正性光刻胶与5mask简介
光刻技术
光刻机总体结构
照明系统 掩模台系统 环境控制系统 掩模传输系统 投影物镜系 统
自动对准系 统
调平调焦测 量系统 框架减振系 统
硅片传输系 统
工件台系统
整机控制系统
整机软件系统
图为CPU内部SEM图像
图为硅芯片集成电路放大图像
图为在硅片上进行的光刻图样
图为Intel 45nm高K金属栅晶体 管结构
SU-8交联示意图
正胶与负胶性能对比
正胶 缺点 （DQN） 特征 优点 优点 分辨率高、对比度好 粘附性差、抗刻蚀能力差、高成本 近紫外，365、405、435nm的波长曝 光可采用 良好的粘附能力、抗蚀能力、感光能 力以及较好的热稳定性。可得到垂直 侧壁外形和高深宽比的厚膜图形 显影时发生溶胀现象，分辨率差 对电子束、近紫外线及350-400nm紫 外线敏感
投影式印刷：在投影式印刷中，
用镜头和反光镜使得像聚焦到硅平 面上，其硅片和掩模版分得很开。
三种方法的比较
接触曝光：光的衍射效应较小，因而分辨率高；但易损
坏掩模图形，同时由于尘埃和基片表面不平等，常常存 在不同程度的曝光缝隙而影响成品率。
接近式曝光：延长了掩模版的使用寿命，但光的衍射效
应更为严重，因而分辨率只能达到2—4um 左右。
坚膜也是一个热处
理步骤。 除去显影时胶膜 吸收的显影液和水分， 改善粘附性，增强胶 膜抗腐蚀能力。 时间和温度要适 当。 时间短，抗蚀性 差，容易掉胶；时间 过长，容易开裂。
刻蚀就是将涂胶前所
沉积的薄膜中没有被 光刻胶覆盖和保护的 那部分去除掉，达到 将光刻胶上的图形转 移到其下层材料上的 目的。
等离子体去胶，氧气在强电场作用下电离产生的活性氧， 使光刻胶氧化而成为可挥发的CO2、H2O 及其他气体而被 带走。
半导体中各节点对mask 的要求
在半导体制造过程中，mask是至关重要的工具，它用于在半导体晶片的制作过程中进行多次光刻，从而定义电路的结构。
不同的节点对mask有不同的要求，这些要求包括但不限于分辨率、光学特性和耐蚀性。
本文将对半导体中各节点对mask的要求进行详细介绍。
一、分辨率要求在半导体制造中，分辨率是指mask上能够清晰显示的最小细节尺寸。
分辨率的要求随着制程工艺的不断进步而不断提高，当前主流的制程工艺已经达到了10纳米的分辨率。
对于mask的分辨率要求非常严格，必须能够精确地复制微纳米级别的图形。
二、光学特性要求mask在光刻过程中起到了光学投影的作用，因此其光学特性对最终的半导体晶片质量有着直接的影响。
mask需要具有良好的透光性，光刻机在曝光时需要将图形完整地投影到光刻胶上，透光性不佳的mask会导致图形模糊或失真。
mask的反射率也是一个重要的光学特性，需要能够在光刻过程中准确地控制光的反射，以确保曝光的准确性和稳定性。
三、耐蚀性要求在半导体制造过程中，mask会经历多次化学腐蚀和清洗，因此其耐蚀性是一个至关重要的要求。
mask的材料必须能够在化学腐蚀的环境下保持稳定，不受到腐蚀的影响，并且在清洗后能够恢复到原始的平整状态，以确保下一次的光刻质量。
四、平整度要求在半导体制造中，mask的平整度也是一个重要的要求。
由于mask需要与光刻胶和硅片接触，因此其表面必须要足够平整，以确保光刻胶的均匀分布和图形的完整复制。
平整度也与mask的寿命有直接关系，平整度不佳的mask容易在使用过程中产生损坏和磨损。
五、工艺要求除了以上的基本要求外，不同节点对mask还有一些特殊的工艺要求。
对于金属层的mask，在制造过程中需要特殊的金属镀膜工艺，以确保金属层的导电性和耐蚀性。
而对于高分辨率的mask，则需要采用更加复杂的激光刻蚀工艺，以确保图形的清晰度和精度。
半导体中各节点对mask的要求是非常严格的，需要在分辨率、光学特性、耐蚀性、平整度和工艺等方面都能够满足最高标准。
光刻胶知识简介
光刻胶知识简介光刻胶知识简介:一.光刻胶的定义(photoresist)又称光致抗蚀剂，由感光树脂、增感剂（见光谱增感染料）和溶剂三种主要成分组成的对光敏感的混合液体。
感光树脂经光照后，在曝光区能很快地发生光固化反应，使得这种材料的物理性能，特别是溶解性、亲合性等发生明显变化。
经适当的溶剂处理，溶去可溶性部分，得到所需图像（见图光致抗蚀剂成像制版过程）。
二.光刻胶的分类光刻胶的技术复杂，品种较多。
根据其化学反应机理和显影原理，可分负性胶和正性胶两类。
光照后形成不可溶物质的是负性胶；反之，对某些溶剂是不可溶的，经光照后变成可溶物质的即为正性胶。
