艺过程
涂胶coating 前烘prebaking 曝光exposure 显影development 坚膜postbake
光刻工艺过程
涂胶
氧化，清洗
涂胶，前烘
涂胶目的： 在晶元表面形成厚度均匀，附着性强， 没有缺陷的光刻胶薄膜
光刻胶对大部分可见光敏感，但对黄光不敏感
光刻三要素
光刻胶主要成分
1.树脂(聚合物)：光照不发生反应，保证光刻胶的附着性和抗腐 蚀性，决定光刻胶薄膜的膜厚，弹性和热稳定性。
2.光敏剂(PAC)：受光辐照后发生化学反应，如果聚合物中不添 加光敏剂，那么他对光的敏感性差，而且光谱范围较宽，添加特 定的光敏剂后，可以增加感光灵敏度，而且限制反应光的光谱范 围，或者把反应光限制在某一特定的波长。
转速与膜厚：膜厚与旋转速度的平方根成反比
光刻工艺过程
前烘probake
目的
去除胶内的溶剂，提高胶的表面粘附力 提高胶的抗机械摩擦能力 减小高速旋转形成的薄膜应力
条件
温度：90 to 120℃ 时间：60 to 120s
光刻工艺过程
前烘probake
前烘不足
光刻胶与晶元粘附性变差 因光刻胶中溶剂含量过高致使曝光的精度下降
前烘过量
延长时间，产量下降 过高的温度使光刻胶变脆，粘附性下降 过高的温度会使光刻胶的感光剂发生反应，使 光刻胶在曝光时的敏感度下降
光刻工艺过程 曝光Exposure
光刻工艺过程
曝光Exposure
将电路图案转移到晶元上 为了将电路图案转移到晶片上，将光罩暴露在光下。 通过使用缩小透镜聚焦光，甚至可以转移更精细的 电路图案。电路图中的线越窄，可传输的半导体元 件数量越多，因此芯片的性能和功能也就越高
光刻工艺主要步骤
光刻工艺主要步骤
1. 基片前处理
为确保光刻胶能和晶圆表面很好粘贴，形成平滑且结合得很好的膜，必须进行表面准备，保持表面干燥且干净，
2. 涂光刻胶
涂胶的目标是在晶圆表面建立薄的、均匀的，并且没有缺陷的光刻胶膜。
3. 前烘(软烘焙)
前烘的目的是去除胶层内的溶剂，提高光刻胶与衬底的粘附力及胶膜的机械擦伤能力。
4. 对准和曝光(A＆E)
保证器件和电路正常工作的决定性因素是图形的准确对准，以及光刻胶上精确的图形尺寸的形成。
所以，涂好光刻胶后，第一步是把所需图形在晶圆表面上准确定位或对准。
第二步是通过曝光将图形转移到光刻胶涂层上。
5. 显影
显影是指把掩膜版图案复制到光刻胶上。
6. 后烘(坚膜)
经显影以后的胶膜发生了软化、膨胀，胶膜与硅片表面粘附力下降。
为了保证下一道刻蚀工序能顺利进行，使光刻胶和晶圆表面更好地粘结，必须继续蒸发溶剂以固化光刻胶。
7. 刻蚀
刻蚀是通过光刻胶暴露区域来去掉晶圆最表层的工艺，主要目标是将光刻掩膜版上的图案精确地转移到晶圆表面。
8. 去除光刻胶
刻蚀之后，图案成为晶圆最表层永久的一部分。
作为刻蚀阻挡层的光刻胶层不再需要了，必须从表面去掉。
正胶的纵横比更高、负胶的粘结力更强曝光速度更快、正胶的针孔数量更好阶梯覆盖度更好，但成本更高、正胶使用水溶性溶剂显影而负胶使用有机溶剂显影。
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）
涂胶/显影系统设备（AIO-700型）
涂胶/显影系统设备（AIO-700型）
涂胶/显影系统设备（AIO-700型）
涂胶/显影系统设备（AIO-700型）
涂胶/显影系统设备（AIO-700型）
涂胶/显影系统设备（AIO-700型）
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）
光刻工艺知识点总结
光刻工艺知识点总结光刻工艺是半导体制造工艺中的重要环节，通过光刻技术可以实现微米级甚至纳米级的精密图案转移至半导体芯片上，是芯片制造中最关键的工艺之一。
