光刻与刻蚀工艺
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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
Jincheng Zhang
Comparison of Photoresists
Jincheng Zhang
正胶 Positive Photoresist
曝光部分可以溶解在显影液中 正影（光刻胶图形与掩膜图形相同） 更高分辨率（无膨胀现象） 在IC制造应用更为普遍
Jincheng Zhang
Jincheng Zhang
预烘和底胶蒸气涂覆
Jincheng Zhang
光刻3－涂胶 （Spin Coating）
硅圆片放置在真空卡盘上 高速旋转 液态光刻胶滴在圆片中心 光刻胶以离心力向外扩展 均匀涂覆在圆片表面 设备--光刻胶旋涂机
Jincheng Zhang
光刻胶厚度与旋转速率和粘性的关系
问题
为什么不能用光学显微镜检查0.25um尺寸的图形? 因为特征尺寸 (0.25 µm = 250nm) 小于可见光的波长， 可见光波长为390nm (紫光) to 750nm (红光)
Jincheng Zhang
图形检测
未对准问题：重叠和错位 - Run-out, Run-in, 掩膜旋转，晶圆旋转，X方向错位，
Jincheng Zhang
光刻工序
Jincheng Zhang
1、清洗硅片 Wafer Clean
Jincheng Zhang
2、预烘和底膜涂覆 Pre-bake and Primer Vapor
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
Jincheng Zhang
Comparison of Photoresists
Jincheng Zhang
正胶 Positive Photoresist
曝光部分可以溶解在显影液中 正影（光刻胶图形与掩膜图形相同） 更高分辨率（无膨胀现象） 在IC制造应用更为普遍
Jincheng Zhang
Jincheng Zhang
预烘和底胶蒸气涂覆
Jincheng Zhang
光刻3－涂胶 （Spin Coating）
硅圆片放置在真空卡盘上 高速旋转 液态光刻胶滴在圆片中心 光刻胶以离心力向外扩展 均匀涂覆在圆片表面 设备--光刻胶旋涂机
Jincheng Zhang
光刻胶厚度与旋转速率和粘性的关系
问题
为什么不能用光学显微镜检查0.25um尺寸的图形? 因为特征尺寸 (0.25 µm = 250nm) 小于可见光的波长， 可见光波长为390nm (紫光) to 750nm (红光)
Jincheng Zhang
图形检测
未对准问题：重叠和错位 - Run-out, Run-in, 掩膜旋转，晶圆旋转，X方向错位，
Jincheng Zhang
光刻工序
Jincheng Zhang
1、清洗硅片 Wafer Clean
Jincheng Zhang
2、预烘和底膜涂覆 Pre-bake and Primer Vapor
光刻与刻蚀工艺
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。
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。
要点二
损伤控制
是指在刻蚀过程中避免对材料产生损伤。对于某些特殊 材料，如脆性材料，损伤控制尤为重要。如果刻蚀过程 中产生过多损伤，可能会导致材料性能下降甚至破裂。
感谢您的观看
THANKS
