光刻与刻蚀工艺流程
集成电路制造工艺之光刻与刻蚀工艺
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。
光刻与刻蚀工艺流程
光刻与刻蚀工艺流程光刻和刻蚀是半导体工艺中重要的步骤，用于制备芯片中的电路。
光刻是一种通过使用光敏剂和光刻胶来转移图案到硅片上的技术。
刻蚀则是指使用化学物质或物理能量来去除或改变表面的材料。
光刻工艺流程分为四个主要步骤：准备硅片、涂敷光刻胶、曝光和开发。
首先，准备硅片。
这包括清洗硅片表面以去除杂质和污染物，然后通过浸泡于化学溶液中或使用化学气相沉积等方法在硅片上形成一层光刻胶的基础层。
第二步是涂敷光刻胶。
将光刻胶倒入旋转涂胶机的旋转碟中，然后将硅片放置在碟上。
通过旋转碟和光刻胶的黏度控制，使光刻胶均匀地铺在硅片上。
光刻胶的厚度取决于所需的图案尺寸和深度。
第三步是曝光。
在光刻机中，将掩膜对准硅片，然后使用紫外线照射光刻胶。
掩膜是一个透明的玻璃或石英板，上面有所需的电路图案。
曝光过程中，光刻胶中的光敏剂会发生化学反应，使得光刻胶在被曝光的区域变得溶解性，而未被曝光的区域仍保持完整。
最后一步是开发。
在开发过程中，使用盐酸、溶液或者有机溶剂等化学溶液将未曝光的光刻胶从硅片上溶解掉。
溶解后就会出现光刻胶的图案，这相当于将掩膜中的图案转移到硅片上。
在完成开发后，再对硅片进行清洗和干燥的处理。
刻蚀工艺流程通常根据需要的深度和形状来选择不同的刻蚀技术。
常见的刻蚀技术有湿刻蚀和干刻蚀。
湿刻蚀是将硅片浸泡在一个含有化学溶液的反应槽中，溶液会去除不需要的材料。
刻蚀速度取决于化学溶液中的浓度和温度以及刻蚀时间。
湿刻蚀通常用于较浅的刻蚀深度和简单的结构。
干刻蚀是使用物理能量如等离子体来去除材料。
等离子体刻蚀分为反应离子束刻蚀(RIE)和电感耦合等离子体刻蚀(ICP)。
在等离子体刻蚀中，通过加热到高温的氩气等离子体释放离子，离子会以高速束流撞击竖立在硅片表面的物质，去除不需要的材料。
干刻蚀通常用于深刻蚀和复杂的纳米级结构。
在刻蚀过程中，为了保护不需要刻蚀的区域，通常会将硅片用光刻胶进行覆盖。
在刻蚀结束后，光刻胶可以去除，暴露出所需要的图案。
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
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。
第八章光刻与刻蚀工艺
8.1 光刻工艺流程
2.涂胶Spin Coating ①对涂胶的要求：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√
Photoresist Spin Coater
EBR: Edge bead removal边缘修复
8.6.6 投影式曝光
利用光学系统，将光刻版的图形投影在硅片上。
8.6.6 投影式曝光
优点：光刻版不受损伤， 对准精度高。 缺点：光学系统复杂， 对物镜成像要求高。 用于3μm以下光刻。
分步重复投影光刻机--Stepper
采用折射式光学系统和4X~5X的缩小透镜。 光刻版： 4X~5X； 曝光场：一次曝光只有硅片的一部分； 采用了分步对准聚焦技术。
h 2 2m E
a. E给定：m↑→ΔL↓→R↑，即R离子 > R电子 b. m给定：E↑→ΔL↓→R↑
8.3 光刻胶的 基本属性
1）光刻胶类型：正胶和负胶 ①正胶：显影时，感光部分 溶解，未感光部分不溶解； ②负胶：显影时，感光部分 不溶解，不感光部分溶解。
正胶（重氮萘醌）的光分解机理
负胶（聚乙烯醇肉桂酸脂）的光聚合机理
8.1 光刻工艺流程
③影响显影效果的主要因素： ⅰ）曝光时间； ⅱ）前烘的温度与时间； ⅲ）胶膜的厚度； ⅳ）显影液的浓度； ⅴ）显影液的温度； ④显影时间适当 t太短：可能留下光刻胶薄层→阻挡腐蚀SiO2(金属） →氧化层“小岛”。 t太长：光刻胶软化、膨胀、钻溶、浮胶 →图形边缘破坏。
第八章 光刻与刻蚀工艺
掩模版
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。 掩膜版尺寸：①接触式和接近式曝光机：1∶1 ②分步重复投影光刻机（Stepper）： 4∶1；5∶1；10∶1
光刻与刻蚀工艺流程
Mask制作
！！！ 留意：正图 / 反图 ！！！
曝光剂量
曝光剂量是指光刻胶所吸取紫外光的总和，曝光剂量可用下 式来表示：
E(x)I(x)t
式中Ex为光刻胶的曝光剂量〔mJ/cm2〕，Ix为曝光灯发出的 光强〔mW/cm2〕，t为曝光时间(s)。
在光刻工艺中， 当曝光剂量Ex >E0时：光刻胶显影后能完全去除； 当曝光剂量Ex <E0时: 光刻胶显影时会残留余胶；