光刻工艺的基本原理是利用光学原理将图案投射到光刻胶上，然后通过化学蚀刻将图案转移到芯片表面。
下面将对光刻工艺的知识点进行详细总结。
一、光刻工艺的基本原理1. 光刻胶光刻胶是光刻工艺的核心材料，主要由树脂和溶剂组成。
树脂的种类和分子结构直接影响着光刻胶的分辨率和对光的敏感度，而溶剂的选择和比例则会影响着光刻胶的黏度、流动性和干燥速度。
光刻胶的选择要根据不同的工艺要求，如分辨率、坚固度、湿膜厚度等。
2. 掩模掩模是用来投射光刻图案的模板，通常是通过电子束刻蚀或光刻工艺制备的。
掩模上有所需的图形样式，光在通过掩模时会形成所需的图案。
3. 曝光曝光是将掩模上的图案投射到光刻胶表面的过程。
曝光机通过紫外线光源产生紫外线，通过透镜将掩模上的图案投射到光刻胶表面，形成图案的暗部和亮部。
4. 显影显影是通过化学溶液将光刻胶上的图案显现出来的过程。
曝光后，光刻胶在图案暗部和亮部会有不同的化学反应，显影溶液可以去除未暴露的光刻胶，留下所需的图案。
5. 蚀刻蚀刻是将图案转移到硅片上的过程，通过化学腐蚀的方式去除光刻胶未遮盖的部分，使得图案转移到硅片表面。
二、光刻工艺中的关键技术1. 分辨率分辨率是指光刻工艺能够实现的最小图案尺寸，通常用实际图案中两个相邻细线或空隙的宽度之和来表示。
分辨率受到光刻机、光刻胶和曝光技术等多个因素的影响，是衡量光刻工艺性能的重要指标。
2. 等效焦距等效焦距是光刻机的重要参数，指的是曝光光学系统的有效焦距，影响光刻图案在光刻胶表面的清晰度和分辨率。
3. 曝光剂量曝光剂量是指单位面积上接收的光能量，通常用mJ/cm^2或μC/cm^2来表示。
曝光剂量的选择对分辨率和光刻胶的副反应有重要影响。
4. 曝光对位精度曝光对位精度是指光刻胶上已存在的图案和新的曝光对位的精度，是保证多层曝光图案对位一致的重要因素。
(第五章)光刻工艺
学习目标：
光刻基本概念 负性和正性光刻胶差别 光刻的8个基本步骤 光刻光学系统 光刻中对准和曝光的目的 光刻特征参数的定义及计算方法 五代光刻设备
5.1 引言
光刻是把掩膜版上的电路图形超精确地转移到涂 覆在硅片上的光刻胶膜上，为后续刻蚀或离子注 入提供掩蔽膜，以完成图形的最终转移的工艺过 程。
光刻是集成电路制造的关键工艺
一、光刻技术的特点
产生特征尺寸的关键工艺； 复印图像和化学作用相结合的综合性技术； 光刻与芯片的价格和性能密切相关，光刻成本占
整个芯片制造成本的1/3。
二、光刻三个基本条件
掩膜版 光刻胶 光刻机
掩膜版（Reticle或Mask）的材质有玻璃 版和石英版，亚微米技术都用石英版，是 因为石英版的透光性好、热膨胀系数低。 版上不透光的图形是金属铬膜。
7.颗粒少
旋转涂胶参数 光刻胶厚度∝1/(rpm)1/2
传统正性I线光刻胶
1. 树脂是悬浮于溶剂中的酚醛甲醛聚合物 2. 感光剂化合物作为强的溶解抑制剂（不溶解于显影液）被加到线性酚 醛树脂中 3. 在曝光过程中，感光剂（通常为DNQ）发生光化学分解产生羟酸 4. 羟酸提高光刻胶曝光区域的线性酚醛树脂的溶解度
光刻胶成分：
1. 树脂（是一种有机聚合物材料，提供光刻 胶的机械和化学特性） 2. 感光剂（光刻胶材料的光敏成分） 3. 溶剂（使光刻胶具有流动性） 4. 添加剂（控制光刻胶特殊方面的化学物质， 备选）
光刻工艺对光刻胶的要求：
1.分辨率高（区分硅片上两个相邻的最小特征尺 寸图形的能力强）
2.对比度好（指曝光区和非曝光区过渡的陡度）
工艺宽容度，工艺发生一定变化时，在规定范 围内仍能达到关键尺寸要求的能力。
5光刻与刻蚀工艺
高抗蚀性 好黏附性
思考题：为什么光刻胶越薄，分辨率越高？
Jincheng Zhang
光刻工艺 Photolithography Process
光刻基本步骤