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。
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
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
光刻与刻蚀工艺流程ppt
硅片准备
涂胶种类
根据光刻掩膜版的要求，选择合适的涂胶材料。
涂胶厚度
控制涂胶的厚度，一般要求均匀、无气泡、无杂质。
涂胶
曝光方式
根据光刻掩膜版图形设计要求，选择合适的曝光方式。
曝光时间
控制曝光时间，保证光刻胶充分反应且不过度曝光。
曝光
显影液选择
根据光刻胶的性质，选择合适的显影液。
控制显影时间
显影时间要适当，以充分溶解光刻胶，同时避免损伤硅片表面。
纳米科技领域需要借助光刻和刻蚀技术来制造纳米级结构，从而进一步探索纳米世界的奥秘。
在生物医学工程领域，光刻和刻蚀技术可以制造出复杂的微纳结构，用于药物输送、组织工程等应用。
纳米科技
生物医学工程
建议与展望
06
优化工艺参数
通过严格控制实验参数，如波长、功率、曝光时间等，以提高工艺稳定性和效率。
引入先进设备
xx年xx月xx日
光刻与刻蚀工艺流程ppt
CATALOGUE
目录
光刻和刻蚀工艺简介光刻工艺详细流程刻蚀工艺详细流程光刻和刻蚀工艺的控制因素光刻和刻蚀工艺的未来发展建议与展望
光刻和刻蚀工艺简介
01
1
光刻工艺发展历程
2
3
最早的光刻工艺，分辨率较低，制程技术限制较大。
接触式光刻工艺
改善了分辨率和制程技术限制的问题，但仍然存在接触式光刻工艺的一些缺点。
采用先进的自动控制系统和智能化设备，实现工艺过程的实时监控和精准调控。
改进工艺流程
简化工艺流程，减少重复步骤，降低工艺时间和成本。
提高工艺稳定性与效率的措施
技术交叉融合
加强光刻和刻蚀工艺与材料科学、物理学、化学等学科的交叉融合，引入新技术，如纳米压印、离子束刻蚀等，提高工艺水平和效率。
光刻及刻蚀方法 -回复
光刻及刻蚀方法-回复光刻及刻蚀是微电子制造过程中的重要步骤之一。
光刻是一种通过光散射和反射的透过光控制线路图案形成的技术，在电子器件制造中具有至关重要的作用。
而刻蚀则是使用化学物质将无用的材料去除，以便在制造过程中形成设备所需的线路和结构。
光刻是以光掩膜技术为基础，通过逐步光散射和反射的过程，在硅片上形成线路图案。
首先，需要准备一个掩模模具或掩膜板，它是一个透明的玻璃或石英衬底，上面涂有光刻胶。
接下来，将光刻胶涂覆在硅片上，并利用旋转台使其均匀分布。
然后，将掩膜模具覆盖在光刻胶层上，并照射紫外光。
这些光线通过透镜系统将图案投射到光刻胶层上。
掩膜模具上的图案会在光刻胶上形成影像。
而图案的大小和形状取决于光线在透镜上的投射方式。
当光线照射到光刻胶上时，有些区域的光刻胶会固化，而其他区域则仍然处于液体状态。
经过照射后，需要将硅片放入显影液中进行显影。
显影液会溶解未固化的光刻胶，使形成的图案暴露在硅片表面。
显影后，需要对硅片进行均匀的漂洗，以去除残留的显影液。
下一步是刻蚀，它是将无用的材料去除，以便在制造过程中形成设备所需的线路和结构。
刻蚀的方法有湿刻蚀和干刻蚀两种。
湿刻蚀是通过将硅片浸泡在酸溶液或碱溶液中，以去除不需要的材料。
具体来说，将硅片浸入刻蚀槽中，并注入酸溶液或碱溶液。
根据所需的刻蚀速率和材料的选择，可以选择不同的溶液。
刻蚀速率取决于所选择的化学物质以及蚀刻条件。
湿刻蚀通常用于在硅片上形成孔洞或深度结构。
干刻蚀是利用化学反应或物理过程去除材料。