❖ 高区分率 High Resolution； ❖ 高光敏性 High PR Sensitivity ❖ 准确对准 Precision Alignment
+PR & -PR
Negative Photo-resist 负性光刻胶－负胶
Positive Photo-resist 正性光刻胶－正胶
曝光后不可溶解 显影时未曝光的被溶解 便宜
曝光后可溶解 显影时曝光的被溶解 高分辨率
+PR & -PR根本原理
正胶工艺
基板处理
负胶工艺
涂胶 + 烘烤 曝光
显影、光刻
+PR & -PR 树脂分子构造
正胶：曝光时切断树脂聚合体主链和从链之 间的联系，到达减弱聚合体的目的，所以曝光 后光刻胶在随后的显影处理中溶解度上升，曝 光后溶解度几乎是未曝光时的10倍；更高区分 率〔无膨胀现象〕在IC制造应用更为普遍；
光刻胶涂布-旋转涂布法
滴胶 基片
旋转
旋涂结果
旋转涂布也称为甩胶，用转速和旋转时间可自由设定的甩胶机来进展，是利用高 速旋转的离心力作用，将光刻胶在基片外表均匀地开放，多余的光刻胶被甩掉， 最终获得肯定厚度的光刻胶膜，光刻胶的膜厚是由光刻胶的粘度和甩胶的转速来 掌握，通常这种方法可以获得优于±2%的涂布均匀性〔边缘除外〕。光刻胶涂 布的厚度与转速、时间、胶的特性有关系，此外旋转时产生的气流也会有肯定的 影响。同时也存在肯定的缺陷：气泡、彗星(胶层上存在的一些颗粒)、条纹、边 缘效应等，其中边缘效应对于小片和不规章片尤为明显。
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显影
Jincheng Zhang
显影后剖面
正常显影
不完全显影
欠显影
Jincheng Zhang
过显影
光刻9－坚膜（Hard Bake）
蒸发PR中所有有机溶剂
提高刻蚀和注入的抵抗力 提高光刻胶和表面的黏附性 聚合和使得PR更加稳定 PR流动填充针孔
Jincheng Zhang
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，Y 方向错位
临界尺寸Critical dimension (CD)（条宽） 表面不规则：划痕、针孔、瑕疵和污染物
Jincheng Zhang
未对准问题
Jincheng Zhang
Jincheng Zhang
光衍射
光衍射影响分辨率
衍射光
投射光 强度
Jincheng Zhang
衍射光的减小
波长越短，衍射越弱 光学凸镜能够收集衍射光并增强图像
偏离的折射光
被凸镜收集 的衍射光
Jincheng Zhang
数值孔径（Numerical Aperture：NA）
过坚膜
－光刻胶流动造成分辨率变差
Jincheng Zhang
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
过坚膜
Jincheng Zhang
光刻10－图形检测（Pattern Inspection）
• 检查发现问题，剥去光刻胶，重新开始
– 光刻胶图形是暂时的 – 刻蚀和离子注入图形是永久的 • 光刻工艺是可以返工的， 刻蚀和注入以后就不能再返工 • 检测手段：SEM（扫描电子显微镜）、光学显微镜
接触式曝光
Jincheng Zhang
接近式曝光机
掩膜与圆片表面有5－50μm间距 优点：较长的掩膜寿命 缺点：分辨率低（线宽> 3 um）
Jincheng Zhang
接近式曝光机
Jincheng Zhang
接近式曝光
Jincheng Zhang
投影式曝光机
类似于投影仪 掩膜与晶圆图形 1:1 分辨率：～1 um
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
对光刻胶的要求
高分辨率
– Thinner PR film has higher the resolution – Thinner PR film, the lower the etching and ion implantation resistance
Jincheng Zhang
光刻胶厚度与旋转速率和粘性的关系
Jincheng Zhang
滴胶
Jincheng Zhang
光刻胶吸回
Jincheng Zhang
Photoresist Spin Coating
Jincheng Zhang
Photoresist Spin Coating
Jincheng Zhang
光刻4－前烘
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。 ②影响因素：温度，时间。 烘焙不足（温度太低或时间太短）－显影时易浮胶， 图形易变形。 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。 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。
