LED芯片制造之光刻简介
半导体光刻工艺介绍
半导体光刻工艺介绍
半导体光刻工艺是半导体制造中最为重要的工序之一。
主要作用是将图形信息从掩模版（也称掩膜版）上保真传输、转印到半导体材料衬底上。
以下是光刻工艺的主要步骤：
硅片清洗烘干：湿法清洗＋去离子水冲洗＋脱水烘焙（热板150～250℃,1～2分钟，氮气保护）。
涂底：气相成底膜的热板涂底。
旋转涂胶：静态涂胶（Static）。
软烘：真空热板，85～120℃,30～60秒。
对准并曝光：光刻机通常采用步进式 (Stepper)或扫描式 (Scanner)等，通过近紫外光 (Near Ultra-Violet，NUV)、中紫外光 (Mid UV，MUV)、深紫外光(Deep UV，DUV)、真空紫外光 (Vacuum UV，VUV)、极短紫外光 (Extreme UV，EUV)、X-光 (X-Ray)等光源对光刻胶进行曝光，使得晶圆内产生电路图案。
后烘：PEB，Post Exposure Baking。
显影：Development。
硬烘：Hard Baking。
光刻工艺的基本原理是利用涂敷在衬底表面的光刻胶的光化学反应作用，记录掩模版上的器件图形，从而实现将集成器件图形从设计转印到衬底的目的。
光刻的概念
光刻的概念
光刻是一种用于精密制造微电子芯片的关键工艺。
它是将光源通过掩膜形成的图案，映射在光刻胶层上的过程。
光刻是半导体工艺中最重要的步骤之一，常用于制造芯片、平板显示器和其他微加工领域。
光刻的过程主要包括光源、掩膜、光刻机和光刻胶四个部分。
首先，光源产生高能紫外光，并通过光学系统聚焦到掩膜上。
掩膜是一张玻璃板上刻有芯片设计图案的薄膜，它将设计图案投影到光刻胶层上。
当紫外光通过掩膜时，它会被掩膜上的图案部分阻挡，只有透过空白区域的光能够通过。
这样，光刻胶层上的光敏物质会发生化学反应，使得光刻胶在暴露部分变得溶解性，而未暴露的部分保持不变。
下一步是将光刻胶进行显影，即将光刻胶层中溶解的部分去除，只保留需要的图案。
然后，在光刻胶层的图案上进行材料的蚀刻或沉积，从而形成芯片所需的结构。
最后，去除剩余的光刻胶，留下清晰的图案，完成光刻。
光刻技术的精度和分辨率决定了芯片的制造质量。
目前，随着微电子技术的不断发展，光刻技术也得到了不断的改进。
例如，通过使用更高分辨率的掩膜和更强的光源，可以实现更小的芯片特征尺寸，提高芯片的集成度和性能。
总而言之，光刻是微电子制造中至关重要的工艺，它通过将光源的图案映射到光刻胶层上，实现微芯片的精确加工。
它在信息技术、通信、医疗设备等领域都发挥着重要的作用，并为我们带来了丰富的科技创新与发展。
LED芯片制造之光刻简介
3000－5000K 中间（白色） 爽快
>5000K 清凉型（带蓝的白色） 冷
➢ 光通量（lm） 指人眼所能感觉到的辐射功率，某一光源向四周空间中发 射的总能量。由于人眼对不同波长光的相对视见率不同， 所以不同波长光的辐射功率相等时，其光通量并不相等。 光通量的单位为“流明”。光通量通常用Φ来表示
烘箱
对准和曝光
•表面处理 •涂胶 •前烘
•对准和曝光 •显影 •坚膜 •图形检查
曝光工具:
• 接触式光刻机 • 接近式光刻机 • 步进重复式曝光系统 • 扫描式曝光系统
接触式光刻机的晶片的对准方式：
光刻版上的标记
Z θ X
Y
基片上的标记
显影
•表面处理 •涂胶 •前烘
•对准和曝光
•显影 •坚膜 •图形检查
➢ 光强（cd）
光源在单位立体内发出的光通量，单位是坎德拉 ➢ 光效（lm/W）