其中常用的干刻蚀方法有物理气相刻蚀（PECVD）和反应离子刻蚀（RIE）。
物理气相刻蚀是通过在真空或低压环境下，将气体中的反应物质激活成等离子体状态，然后用其对材料进行蚀刻。
反应离子刻蚀则是将气体放电，使得产生的离子对材料进行刻蚀。
刻蚀过程需要控制刻蚀深度和图案的精度。
为了达到所需的线路和结构，需要进行工艺参数的优化和控制。
这包括刻蚀时间、温度、气体浓度和压力等。
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。
(完整版)光刻与刻蚀工艺
光刻工艺过程
❖涂胶 coating ❖前烘 prebaking ❖曝光 exposure ❖显影 development ❖坚膜 postbake ❖刻蚀 etch ❖去胶 strip ❖检验 inspection
1、涂胶
SiO2
Si （1）氧化、清洗
光刻胶 SiO2
Si （2）涂胶、前烘
1、涂胶
❖ 在图形曝光的工 作区域，则需要等级 10或1的洁净室。
lithography
❖Introduction
❖ 光刻 ▪ 洁净室 ▪ 工艺流程 ▪ 光刻机 ▪ 光刻胶 ▪ 掩膜版
光刻原理（1）
❖ 掩膜版图形转移到光刻胶
▪ 在光刻过程中，光刻胶受到光辐射之后发生光 化学反应，其内部分子结构发生变化，在显影 液中光刻胶感光部分与未感光部分的溶解速度 相差非常大。
❖涂胶目的
▪ 在硅片表面形成厚度均匀、附着性强、并且没 有缺陷的光刻胶薄膜。
❖怎样才能让光刻胶粘的牢一些？
可以开始涂胶了……
❖ 怎么涂？
▪ 旋转涂胶法：把胶滴在硅片，然后使硅片高速旋转， 液态胶在旋转中因离心力作用由轴心沿径向（移动） 飞溅出去，但粘附在硅表面的胶受粘附力的作用而留 下。在旋转过程中胶所含的溶剂不断挥发，故可得到 一层均匀的胶膜
▪ （2）等级为M3.5的洁净室（公制），直径大 于或等于0.5um的尘埃粒子总数不超过103.5 （约3500个/m3)
❖ 100个/ft3= 3500个/m3
▪ 一个英制等级100的洁净室相当于公制等级 M3.5的洁净室。
洁净室（4）
❖ 对一般的IC制造 区域，需要等级100 的洁净室，约比一般 室内空气低4个数量 级。
Resist coat (wafer track)
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微电子工艺学
Microelectronic Processing 第六章 光刻与刻蚀工艺
张道礼 教授 Email: zhang-daoli@ Voice: 87542894
6.1 概述
微电子单项工艺
掺杂 薄膜制备 图形转移
扩散掺杂 离子注入掺杂 物理气相淀积 化学气相淀积
外延 光刻 刻蚀
6.1 概述
图 (a)为显影后的晶片。晶片再 次于120℃～180 ℃之间烘烤 20min，以加强对衬底的附着 力和即将进行的刻蚀步骤的抗 蚀能力。然后，使用缓冲氢氟 酸作酸刻蚀液来移除没有被光 刻胶保护的一。氧化硅表面， 如图4(b)所示。最后，使用化 学溶剂或等离子体氧化系统剥 离(stripped)光刻胶。图 (c)显 示光刻步骤之后，没有氧化层 区域(一个窗户)的最终结果。晶 片此时已经完成准备工作，可 接着用扩散或离子注入步骤形 成p-n结。
因此光刻是主流微电子制造过程中最复杂、昂贵和关键的 工艺；
b. 随着器件和电路特征尺寸的不断缩小，光刻工艺 已成为微电子技术进一步发展的主要瓶颈。
在目前基础上进一步缩小光刻图形尺寸会遇到一系 列技术上甚至理论上的难题，因此大批科学家和工程师正 在从光学、物理学、化学、精密机械、自动控制以及电子 技术等不同途径对光刻技术进行深入的研究和探索。