• 涂胶 Photoresist coating • 对准和曝光 Alignment and exposure • 显影 Development
4、前烘 Soft Bake
Jincheng Zhang
5、对准 Alignment
Jincheng Zhang
6、曝光Exposure
Jincheng Zhang
7、后烘 Post Exposure Bake
Jincheng Zhang
8、显影 Development
Jincheng Zhang
集成电路工艺基础
5、光刻与刻蚀工艺（曝光、刻蚀）
微电子学院 戴显英 2017年9月
掌握
光刻胶的组成 +PR 和 –PR的区别 描述光刻工艺的步骤 四种对准和曝光系统 Explain relationships of resolution and depth of focus to wavelength and numerical aperture.
100到130坚膜温度通常高于前烘温度jinchengzhang坚膜的控制坚膜不足光刻胶不能充分聚合造成较高的光刻胶刻蚀速率黏附性变差光刻胶流动造成分辨率变差jinchengzhang光刻胶流动过坚膜会引起太多的光刻胶流动影响光刻的分辨率正常坚膜jinchengzhang问题每种光刻胶都有不同的敏感性和粘性都需要不同的旋转速率斜坡速率旋转时间烘干时间和温度曝光强度和时间显影液和显影条件因此图形转移将失败
半导体工艺与制造技术习题答案(第五章)
第五章图形转移1.典型的光刻工艺主要有哪几步？简述各步骤的作用。
涂胶：在衬底上涂布一层光刻胶前烘：蒸发光刻胶中的溶剂对准：保证图形与硅片上已经存在的图形之间的对准曝光：使光刻胶产生化学反应而变性曝光后烘烤：减少驻波效应；激发化学增强光刻胶的PAG产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。
显影：显影液溶剂溶解掉光刻胶中软化部分，将图形从掩膜版转移到光刻胶上坚膜：完全蒸发掉光刻胶里面的溶剂，提高光刻胶在离子注入或刻蚀中保护下表面的能力，进一步增强光刻胶与硅片表面之间的粘附性，减少驻波效应显影检查：检查图形是否对准，临界尺寸及表面是否良好2.光刻对准标记中RA，GA，FA分别是什么？它们有什么用？投影机-掩膜版对准标记（Retical Alignment,RA）在投影掩膜版的左右两侧，与安装在步进机机身上的对准标记对准。
整场对准标记（Global Alignment,GA）在第一次曝光时被光刻在硅片左右两边，被用于每个硅片的粗对准。
精对准标记（Fine Alignment,FA）每个场曝光时被光刻，用于每个硅片曝光场和投影掩膜版的对准调节。
3.什么是光刻胶的对比度？它对曝光图形产生什么样的影响？光刻胶的对比度（）是对光刻胶完全曝光所需要的最小剂量和光刻胶不发生曝光效果所允许的最大剂量比例的函数，表征的是曝光并显影后从曝光区域到非曝光区域的图形侧壁陡峭程度。
对比度越大，显影后光刻胶侧壁越陡峭，图形越明晰。
4.什么是光刻中常见的表面反射和驻波效应？如何解决？穿过光刻胶的光会从晶圆片表面反射出来，从而改变投入光刻胶的光学能量。
当晶圆片表面有高度差时，表面反射会导致线条缺失，无法控制图形，这就是表面反射和驻波效应。
解决方法：改变沉积速率以控制薄膜的反射率；避免薄膜表面高度差，表面平坦化处理（CMP）；光刻胶下涂覆抗反射的聚合物（Anti-reflect coating,ARC）5.简述电子束光刻的光栅扫描方法和矢量扫描方法有何区别。
光刻工艺流程
光刻工艺流程Lithography Process摘要：光刻技术（lithography technology）是指集成电路制造中利用光学—化学反应原理和化学,物理刻蚀法，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.光刻是集成电路工艺中的关键性技术,其构想源自于印刷技术中的照相制版技术。