指电能指电能转换成光能的效率，单位lm/W ➢ 亮度（nit）
单位立体内，单位面积的光通量，单位是尼特
用化学显影液将曝光造成的光刻胶的可溶解区域溶解就是光刻胶的显影， 其主要目的就是把掩膜版的图形准确复制到光刻胶中。
常见的显影液有NaOH (Shipley 351), KOH (Shipley 606) ,TMAH (Shipley CD-26, MF-321, OCG 945)等。
坚膜
•表面处理 •涂胶 •前烘 •对准和曝光 •显影
➢ 色温（K）
当光源所发出的光的颜色与‘黑体’在某一温度下辐射的 颜色相同时，‘黑体’的温度称为该光源的色温。‘黑体’ 的温度越高，光谱中的蓝色成分则越多，反之红色则越多。 我们知道，通常人眼所见到的光线，是由7种色光的光谱所 组成。但其中有些光线偏蓝，有些则偏红，色温就是专门 用来量度和计算光线的颜色成分的方法，是19世纪末由英 国物理学家洛德·开尔文所创立的。光源色温不同，光色 也不同，带来的感觉也不相同：
光刻工艺简介-复制
负胶 (Negative Optical Photoresist)
曝光部分变成不可溶性的； 所形成的图形与掩膜正好相反； 当VLSI电路需分辨率达2μm之前，基
本上是采用负性光刻胶。
主要缺点：在显影过程中，整个抗蚀剂层因吸收显影液而 出现膨胀现象，限制其分辨率。 在分辨率要求不太高的情况，负胶也有其优点： a) 对衬底表面粘附性好 b) 抗刻蚀能力强 c) 工艺宽容度较高 （显影液稀释度、温度等） d) 价格较低 （约正胶的三分之一）
工艺宽容度
每一套工艺都有相应的最佳工艺条件，但当这些条件偏离 最佳值的时候，要求光刻胶的性能变化尽量小。
其他特性
光刻胶的热流动性（thermal flow）：热流动性使显影形成 的图形变形，影响图形质量和分辨率
光刻胶的膨胀效应（swelling）：显影液分子进入胶的分子 链，使胶的体积增加，从而使图形变形
集成电路工艺所采用的光刻技术
30年前人们就在预测光学曝光技术的末路，但仍然大量利用， 而且不断发展 G线（436nm） I线（365nm） 深紫外： 248nm—130nm生产线—已经实现了50nm生产线—IBM 20nm 193nm——90nm生产线 157nm——50nm生产线
主流光刻技术:
正胶（positive photoresist, DNQ）
曝光部分变成可溶性的 在显影工艺中比较容易去除 所形成的图形与掩膜一致
正胶组成成分：
a) 基底：树脂 是一种低分子量的酚醛树脂 (novolac, a polymer) 本身溶于显影液，溶解速率为15 nm/s； b) 光敏材料（PAC－photoactive compounds) 二氮醌 (diazoquinone, DQ) ，不溶于显影液，光照后，DQ结 构发生重新排列，成为溶于显影液（TMAH四甲基氢氧化 铵——典型显影液）的烃基酸； c) 溶剂：醋酸丁脂、二甲苯、乙酸溶纤剂的混合物，用于调 节光刻胶的粘度。
半导体制造工艺第章光刻
半导体制造工艺第章光刻光刻是半导体制造工艺中的一个重要步骤。
在半导体芯片制造的过程中，需要将芯片图形化，将设计图案复制到硅片的表面上。
这个步骤就需要光刻技术。
光刻的定义和原理光刻是利用光学系统在硅片表面上生成不同图案的一项技术。
简单来说，就是将持有芯片光掩模的基片放在硅片表面上，并利用紫外线等光源使光掩模的芯片图形投影到硅片表面上，从而完成芯片的形状和结构。
光刻机的主要部分是光源、光学系统，以及涂层沉积和烘烤系统。