8.2 光刻工艺
光刻胶的性能参数 a. 光学性质：如灵敏度、分辨率、对比度、折射率； b. 力学和化学性质 ：如固溶度、黏滞度、抗蚀性、热稳定性、流 动性和对环境气氛的敏感度； c. 其它性质：如纯度、金属含量、可使用范围、有效期和燃点； 一、分辨率
分辨率是指每毫米宽度内能够光刻出可分辨的最多线对数，它 是对光刻工艺可以达到的最小图形尺寸的一种描述。在线宽 L 与 线条间距相等的情况下，分辨率为：R 1 (mm1) ，光刻分辨率受
6.1 概述
在扩散方法中，没有被SiO2
保护的半导体表面暴露在相 反型态的高浓度杂质中。杂 质利用固态扩散的方式，进 入半导体晶格。在离子注入 时，将欲掺杂的杂质离子加 速到一高能级，然后注入半 导体内。 SiO2可作为阻挡杂 质扩散或离子注入的阻挡层。 在扩散或离子注入步骤之后， p-n结已经形成，如图(d)所 示。由于被注入的离子横向 扩散或横向散开(lateral straggle，又译横向游走)的 关系，P型区域会比所开的窗 户稍微宽些。
在使用正胶曝光的过程中，要注意光刻胶与曝光源之间的匹配 关系。光刻胶与曝光波长之间的谐调非常重要，因为其它谱系的光 线（如黄光和绿光）对光刻胶也会产生一定曝光效果。一般要求非 曝光区对光波的吸收系数不能大于40％，否则将影响曝光图形。
8.2 光刻工艺
三、对比度 对比度是衡量光刻胶区分掩模版上亮区与暗区的能
合物为主要材料的照相制版技术。集成电路发明至今，
电路集成度提高了六个数量级以上，主要归功于光刻技
术的进步。
光学曝光
遮蔽式曝光 投影式曝光
曝光方式
非光学曝光
电子束曝光 X 射线曝光 超紫外光曝光
离子束曝光
8.2 光刻工艺
光刻工艺的重要性源于两个方面： a. 微电子制造需进行多次光刻，耗费总成本的30％。
下图(a)为典型的曝光反应曲线与正胶的影像截面图。反应曲线描述
在曝光与显影过程后，残存刻胶的百分率与曝光能量间的关系。值
得注意的是，即使未被曝光，少量刻胶也会溶于显影液中。 图 (a)的截面图说明了掩模 版图形边缘与曝光后光刻 胶图形边缘的关系。由于 衍射，光刻胶图形边缘一 般并不位于掩模版边缘垂 直投影的位置，而是位于 光总吸收能量等于其阈值 能量ET处。 图 (b)为负胶的曝光反应曲 线与图形的截面图。
6.1 概述
基本工艺步骤：平面工艺技术已广泛应用于现 今的集成电路(IC)工艺。显示平面工艺的几个主 要步骤包含氧化(oxidation)、光刻 (1ithography)、离子注入(ion implant)和金属 化(metallization)。
6.1 概述
氧化：高品质SiO2的成功开发，是
6.1 概述
光刻技术被用来界定p-n结的几何形状。
在形成SiO2之后。利用高速旋转机，将晶 片表面旋涂一层对紫外光敏感的材料，称 为光刻胶(photo-resist)。将晶片从旋转机 拿下之后[图 (c)]，在80C～100C之间烘烤。 以驱除光刻胶中的溶剂并硬化光刻胶，加 强光刻胶与晶片的附着力。如图 (d)所示， 下一个步骤使用UV光源，通过一有图案的 掩模版对晶片进行曝光。对于被光刻胶覆 盖的晶片在其曝光的区域将依据光刻胶的 型态进行化学反应。而被暴露在光线中的 光刻胶会进行聚合反应，且在刻蚀剂中不 易去除。聚合物区域在晶片放进显影剂 (developer)后仍然存在，而未被曝光区域 (在不透明掩模版区域之下)会溶解并被洗去。
正胶 ><
>< 断链
8.2 光刻工艺