光刻技术的发展使得图形线宽不断缩小，集成度不断提高,从而使得器件不断缩小,性能也不断提利用高。
还有大面积的均匀曝光,提高了产量，质量,降低了成本。
我们所知的光刻工艺的流程为：涂胶→前烘→曝光→显影→坚膜→刻蚀→去胶.Abstract：Lithography technology is the manufacture of integrated circuits using optical — chemical reaction principle and chemical， physical etching method, the circuit pattern is transferred to the single crystal surface or the dielectric layer to form an effective graphics window or function graphics technology。
Lithography is the key technology in integrated circuit technology， the idea originated in printing technology in the photo lithographic process。
Development of lithography technology makes graphics width shrinking, integration continues to improve， so that the devices continue to shrink， the performance is also rising.There are even a large area of exposure， improve the yield, quality and reduce costs。
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Vacuum
微波烘箱
四、对准和曝光
工艺目的： 对准和曝光是将掩膜板上的图形通过镜头由紫外 光传递到涂有光刻胶的硅片上, 形成光敏感物质的 空间精确分布，从而实现精确的图形转移。
对准——同轴和离轴对准系统
曝光
对准标记
对准标记
1. 投影掩膜版的对位标记(RA) ：在版的左右两 侧， RA与步进光刻机上的基准标记对准 2. 整场对准标记(GA):第一次曝光时被光刻在硅 片左右两边，用于每个硅片的粗对准 3. 精对准标记(FA)：每个场曝光时被光刻的，用 于每个硅片曝光场和投影掩膜版的对准
传统负性I线光刻胶
1. 树脂是悬浮于溶剂中的聚异戊二烯橡胶聚合物 2. 曝光使光敏感光剂释放出氮气 3. 释放出的氮气产生自由基 4. 自由基通过交联橡胶聚合物（不溶于显影液）使光刻胶聚合
深紫外（DUV）光刻胶
1. 具有保护团的酚醛树脂使之不溶于显影液 2. 光酸产生剂在曝光时产生酸 3. 曝光区域产生的酸作为催化剂，在曝光后热烘过程中移除树脂保护团 4. 不含保护团的光刻胶曝光区域溶解于以水为主要成分的显影液
数值孔径在成像中的作用
分辨率（R） 将硅片上两个相邻的关键尺寸图形区分开的能力。
R k
NA
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关键尺寸，就要 降低光源的波长λ 。
焦深（DOF） 是焦点上下的一个范围，在这个范围内图像连 续保持清晰。焦深也就是景深，集成电路光刻 中的景深很小，一般在1.0μm左右或更小。