和欠曝光的光刻胶分子发生重分布；
作用：平衡驻波效应，提高分辨率。
Jincheng Zhang
PEB减小驻波效应
Jincheng Zhang
光刻8－显影(Development)
显影液溶剂溶解掉光刻胶中软化部分
从掩膜版转移图形到光刻胶上 三个基本步骤: – 显影 – 漂洗 – 干燥
Jincheng Zhang
Jincheng Zhang
投影系统
Jincheng Zhang
步进式曝光机
现代IC制造中最常用的曝光工具 通过曝光缩小掩膜图形以提高分辨率 分辨率：0.25 μm 或更小 设备很昂贵
Jincheng Zhang
步进-&-重复
对准/曝光
Jincheng Zhang
曝光光源
Jincheng Zhang
10、图形检测 Pattern Inspection
Jincheng Zhang
光刻1－硅片清洗
目的 --去除污染物、颗粒 --减少针孔和其它缺陷 --提高光刻胶黏附性 基本步骤 – 化学清洗 – 漂洗 – 烘干
Jincheng Zhang
光刻2－预烘
脱水烘焙--去除圆片表面的潮气 增强光刻胶与表面的黏附性
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
9、坚膜 Hard Bake
电子束曝光E-Beam
λ＝几十－100Å ；可获得最小尺寸: 14 nm 用于制造掩膜和刻线
可以直写, 不需要掩膜
– 效率很低
Jincheng Zhang
光刻总结
光刻：临时的图形转移过程 IC生长中最关键的工艺 需要：高分辨率、低缺陷密度 光刻胶：正和负 工艺过程：预烘、底胶旋涂、PR旋涂、前烘、对准、 曝光、后烘PEB、显影、坚膜、检测 分辨率R与λ、NA的关系 下一代光刻技术：EUV和电子束光刻
Positive Photoresist 正性光刻胶－正胶 曝光后可溶解 显影时曝光的被溶解 高分辨率
Jincheng Zhang
负胶的缺点
聚合物吸收显影液中的溶剂
由于光刻胶膨胀而使分辨率降低 其主溶剂，如二甲苯等会引起环境和安全问题
Jincheng Zhang
正胶 Positive Photoresist
l = 10 到14 nm
更高分辨率 预期应用 ~ 2010年
0.1 mm 和以下
Jincheng Zhang
X射线光刻（X-ray lithography）
λ＝2-40Å ，软X射线； 类似于接近式曝光机 很难找到纯的 X-ray源
掩膜制造存在挑战
不大可能在生产中使用
Jincheng Zhang
光刻胶热流动填充针孔
Jincheng Zhang
坚膜（Hard Bake）
热板最为常用
检测后可在烘箱中坚膜
坚膜温度: 100 到130 °C
坚膜时间：1 到2 分钟
坚膜温度通常高于前烘温度
Jincheng Zhang
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
Jincheng Zhang
5&6、Alignment and Exposure
Most critical process for IC fabrication Most expensive tool (stepper) in an IC fab. Most challenging technology Determines the minimum feature size Currently 0.13 μm and pushing to 0.09 or 0.065 μm
图形检测
通过图形检测，即可进入下一步工艺
刻蚀或离子注入
Jincheng Zhang
光刻间全部流程
Jincheng Zhang
未来趋势 Future Trends
更小特征尺寸 Smaller feature size
更高分辨率 Higher resolution 减小波长 Reducing wavelength 采用相移掩膜 Phase-shift mask
短波长 高亮度（高光强） 稳定
高压汞灯 受激准分子激光器
Jincheng Zhang
驻波效应
入射光与反射光干涉
周期性过曝光和欠曝光 影响光刻分辨率
Jincheng Zhang
光刻胶中的驻波效应
Jincheng Zhang
光刻7－曝光后烘焙（后烘，PEB）
机理：光刻胶分子发生热运动，过曝光
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.
Jincheng Zhang
高抗蚀性
好黏附性
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