负胶是一种含有感光剂的聚合物。曝光时，感光剂将吸收的光 能转变为化学能而引起链反应，聚合物分子间发生交联，形成不 溶于显影液的高分子交联聚合物。显影后，未感光部分的光刻胶 被去除。负胶的主要缺点是显影时吸收显影液溶剂而膨胀，限制 了其分辨率。
负胶
交联
8.2 光刻工艺
当曝光剂量达到 D100 以 上时，感光区剩余膜厚最终达 到初始时负胶的厚度。因此， 负胶的对比度取决于曲线的曝 光剂量取对数坐标之后得到的 斜率。
光刻胶留膜率
曝光剂量
负胶光刻胶对比度曲线
8.2光剂量的关系如右图所示。
D0为感光区光刻胶在显影液中 完全不溶，即在光刻胶上不产
这些图案可用来定义集成电路中各种不同区域，如离子注入、 接触窗(contact window)与压焊垫(bonding-pad)区。而由光刻所 形成的光刻胶图案，并不是电路器件的最终部分，而只是电路图形 的印模。
6.1 概述
在集成电路制造中，主要的光刻设备是利用紫外光(≈0.2～ 0.4m)的光学仪器。
刻蚀：在光刻胶掩蔽下，根据需要形成微图形的膜层不同，采 用不同的刻蚀物质和方法在膜层上进行选择性刻蚀。
这样，去掉光刻胶以后，三维设计图形就转移到了衬底的相关 膜层上。图形转移工艺是如此重要，以至一种微电子工艺技术的水 平通常以光刻和刻蚀的图形线宽（特征尺寸）表示。
8.2 光刻工艺
光刻（lithography）是以一种被称为光刻胶的光敏感聚
6.1 概述
在扩散或离子注入步骤之后，欧
姆接触和连线在接着的金属化
步骤完成[图 (e)]。金属薄膜可以 用物理气相淀积和化学气相淀积 来形成。光刻步骤再度用来定义 正面接触点，如图 (f)所示。一 相似的金属化步骤可用来定义背 面接触点，而不用光刻工艺。一 般而言，低温(≤500。C)的退火 步骤用来促进金属层和半导体之 间的低电阻接触点。随着金属化 的完成，p-n结已经可以工作了。
1.2m 1.2m
1m 1m
0.8 - 1.5m
层次索引
接触孔（14层） 第一层金属（15层） 有源区（3层） 栅（10层）
8.2 光刻工艺
光刻胶 光刻胶（photoresist，又称光致抗蚀剂）是一类对辐照敏感的、
由碳、氢、氧等元素组成的有机高分子化合物，这类化合物中均含 有一种可以由特定波长的光引发化学反应的感光剂（PAC: photoactive compound）。依其对光照的反应分成正性光刻胶 与负性光刻胶。
推动硅(Si)集成电路成为商用产品主 流的一大动力。一般说来， SiO2可 作为许多器件结构的绝缘体，或在 器件制作过程中作为扩散或离子注 入的阻挡层。如在p-n结的制造过程 中， SiO2薄膜可用来定义结的区域。 图 (a)显示一无覆盖层的硅晶片，正 准备进行氧化步骤。在氧化步骤结 束后，一层SiO2就会均匀地形成在 晶片表面。为简化讨论，图 (b)只显 示被氧化晶片的上表层。
在一定外界条件（如曝光）的作用下，光刻胶的分子结构由于 光化学反应而发生变化，进而引起其化学、物理或机械性质发生相 应变化，例如在显影液中的溶解度发生变化，由可溶性变为不可溶 性或者相反。这样，光刻胶感光部分与未感光部分在显影液中的溶 解速度就出现差异。在微电子工艺中，就是利用光刻胶的这一特性 来进行光刻的。
8.2 光刻工艺
以ULSI为例，对光刻技术的基本要求包括几个方面： a. 高分辨率：以线宽作为光刻水平的标志； b. 高灵敏度光刻胶：为提高产量，希望曝光时间尽量短； c. 低缺陷：光刻引入缺陷所造成的影响比其它工艺更为严重； d. 精密的套刻对准：一般器件结构允许套刻误差为线宽的10％； e. 对大尺寸基片的加工：在大尺寸基片上光刻难度更大。