未正确套刻情形
放大
缩小
旋转
X轴方向偏移
Y轴方向偏移
曝光场
驻波与抗反射涂层 当光刻胶下面的底层是反光的衬底（如金属和多 晶），光线将从衬底反射并可能损害临近未曝光 的光刻胶，这种反射现象会造成反射切入。在反 光衬底上增加一层抗反射涂层（如TiN）可消除反 射切入和驻波现象。
底部抗反射涂层(BARC)
光学介质镜
复眼透镜均匀照明系统
第一排复眼透镜 将光源形成多个光 源像进行照明；
第二排复眼透 镜的每个小透镜将 第一排复眼透镜对 应的小透镜重叠成 像于照明面上。
光的衍射
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。
透镜半径
NA (n)Sinqm (n) 透镜焦长 n为图像介质的折射率，θm为主光轴和透镜 边缘线夹角。透镜半径越大数值孔径越大成 像效果越好。
典型高压汞灯的发射光谱
Intensity (a.u)
Deep UV (<260)
I-line (365)
G-line (436)
H-line (405)
300
400
500
600
Wavelength (nm)
光刻光源
汞灯 准分子激光
氟激光
名称
G-line H-line
I-line XeF
XeCl
KrF (DUV) ArF F2
PR Substrate
正确显影 PR
Substrate 显影不足
PR Substrate
不完全显影 PR
Substrate 过显影
Litho process-Auto ADI
Array Misplacement on first layer Wrong Reticle (RV option)
Example Viper defect clips
光刻是集成电路制造的关键工艺
一、光刻技术的特点
产生特征尺寸的关键工艺； 复印图像和化学作用相结合的综合性技术； 光刻与芯片的价格和性能密切相关，光刻成本占
整个芯片制造成本的1/3。
二、光刻三个基本条件
掩膜版 光刻胶 光刻机
掩膜版（Reticle或Mask）的材质有玻璃 版和石英版，亚微米技术都用石英版，是 因为石英版的透光性好、热膨胀系数低。 版上不透光的图形是金属铬膜。
四甲基氢氧化铵 二甲苯
TMAH
Xylene
去离子水 DI water
醋酸正丁酯 n-Butylacetate
七、坚膜烘培
工艺目的： 使存留的光刻胶溶剂彻底挥发，提高光刻胶的粘 附性和抗蚀性。这一步是稳固光刻胶，对下一步 的刻蚀或离子注入过程非常重要。
八、显影检查
工艺目的： 1.找出光刻胶有质量问题的硅片 2.描述光刻胶工艺性能以满足规范要求
工艺过程：
1.上掩膜版、硅片传送 2. 掩膜版对准（ RA ）（掩膜版标记与光刻机基准
进行激光自动对准）
3. 硅片粗对准（ GA ）（掩膜版与硅片两边的标记 进行激光自动对准）
4. 硅片精对准（ FA ）（掩膜版与硅片图形区域的 标记进行激光自动对准）
经过8次的对准和曝光，形成了CMOS器件结构
Mask
Reticle
传统相机底片
光刻三个基本条件——光刻胶PR(PhotoResist)
正性光刻胶
硅片上图形与掩膜版一样 曝光区域发生光学分解反应，在显影液中软化
溶解而去除掉
未曝光区域显影后保留
负性光刻胶 硅片Fra bibliotek图形与掩膜版相反 曝光区域发生光学交联反应硬化，在显影液中
DOF 2( NA) 2
分辨率和焦深的关系
套准精度
掩膜版上的图形与硅片上的图形的对准程度。 按照光刻的要求版上的图形与片上图形要精确 对准。套准精度也是光刻中一个重要的性能指 标。套准精度一般是关键尺寸的1/4 ~ 1/3。
通过对不同层次之间的千分尺结构套刻记号的 位置误差或来测定套准精度。
p