利用这种性能，将光刻胶作涂层，就能在硅片表面刻蚀所需的电路图形。
基于感光树脂的化学结构，光刻胶可以分为三种类型。
①光聚合型采用烯类单体，在光作用下生成自由基，自由基再进一步引发单体聚合，最后生成聚合物，具有形成正像的特点。
②光分解型采用含有叠氮醌类化合物的材料，经光照后,会发生光分解反应,由油溶性变为水溶性，可以制成正性胶.③光交联型采用聚乙烯醇月桂酸酯等作为光敏材料,在光的作用下,其分子中的双键被打开，并使链与链之间发生交联，形成一种不溶性的网状结构，而起到抗蚀作用，这是一种典型的负性光刻胶。
柯达公司的产品KPR胶即属此类。
三.光刻胶的化学性质a、传统光刻胶：正胶和负胶。
光刻胶的组成：树脂（resin/polymer），光刻胶中不同材料的粘合剂，给与光刻胶的机械与化学性质（如粘附性、胶膜厚度、热稳定性等）；感光剂，感光剂对光能发生光化学反应；溶剂（Solvent），保持光刻胶的液体状态，使之具有良好的流动性；添加剂（Additive），用以改变光刻胶的某些特性，如改善光刻胶发生反射而添加染色剂等。
负性光刻胶。
树脂是聚异戊二烯，一种天然的橡胶；溶剂是二甲苯；感光剂是一种经过曝光后释放出氮气的光敏剂，产生的自由基在橡胶分子间形成交联。
从而变得不溶于显影液。
负性光刻胶在曝光区由溶剂引起泡涨；曝光时光刻胶容易与氮气反应而抑制交联。
Array工艺设备介绍
14
GPCS (General Process Control System)
PECVD
PECVD：Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition
PECVD采用13.56MHZ射频电源使含有薄膜组成原子的气体电离，形成等离子体，在基板上反应，沉积薄膜。在TFT工 艺中，PECVD主要进行FGI、MULTI及PVX Film沉积。
Process Chamber
Transfer Module
P/C-2
P/C-1
T/M
高真空 P/C-3
Load Lock ATM Arm Indexer
L/L
真空大气 之间转化
大气机械手
USC
Port 1 Port 2 Port3
L/L: 连接真空和大气压的一 个Chamber。Glass进入此 Chamber以后，Valve关闭， 开始抽真空。
9
Sputter
Sputter的作用： Sputter在Array工艺中负责进行Gate, S/D 以及ITO Layer的溅射镀膜。
a-Si
SD(Source)
SD(Drain)
PVX(Passivation SiNx )
VIA Hole
ITO
GI(Gate Insulator)
n+ a-Si
Gate
Exposure
利用紫外光，按照Mask图案对PR进行曝光， 以便后续显影成像
Etch 刻蚀
Dry Etch Wet Etch
利用反应气体干法刻蚀非 金属或金属
Wet Etch
Strip
光刻胶的种类有哪些各有何特点
光刻胶的种类有哪些各有何特点光刻胶是微电子加工过程中的关键材料之一，它起到了良好的光刻功能，使得微电子芯片制造过程得以顺利进行。
而不同种类的光刻胶，由于其化学成分和性能特点的不同，也会在微电子芯片制造的过程中遇到不同的问题。
本文将重点介绍光刻胶的种类及其特点。
一、光刻胶的种类1. 正型光刻胶（Positive photoresist）正型光刻胶在微细加工过程中，通过光暴露后生成可溶性膜丝，再通过显影去除未暴露部分的胶膜，形成图形，并在这部分形成图形的区域进行加工工艺。
正型光刻胶多数采用溶液显影方式，显影后形成的结构具有边缘清晰，分辨率高的特点，特别适用于制作细微结构。
2. 反型光刻胶（Negative photoresist）反型光刻胶与正型光刻胶相反，是在曝光未受光照射的区域形成可溶性膜丝，在显影之后去除已曝光部分的胶膜，形成所需加工的图形构件。
反型光刻胶则主要用于一些特殊用途，如用于蚀刻和电子束光刻加工中。
3. 混合型光刻胶（Hybrid photoresist）混合型光刻胶则是前两者的混合物，拥有两种光刻胶的优点，是相对理想的光刻胶。
其中，许多混合型光刻胶概念在电子束光刻加工中得到了广泛应用，可以同时满足其高分辨率需求和较长的品质寿命。
二、光刻胶的特点1. 分辨率（Resolution）光刻胶最重要的物理特性之一就是分辨率。