数（MTF），它可以用来描述曝光图形的质量： MTF Imax Imin
2L
光刻系统、光刻胶和光刻等多方面因素影响。
8.2 光刻工艺
二、灵敏度
光刻胶的灵敏度是指完成光刻所需最小曝光剂量（光能量， mJ/cm2）。对于光化学反应，灵敏度是由曝光效率决定的，而曝 光效率可以定义为参与曝光的光子能量与进入光刻胶的光子能量的 比值。通常正胶比负胶有更高的曝光效率，因此正胶的灵敏度比较 大。对于一个给定的曝光强度，灵敏度大的光刻胶曝光时间较短， 且曝光效果较好。但如果灵敏度过大，光刻胶在室温下就可能发生 热分解，使其储存有效期缩短。
生曝光图形所允许的最大曝光
剂量。D100为感光区光刻胶在 显影液中完全可溶所需的最小
曝光剂量。可以看出，感光区
剩余膜厚随曝光剂量的增加逐
渐减小。对比度与该曲线外推
斜率的绝对值有关：
1
log10 (D100 / D0 )
光刻胶留膜率
曝光剂量
正胶光刻胶对比度曲线
8.2 光刻工艺
在理想曝光过程中，辐照在光刻胶上的投影区域应该与掩模版 的透光区域完全相同，其它区域没有辐照投影。但在实际曝光过程 中，由于衍射和散射的影响，光刻胶所受辐照具有一定分布，因此 显影后剩余光刻胶层的侧面通常有一定斜坡。
Microelectronic Processing 第六章 光刻与刻蚀工艺
张道礼 教授 Email: zhang-daoli@ Voice: 87542894
6.1 概述
微电子单项工艺
掺杂 薄膜制备 图形转移
扩散掺杂 离子注入掺杂 物理气相淀积 化学气相淀积
外延 光刻 刻蚀
6.1 概述
图 (a)为显影后的晶片。晶片再 次于120℃～180 ℃之间烘烤 20min，以加强对衬底的附着 力和即将进行的刻蚀步骤的抗 蚀能力。然后，使用缓冲氢氟 酸作酸刻蚀液来移除没有被光 刻胶保护的一。氧化硅表面， 如图4(b)所示。最后，使用化 学溶剂或等离子体氧化系统剥 离(stripped)光刻胶。图 (c)显 示光刻步骤之后，没有氧化层 区域(一个窗户)的最终结果。晶 片此时已经完成准备工作，可 接着用扩散或离子注入步骤形 成p-n结。
因此光刻是主流微电子制造过程中最复杂、昂贵和关键的 工艺；
b. 随着器件和电路特征尺寸的不断缩小，光刻工艺 已成为微电子技术进一步发展的主要瓶颈。
在目前基础上进一步缩小光刻图形尺寸会遇到一系 列技术上甚至理论上的难题，因此大批科学家和工程师正 在从光学、物理学、化学、精密机械、自动控制以及电子 技术等不同途径对光刻技术进行深入的研究和探索。
8.2 光刻工艺
光刻胶的性能参数 a. 光学性质：如灵敏度、分辨率、对比度、折射率； b. 力学和化学性质 ：如固溶度、黏滞度、抗蚀性、热稳定性、流 动性和对环境气氛的敏感度； c. 其它性质：如纯度、金属含量、可使用范围、有效期和燃点； 一、分辨率
分辨率是指每毫米宽度内能够光刻出可分辨的最多线对数，它 是对光刻工艺可以达到的最小图形尺寸的一种描述。在线宽 L 与 线条间距相等的情况下，分辨率为：R 1 (mm1) ，光刻分辨率受
6.1 概述
在扩散方法中，没有被SiO2
保护的半导体表面暴露在相 反型态的高浓度杂质中。杂 质利用固态扩散的方式，进 入半导体晶格。在离子注入 时，将欲掺杂的杂质离子加 速到一高能级，然后注入半 导体内。 SiO2可作为阻挡杂 质扩散或离子注入的阻挡层。 在扩散或离子注入步骤之后， p-n结已经形成，如图(d)所 示。由于被注入的离子横向 扩散或横向散开(lateral straggle，又译横向游走)的 关系，P型区域会比所开的窗 户稍微宽些。