Hot Plate Track Robot
Spin Station 光刻机
Developer Hot Plate Track dispenser
思考题：
如果使用了不正确型号的光刻胶进行光刻 会出现什么情况？
5.3 光学光刻
光学光刻是不断缩小芯片特征尺寸的主要限制因 素。 光源 光的能量能满足激活光刻胶，成功实现图形转移 的要求。光刻典型的曝光光源是紫外（UV ultraviolet）光源以及深紫外（DUV）光源、极 紫外（EUV）光源。 1.高压汞灯 2.准分子激光
顶部抗反射涂层(TARC)
5.4 光刻设备
一、光刻机分类
按照曝光进行方式分为： 掩蔽式(shadow printing)：接触式(Contact)，接 近式(Proximity) 投影式(projection printing)：扫描式(Scan)，步 进式(Stepping)，步进-扫描式(Step and Scan)
CChhuucckk SSppiinnddllee
TToo vvaaccuuuumm pppuuummmppp
丙烯乙二醇一甲胺以太醋酸盐PGMEA 乙烯乙二醇一甲胺以太醋酸盐EGMEA
光刻胶作用： 1. 将掩膜版图案转移到硅片表面顶层的光刻胶中； 2. 在后续工艺中，保护下面的材料（例如刻蚀或 离子注入阻挡层）
工艺宽容度，工艺发生一定变化时，在规定范 围内仍能达到关键尺寸要求的能力。
5.2 光刻工艺步骤及原理
光刻工艺的八个基本步骤
一、气相成底膜 二、旋转涂胶 三、软烘 四、对准和曝光 五、曝光后烘培（PEB） 六、显影 七、坚膜烘培 八、显影检查
光刻工艺的八个基本步骤 涂胶
曝光
显影
检查
一、气相成底膜
Developer puddle
Wafer Form puddle
Spin spray
Spin rinse and dry
经曝光的正胶逐层溶解，中和反应只在光 刻胶表面进行。
非曝光区的负胶在显影液中首先形成凝胶 体，然后再分解，这就使整个负胶层被显影液 浸透而膨胀变形。
显影液 漂洗液
正性光刻胶 负性光刻胶
五、曝光后烘培（PEB）
工艺目的：使得曝光后的光敏感物质在光刻胶内 部进行一定的扩散，可以有效地防止产生驻波效 应。 对DUV深紫外光刻胶，曝光后烘焙提供了酸扩散 和放大的热量，烘焙后由于酸致催化显著的化学 变化使曝光区域图形呈现。
入射光和反射光发生干涉并引起光刻胶在厚度方 向上的不均匀曝光，这种现象称为驻波效应。驻 波效应降低了光刻胶成像的分辨率。深紫外光刻 胶由于反射严重驻波效应严重。
不可溶解而保留
未曝光区域显影后溶解
正性光刻胶 负性光刻胶
传统胶片相机正片 传统胶片相机负片
光刻三个基本条件——光刻机
光刻机
传统相片放大机
三、光刻技术要求 光源
分辨率，是将硅片上两个相邻的特征尺寸图形 区分开的能力。
套准精度，掩膜版上的图形与硅片上的图形的 对准程度。按照光刻的要求版上的图形与片上 图形要精确对准。
波长 (nm)
436 405
365 351
308
248 193 157
CD分辨率 (um)
0.50
0.35 to 0.25
0.25 to 0.15 0.18 to 0.13 0.13 to 0.1
光学系统
掩蔽组件 聚光透镜
目镜
平面反光镜
反光镜 聚光透镜 反光镜 准直透镜
滤光片 快门 汞灯
灯监视器
第五章 光刻
学习目标：
光刻基本概念 负性和正性光刻胶差别 光刻的8个基本步骤 光刻光学系统 光刻中对准和曝光的目的 光刻特征参数的定义及计算方法 五代光刻设备
5.1 引言
光刻是把掩膜版上的电路图形超精确地转移到涂 覆在硅片上的光刻胶膜上，为后续刻蚀或离子注 入提供掩蔽膜，以完成图形的最终转移的工艺过 程。
工艺过程： 1.分滴 2.旋转铺开 3.旋转甩掉 4.溶剂挥发 5.去除边圈