分辨率定义为影像的最小宽度，从图形的一个纹理结构的特征尺度来说就是边缘渐进的斜率之变化。
分辨率决定了影像造成的图形在纵横向尺寸上的限制程度，越高的分辨率使得制作更小、更紧凑的结构成为了可能。
2. 漏光（Tolerance）漏光可以被视为光刻胶性能的指标之一，意味着胶上的图形逐渐被严格建立的边界包围。
开发过程还能够承受某些胶的倾向吸收不同程度的对比度。
这样的不一致的吸收能力称为装备项，而且如果不恰当的使用就会阻碍漏光的控制，从而严重损害影像质量。
3. 敏感度（Sensitivity）光刻胶的敏感度也是一个不容忽视的特性。
光刻胶
D100
对比度是图中对数坐标下对比度曲线的斜率，表示光刻胶
区分掩模上亮区和暗区的能力的大小，即对剂量变化的敏感程
度。灵敏度曲线越陡，D0 与 D100 的间距就越小，则 就越大，
这样有助于得到清晰的图形轮廓和高的分辨率。一般光刻胶的
对比度在 0.9 ~ 2.0 之间。对于亚微米图形，要求对比度大于 1。
感光分子吸收λ = 300 nm 的光能（88 Kcal）后，电子跃迁 到第二激发态 S2 ，此态的谷底势能恰好与 S1 态当 RN-N2 分解 时的势能相当，且 S2 与 S1 态的曲线在图左侧有相交之处，因此 电子可从 S2 态跃迁到 S1 态并立即反应。所以用λ = 300 nm 的光 曝光比用λ = 365 nm 的反应速度快。
2 光刻胶的特性
1、灵敏度 灵敏度的定义 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 最小电荷量（对电子束胶），称为光刻胶的灵敏度，记为 S ， 也就是前面提到过的 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。
出现最低剂量时不少于规定剂量的 90%，也即 N N 10% 。
由此可得 Nmin 100 。因此对于小尺寸曝光区，必须满足
S q
(Lmin )2
N min
Lmin
Nminq 10 q
S
S
Lmin
Nminq 10 q
S
S
式中，Lmin 为最小尺寸，即分辨率。可见，若灵敏度越高（即 S 越小），则 Lmin 就越大，分辨率就越差。
1 TR
是无量纲常数，可见减薄胶膜厚度有利于提高对比度和分辨率。
(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。
光刻胶基本介绍
The introduction of Photoresist and Application光刻胶基本介绍主要内容CONTENT☐一，光刻胶基础知识☐二，光刻胶的种类☐三，光刻胶的应用领域☐四，光刻胶的特点☐五，光刻胶的可靠性测试内容☐六，光刻胶的来料要求一、光刻胶基础知识☐光刻胶是一种具有感光性的化学品（混合物）树脂（Resin）：10-40% by weight感光剂（PAC）或光致产酸剂（PAG）：1-6% by weight溶剂（Solvent）：50-90% by weight添加剂（Additive）：1-3% by weight单体（Monomer）：10-20% by weight二、光刻胶的种类☐依照化学反应和显影原理分类一、正性光刻胶形成的图形与掩膜版相同；二、负性光刻胶形成的图形与掩膜版相反。
SubstratePhotoresistCoating Maskh u TransferEtchStripExposure DevelopPositive Negative☐按照感光树脂的化学结构分类一、光聚合型：1）采用烯类单体，在光作用下生成自由基，进一步引发单体聚合，最后生成聚合物。
2）采用环氧树脂，阳离子开环，引发环氧交联反应，最后生成聚合物。
二、光分解型，采用含有叠氮醌类化合物的材料，其经光照后,发生光分解反应，可以制成正性胶；☐按照曝光波长类一、紫外光刻胶（300~450nm）；I-line：365nm；H-line：405nm；G-line：436nm；Broad Band （g+h+i）二、深紫外光刻胶（160~280nm）；KrF：248nm；ArF：193nm；F2：157nm；三、极紫外光刻胶（EUV，13.5nm）；四、电子束光刻胶、离子束光刻胶、X射线光刻胶等。
不同曝光波长的光刻胶，其适用的光刻极限分辨率不同，通常来说，在使用工艺方法一致的情况下，波长越小，加工分辨率越佳。