硅片表面被涂上光刻胶，并使用紫外线等光源使光刻胶暴露在某些角度上，使辐射透过掩模辐射到涂在硅片表面上的光刻胶。
被照射的部分得到曝光后，经过一定的处理，剩下的部分形成所需的芯片结构。
光刻胶会在这个过程中起到纹路转移的作用，是传统光防蚀工艺及化学机械平整（CMP）处理工艺的重要保护层。
光刻机的类型目前光刻机主要分为：接触式光刻机（Contact）、非接触式光刻机（Non-contact）以及半接触光刻机（Semi-contact）。
根据不同的光掩模和涂层材料，选择不同类型的光刻机可以实现不同的功能需求。
•接触式光刻机接触式光刻机是光刻机的最早类型，利用距离近到可以接触到硅片表面的光掩模，将所需芯片结构投影到硅片表面。
这种方式比较慢，且容易产生挂膜现象，造成芯片质量下降。
但是设计和制造成本相对较低，因此在一些低端应用场景中还在使用。
•非接触式光刻机非接触式光刻机则是直接将掩模和硅片分开一定的距离，利用掩模上的光结构将所需图案投影到硅片表面。
这种光刻机的缺点就是昂贵和对粘附的材料要求更高。
因此，非接触式光刻机主要应用于高端芯片制造行业。
•半接触光刻机半接触光刻机则是将掩模和硅片之间留出一定的距离，既能够保证光防蚀层的不变性，又能够在一些场景下提升芯片制造的速度。
光刻胶的选择与性能光刻胶的选择与性能直接关系到芯片的最终质量。
不同的光刻胶材料对于不同的工艺流程具有不同的优势和劣势。
•碳链长度不同的光刻胶中含有的碳链长度不同，碳链长度决定了光刻胶对于制造工艺中反后效应的抑制效果。
LED芯片制造之光刻简介
02
光刻技术简介
光刻技术原理
01
光刻技术原理是将设计好的图案 通过光刻机投影到光敏材料上， 利用光的能量将图案转移到光敏 材料上，形成电路图样。
02
光刻技术利用光的干涉和衍射原 理，通过精确控制曝光时间和角 度，实现高精度、高分辨率的图 案转移。
光刻技术的应用领域
光刻技术广泛应用于集成电路、微电 子器件、平板显示等领域，是制造 LED芯片、集成电路、微电子器件等 的关键技术之一。
合小批量、高精度制造。
速度
电子束曝光技术的制造速度相对 较慢，而光刻技术具有较高的生
产效率。
光刻技术与离子束曝光技术的比较
分辨率
离子束曝光技术具有更 高的分辨率，因为它使 用离子束而非光学波束 进行曝光。
适用范围
离子束曝光技术适用于 制造高精度、高附加值 的微纳器件，而光刻技 术在LED芯片制造等领 域应用广泛。
05
02
表面处理技术
对外延片表面进行处理，可以提高表面质量， 减少缺陷和杂质，提高LED芯片的发光效率。
04
刻蚀与剥离技术
刻蚀和剥离技术是制造LED芯片的重 要环节，需要精确控制刻蚀深度和剥 离方向。
06
切割与研磨技术
将LED芯片从衬底上切割下来并进行研磨和抛 光处理，可以提高芯片表面的平整度和光洁度。
镀透明电极层
在LED外延片的表面上镀 一层透明导电膜，作为电 极的接触层。
LED芯片制造流程
刻蚀与剥离
镀膜与蒸镀
切割与研磨
将LED外延片进行刻蚀 和剥离，形成器件结构。
在LED芯片表面镀上金 属膜和介质膜，并进行 金属和透明电极的蒸镀。
将LED芯片从衬底上切 割下来，并进行研磨和
led工艺流程
led工艺流程LED工艺流程。
LED（Light Emitting Diode）是一种半导体器件，具有发光、耐震动、寿命长等特点，因此在照明、显示、通信等领域得到广泛应用。
LED的制造过程包括晶片制备、封装、测试等环节，下面将对LED工艺流程进行详细介绍。
首先是LED的晶片制备。