在使用正胶曝光的过程中，要注意光刻胶与曝光源之间的匹配 关系。光刻胶与曝光波长之间的谐调非常重要，因为其它谱系的光 线（如黄光和绿光）对光刻胶也会产生一定曝光效果。一般要求非 曝光区对光波的吸收系数不能大于40％，否则将影响曝光图形。
8.2 光刻工艺
三、对比度 对比度是衡量光刻胶区分掩模版上亮区与暗区的能
合物为主要材料的照相制版技术。集成电路发明至今，
电路集成度提高了六个数量级以上，主要归功于光刻技
术的进步。
光学曝光
遮蔽式曝光 投影式曝光
曝光方式
非光学曝光
电子束曝光 X 射线曝光 超紫外光曝光
离子束曝光
8.2 光刻工艺
光刻工艺的重要性源于两个方面： a. 微电子制造需进行多次光刻，耗费总成本的30％。
下图(a)为典型的曝光反应曲线与正胶的影像截面图。反应曲线描述
在曝光与显影过程后，残存刻胶的百分率与曝光能量间的关系。值
得注意的是，即使未被曝光，少量刻胶也会溶于显影液中。 图 (a)的截面图说明了掩模 版图形边缘与曝光后光刻 胶图形边缘的关系。由于 衍射，光刻胶图形边缘一 般并不位于掩模版边缘垂 直投影的位置，而是位于 光总吸收能量等于其阈值 能量ET处。 图 (b)为负胶的曝光反应曲 线与图形的截面图。
6.1 概述
基本工艺步骤：平面工艺技术已广泛应用于现 今的集成电路(IC)工艺。显示平面工艺的几个主 要步骤包含氧化(oxidation)、光刻 (1ithography)、离子注入(ion implant)和金属 化(metallization)。
6.1 概述
氧化：高品质SiO2的成功开发，是
6.1 概述
光刻技术被用来界定p-n结的几何形状。
在形成SiO2之后。利用高速旋转机，将晶 片表面旋涂一层对紫外光敏感的材料，称 为光刻胶(photo-resist)。将晶片从旋转机 拿下之后[图 (c)]，在80C～100C之间烘烤。 以驱除光刻胶中的溶剂并硬化光刻胶，加 强光刻胶与晶片的附着力。如图 (d)所示， 下一个步骤使用UV光源，通过一有图案的 掩模版对晶片进行曝光。对于被光刻胶覆 盖的晶片在其曝光的区域将依据光刻胶的 型态进行化学反应。而被暴露在光线中的 光刻胶会进行聚合反应，且在刻蚀剂中不 易去除。聚合物区域在晶片放进显影剂 (developer)后仍然存在，而未被曝光区域 (在不透明掩模版区域之下)会溶解并被洗去。
正胶 ><
>< 断链
8.2 光刻工艺
负胶是一种含有感光剂的聚合物。曝光时，感光剂将吸收的光 能转变为化学能而引起链反应，聚合物分子间发生交联，形成不 溶于显影液的高分子交联聚合物。显影后，未感光部分的光刻胶 被去除。负胶的主要缺点是显影时吸收显影液溶剂而膨胀，限制 了其分辨率。
负胶
交联
8.2 光刻工艺
当曝光剂量达到 D100 以 上时，感光区剩余膜厚最终达 到初始时负胶的厚度。因此， 负胶的对比度取决于曲线的曝 光剂量取对数坐标之后得到的 斜率。
光刻胶留膜率
曝光剂量
负胶光刻胶对比度曲线
8.2光剂量的关系如右图所示。
D0为感光区光刻胶在显影液中 完全不溶，即在光刻胶上不产
这些图案可用来定义集成电路中各种不同区域，如离子注入、 接触窗(contact window)与压焊垫(bonding-pad)区。而由光刻所 形成的光刻胶图案，并不是电路器件的最终部分，而只是电路图形 的印模。
6.1 概述
在集成电路制造中，主要的光刻设备是利用紫外光(≈0.2～ 0.4m)的光学仪器。
刻蚀：在光刻胶掩蔽下，根据需要形成微图形的膜层不同，采 用不同的刻蚀物质和方法在膜层上进行选择性刻蚀。
这样，去掉光刻胶以后，三维设计图形就转移到了衬底的相关 膜层上。图形转移工艺是如此重要，以至一种微电子工艺技术的水 平通常以光刻和刻蚀的图形线宽（特征尺寸）表示。