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➢EOP Test
EOP Test：将光罩上的图案按1/1比例映射在PR上的光罩能量
2020/4/9
➢Margin Test
Margin Test：不同显影时间、软烤温度及软烤时间下，PR显影 后的CD变化
2020/4/9
2020/4/9
➢Thermal Stability Test
Thermal Stability Test：post-bask后PR 形状的变化测试
WET(M2湿蚀刻)
DET(N+蚀刻)
STP(去光阻)
2020/4/9
Pass process
A
CVD SiNx
B
Photo(涂布,曝光,显影) DET(Pass蚀刻)
STP(去光阻)
2020/4/9
ITO process
ITO sputter (PVD)
A
Photo(涂布,曝光,显影)
B
WET(ITO湿蚀刻))
3. Metal 2 (source,drain) :Mo(钼),Al 4. Passivation (Via): SiNx，保护层,把金属盖住,另 有Via和ITO连通 5. ITO (画素电极)
Light Photo Mask Photo Resist
Thin Film Glass
显影
工艺流程
Outline
Array 5 mask
PR Test
Array 4 mask
PR的工 作原理
PR
1 Array 5 mask简介
1. Metal 1 (GATE) :镀上Mo (钼)，Al(铝)
2. G : Gate SiNx (氮矽化合物，绝缘层) I : -Si (非结晶矽，通道层) N : N+ -Si (高浓度磷(PH3)的矽)降低界面电位差, 使成为欧姆接触(ohmic contact)
Wolff
UV
重组
H2O
N2
NaOH
(CH3)4NOH TMAH
2020/4/9
涂布
Pre-bake 曝光 显影
Post-bake Stripper
2020/4/9
5 PR Test
EOP
Resoluti -on
Stripper Test
Test
Film Loss
Margin
Thermal Stability
STP(去光阻)
OVN(ITO oven)
2020/4/9
2 Array 4 mask
2020/4/9
2020/4/9
3 正型PR成份介绍
➢ 定义
光刻胶(Photoresist简称PR)又称光致抗蚀剂，它是一种对光敏 感的有机化合物，它受紫外光曝光后，在显影液中的溶解度会发 生变化。
➢作用
a、将掩膜板上的图形转移到晶圆表面顶层的光刻胶中； b、在后续工序中，保护下面的材料（刻蚀或离子注入）。
2020/4/9
GIN process
GIN sputter
A
CVD（化学气相沉积）
B
Photo(涂布,曝光,显影)
Dry etch
SF6/Cl2，SiF4，SiCl4
STP(去光阻)
2020/4/9
Metal 2 process
Metal sputter（Mo/Al/Mo)
A
B
Photo(涂布,曝光,显影)
曝光
Photo Resist Thin Film Glass
成膜
蚀刻
剥膜
Metal 1 process
A
UPK(清洗玻璃)
B
M1Suppter(PVD)
Mo/Al Mo在Al上层 避免Al氧 化
涂布,曝光,显影
2.38%TMAH
Wet etch
Al蚀刻液(磷酸，醋酸，硝酸)
STP(去光阻)
Stripper-剥离液： MEA+DMSO(7:3)
2020/4/9
➢Stripper Test
Stripper Test：PR的剥 离时间
2020/4/9
➢Resolution Test
Resolution Test：能显影出完整图像的较小CD（a.图案完整性； b.CD变化）
2020/4/9
➢H/T Margin Test
H/T Margin Test：测试需要Ashing的PR膜厚均匀性（4 Mask）
2020/4/9
➢ 成份
树脂 感光剂
溶剂 添加剂
粘附性、胶膜厚度 曝光时间、光线强度
赋予组合物流动性 如防止PR反射等特性
PAC type 成份比例
添加剂
ppm~%
树脂
20%
感光剂
5%
溶剂
75%
树脂 感光剂 溶剂 添加剂
2020/4/9
4 正型PR的工作原理
Esterification
2020/4/9
2020/4/9
2020/4/9