晶片制备是LED制造的关键环节，主要包括外延生长、光刻、蚀刻、扩散、金属化等工艺步骤。
外延生长是在衬底上生长n型外延层、发光层和p型外延层，形成LED的发光结构。
光刻工艺是利用光刻胶和掩膜，将图形转移到外延片表面，用于形成LED的电极和结构。
蚀刻工艺是利用化学腐蚀或物理腐蚀，去除不需要的材料，形成LED的结构和电极。
扩散工艺是通过高温处理，使掺杂物扩散到外延片内部，改变材料的导电性能。
金属化工艺是在外延片表面沉积金属膜，形成LED的电极。
其次是LED的封装。
封装是将LED晶片、金线、支架、胶水等材料封装在一起，形成LED灯珠或LED封装件。
封装工艺包括固晶、金线焊接、树脂封装、测试等步骤。
固晶是将LED晶片粘合在支架上，以提高LED的散热性能。
金线焊接是将LED晶片与支架之间用金线连接，形成LED的电路。
树脂封装是将LED晶片、金线等材料封装在透明的树脂中，保护LED并散发光线。
测试是对封装后的LED进行电参数测试和光参数测试，以筛选出合格品。
最后是LED的测试和分选。
测试和分选是对封装后的LED进行电参数测试和光参数测试，以保证LED的质量和性能。
电参数测试包括正向电压、反向电流、漏电流等测试项目，以判断LED的电性能。
光参数测试包括光通量、光强度、色温、色坐标等测试项目，以判断LED的光性能。
测试合格的LED将进行分选，按照光通量、色温等参数进行分档，以满足不同应用领域的需求。
综上所述，LED的制造过程包括晶片制备、封装、测试和分选等环节，每个环节都是关键的工艺步骤，需要严格控制和管理。
随着LED技术的不断发展，LED工艺流程也在不断完善，以满足市场对LED产品质量和性能的需求。
光刻基本知识介绍
光刻基本知识介绍(Optical Lithography)随着科技的进步，微电子工业的制造技术一日千里，其中微影技术扮演着最重要的角色之一。
只要关于图形上的定义（patterning），皆需要使用微影技术，本文将对一般最常使用的光学微影技术（Optical Lithography）作一简单的介绍。
所谓的光微影术，简单的说就是希望将设计好的线路图形，完整且精确地复制到晶圆上。
如图一所示，半导体厂首先需将设计好的图形制作成光罩（photo mask），应用光学成像的原理，将图形投影至晶圆上。
由光源发出的光，只有经过光罩透明区域的部分可以继续通过透镜，而呈像在晶圆表面。
晶圆表面事先需经清洁处理，再涂抹上类似底片功能的感光化学物质，称为光阻剂(photo resist）。
通过光罩及透镜的光线会与光阻剂产生反应，通常我们称此步骤为曝光。
图一：为标准光微影制程，曝光源通过光罩、透镜，最后将光罩图形成像于晶圆上。
(取自Ref. 1)曝光后的晶圆需再经显影( development ) 步骤，以化学方式处理晶圆上曝光与未曝光的光阻剂，即可将光罩上的图形完整地转移到芯片上，然后接续其它的制程。
因此在光微影技术中，光罩、光阻剂、光阻涂布显影设备、对准曝光系统等，皆是在不同的制程中，可以视需要选择使用不同的光阻剂，以移除或保留选定的图形，类似雕刻中的阴刻或阳刻技巧。
如图二所示，右边使用的是正光阻，经光罩阻挡而未曝光的部份可以保护底下的晶圆，曝光的部份最后则经蚀刻移除；图左使用的是负光阻，移除的是曝光的部份。
图二：选择使用不同的光阻剂的制程；右下图使用的是正光阻，左下图使用的是负光阻。
(取自Ref. 2)一般来说，IC的密度越高，操作速度越快、平均成本也越低，因此半导体厂商无不绞尽脑汁要将半导体的线宽缩小，以便在晶圆上塞入更多晶体管。