8.2 光刻工艺
光刻（lithography）是以一种被称为光刻胶的光敏感聚
6.1 概述
在扩散或离子注入步骤之后，欧
姆接触和连线在接着的金属化
步骤完成[图 (e)]。金属薄膜可以 用物理气相淀积和化学气相淀积 来形成。光刻步骤再度用来定义 正面接触点，如图 (f)所示。一 相似的金属化步骤可用来定义背 面接触点，而不用光刻工艺。一 般而言，低温(≤500。C)的退火 步骤用来促进金属层和半导体之 间的低电阻接触点。随着金属化 的完成，p-n结已经可以工作了。
1.2m 1.2m
1m 1m
0.8 - 1.5m
层次索引
接触孔（14层） 第一层金属（15层） 有源区（3层） 栅（10层）
8.2 光刻工艺
光刻胶 光刻胶（photoresist，又称光致抗蚀剂）是一类对辐照敏感的、
由碳、氢、氧等元素组成的有机高分子化合物，这类化合物中均含 有一种可以由特定波长的光引发化学反应的感光剂（PAC: photoactive compound）。依其对光照的反应分成正性光刻胶 与负性光刻胶。
推动硅(Si)集成电路成为商用产品主 流的一大动力。一般说来， SiO2可 作为许多器件结构的绝缘体，或在 器件制作过程中作为扩散或离子注 入的阻挡层。如在p-n结的制造过程 中， SiO2薄膜可用来定义结的区域。 图 (a)显示一无覆盖层的硅晶片，正 准备进行氧化步骤。在氧化步骤结 束后，一层SiO2就会均匀地形成在 晶片表面。为简化讨论，图 (b)只显 示被氧化晶片的上表层。
在一定外界条件（如曝光）的作用下，光刻胶的分子结构由于 光化学反应而发生变化，进而引起其化学、物理或机械性质发生相 应变化，例如在显影液中的溶解度发生变化，由可溶性变为不可溶 性或者相反。这样，光刻胶感光部分与未感光部分在显影液中的溶 解速度就出现差异。在微电子工艺中，就是利用光刻胶的这一特性 来进行光刻的。
8.2 光刻工艺
以ULSI为例，对光刻技术的基本要求包括几个方面： a. 高分辨率：以线宽作为光刻水平的标志； b. 高灵敏度光刻胶：为提高产量，希望曝光时间尽量短； c. 低缺陷：光刻引入缺陷所造成的影响比其它工艺更为严重； d. 精密的套刻对准：一般器件结构允许套刻误差为线宽的10％； e. 对大尺寸基片的加工：在大尺寸基片上光刻难度更大。
数（MTF），它可以用来描述曝光图形的质量： MTF Imax Imin
2L
光刻系统、光刻胶和光刻等多方面因素影响。
8.2 光刻工艺
二、灵敏度
光刻胶的灵敏度是指完成光刻所需最小曝光剂量（光能量， mJ/cm2）。对于光化学反应，灵敏度是由曝光效率决定的，而曝 光效率可以定义为参与曝光的光子能量与进入光刻胶的光子能量的 比值。通常正胶比负胶有更高的曝光效率，因此正胶的灵敏度比较 大。对于一个给定的曝光强度，灵敏度大的光刻胶曝光时间较短， 且曝光效果较好。但如果灵敏度过大，光刻胶在室温下就可能发生 热分解，使其储存有效期缩短。
生曝光图形所允许的最大曝光
剂量。D100为感光区光刻胶在 显影液中完全可溶所需的最小
曝光剂量。可以看出，感光区
剩余膜厚随曝光剂量的增加逐
渐减小。对比度与该曲线外推
斜率的绝对值有关：
1
log10 (D100 / D0 )
光刻胶留膜率
曝光剂量
正胶光刻胶对比度曲线
8.2 光刻工艺
在理想曝光过程中，辐照在光刻胶上的投影区域应该与掩模版 的透光区域完全相同，其它区域没有辐照投影。但在实际曝光过程 中，由于衍射和散射的影响，光刻胶所受辐照具有一定分布，因此 显影后剩余光刻胶层的侧面通常有一定斜坡。