然而，光微影术所能制作的最小线宽与光源的波长成正比(稍后解释) ，因此要得到更小的线宽，半导体制程不得不改采波长更短的光源。
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4
表面出现气泡 •滴胶时胶中带有气泡 •喷嘴尖端切口有问题或带刺
中心圆晕 •不合适的托盘 •喷嘴偏离衬底中心
放射状条纹 •胶液喷射速度过高 •设备排气速度过高 •胶涂覆前静止时间过长 •匀胶机转速或加速度设置过高 •片子表片留有小颗粒 •胶中有颗粒
胶液未涂满衬底 •给胶量不足 •不合适的匀胶加速度
色温（K） 当光源所发出的光的颜色与‘黑体’在某一温度下辐射的 颜色相同时，‘黑体’的温度称为该光源的色温。‘黑体’ 的温度越高，光谱中的蓝色成分则越多，反之红色则越多。 我们知道，通常人眼所见到的光线，是由7种色光的光谱所 组成。但其中有些光线偏蓝，有些则偏红，色温就是专门 用来量度和计算光线的颜色成分的方法，是19世纪末由英 国物理学家洛德·开尔文所创立的。光源色温不同，光色也 不同，带来的感觉也不相同： <3300K 温暖（带红的白色） 温暖 3000－5000K 中间（白色） 爽快 >5000K 清凉型（带蓝的白色） 冷
光通量（lm） 指人眼所能感觉到的辐射功率，某一光源向四周空间中发 射的总能量。由于人眼对不同波长光的相对视见率不同， 所以不同波长光的辐射功率相等时，其光通量并不相等。 光通量的单位为“流明”。光通量通常用Φ来表示 光强（cd） 光源在单位立体内发出的光通量，单位是坎德拉 光效（lm/W） 指电能指电能转换成光能的效率，单位lm/W 亮度（nit） 单位立体内，单位面积的光通量，单位是尼特
光源
光刻板 光刻胶 衬底
光刻胶
光刻胶是一种有机化合物，受紫外曝光后，在显影溶液中的溶解度会发生变化。 晶片制造中所用的光刻胶通常以液态涂在硅片表面，而后被干燥成胶膜。 负性光刻胶 负性光刻胶在曝光后硬化变得不能溶解。 正性光刻胶 正性光刻胶曝光后软化变得可溶
UHale Waihona Puke 负性胶衬底显影 衬底
正性胶
resister
光刻胶
显影液
渗透
粘附力好表面
Attractive interaction
衬底
是否要使用黏附剂要根据图形大小、衬底及光刻胶的种类 来决定，HMDS 可以用浸泡、喷雾和气相方法来涂覆。
粘附力差的表面
涂胶
•表面处理 •涂胶 •前烘 •对准和曝光 •显影 •坚膜 •图形检查
1
2
1. 2. 3. 4.
3
滴胶（静态、动态） 加速旋转 甩掉多余的胶 溶剂挥发
坚膜就是通过加温烘烤使胶膜更牢固地黏附在晶圆表面，并可 以增加胶层的抗刻蚀能力，坚膜并不是一道必需的工艺。 好处： • 能够改善光刻胶的抗刻蚀、注入能力。 • 改善光刻胶与晶圆表面的黏附性，有利于后续湿法腐蚀工艺。 • 改善光刻胶中存在的针孔。
PR Substrate
PR Pinhole Fill by Thermal Flow
衬底 光刻版 光刻胶
表面处理
•表面处理 •涂胶 •前烘 •对准和曝光 •显影 •坚膜 •图形检查
晶圆容易吸附潮气到它的表面。光刻胶黏附要求要严格的干燥表面， 所以在涂胶之前要进行脱水烘焙和黏附剂的涂覆。脱水烘焙的温度通 常在140度到200度之间。有时还要用到黏附剂，黏附剂通常使用HMDS （六甲基二硅胺脘）。表面处理的主要作用是提高光刻胶与衬底之间 的粘附力，使之在显影过程中光刻胶不会被液态显影液渗透。（如下 图）
LED的发光原理
结温(℃) LED芯粒内部的温度，当电流通过LED器件时，PN结的温度会 升高，由于芯粒很小，所以也把芯粒的温度称为结温。结温 影响LED寿命和光效。 热阻(℃/W) 导热过程的阻力，用来衡量热量从PN结通过导热通道导出的 能力，低热阻=良好的散热 显色指数(Ra) 光源对物体颜色呈现的程度，也称为显色性，物体的真实颜 色与某一标准光源下所显示颜色的关系。测试颜色在标准光 源与被测试光源下做比较，色差越小则表明被测光源的显色 性越好。
光刻简介
光刻工艺是半导体制造中最为重要的工艺步骤之一，光刻 的成本约为整个硅片制造工艺的 1/3，耗费时间约占整个硅片 工艺的 40~60%。轨道机（Tracker），用于涂胶显影；曝光 机（Scanning） 光刻机是生产线上最贵的机台，5～15 百万美元/台。主要是 5 15 / 贵在成像系统（由 15～20个直径为 200～300mm 的透镜组 成）和定位系统（定位精度小于 10nm）。其折旧速度非常快， 大约 3～9 万人民币/天，所以也称之为印钞机。 光的特性有反射，折射，衍射，干涉等 光刻板又称为掩膜板/光罩（Photo Mask/Reticle），电路元 件图形都来自于版图，因此掩膜板的质量在光刻工艺中的扮演 着非常重要的角色。 光刻胶（Photo Resist）
光刻简介
光刻的本质是把制作在掩膜版上的图形 复制到以后要进行刻蚀的晶圆上。其原 理与照相相似，不同的是半导体晶圆与 光刻胶代替了照相底片与感光涂层。
光刻流程图
前部工艺 清洗 表面处理 涂胶 前烘 对准 & 曝光 坚膜 显影 后烘
核心工艺 否 去胶 检查 黄光室
通过 刻蚀
基本工艺流程
涂胶 对准和曝光 显影 检测
烘箱
对准和曝光
•表面处理 •涂胶 •前烘 •对准和曝光 •显影 •坚膜 •图形检查
曝光工具: • 接触式光刻机 • 接近式光刻机 • 步进重复式曝光系统 • 扫描式曝光系统
接触式光刻机的晶片的对准方式：
光刻版上的标记
Z θ
基片上的标记
X Y
显影
•表面处理 •涂胶 •前烘 •对准和曝光 •显影 •坚膜 •图形检查
用化学显影液将曝光造成的光刻胶的可溶解区域溶解就是光刻胶的显影， 其主要目的就是把掩膜版的图形准确复制到光刻胶中。 常见的显影液有NaOH (Shipley 351), KOH (Shipley 606) ,TMAH (Shipley CD-26, MF-321, OCG 945)等。
坚膜
•表面处理 •涂胶 •前烘 •对准和曝光 •显影 •坚膜 •图形检查
PR Substrate
弊端： •可能导致光刻胶流动，使图形精度减低。 •通常会增加将来去胶的难度。
图形检查
•表面处理 •涂胶 •前烘 •对准和曝光 •显影 •坚膜 •图形检查
显影不良 曝光不良 涂胶不均匀 等问题
去胶
图形转移加工后，光刻胶已完成它的使命，需要清除掉。去胶有湿法与干法两种。 湿法： 是用各种酸碱类溶液或有机溶剂将胶层腐蚀掉，最普通的腐蚀溶剂是丙酮，它可以溶 解绝大多数光刻胶。 干法： 用氧气等离子体刻蚀去胶（强氧化去胶）
中心漩涡图案 •设备排气速度过高 •喷胶时胶液偏离衬底中心 •旋图时间过长
针孔 •光刻胶内存在颗粒或气泡 •衬底上纯在颗粒
前烘
•表面处理 •涂胶 •前烘 •对准和曝光 •显影 •坚膜 •图形检查
前烘 : 目的是蒸发掉胶中的有机溶剂成分，使晶圆表面 的胶固化。 这个过程中胶中的溶剂基本被蒸发掉，因而通常 情况下胶的厚度会变薄（大约减少25%）