第8章 光刻与刻蚀工艺
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08光刻与刻蚀-01
热板
26
27
曝光（ 曝光（ Expose ）
对准： 对准： 将具有图形的掩模 板放在光刻胶表面 并将图形对准。 并将图形对准。 与前面工艺形成的 图形进行套准。 图形进行套准。
28
曝光： 曝光： 用尽可能短的时间使光刻胶 充分感光， 充分感光，在显影后获得近 似垂直的光刻胶侧壁和可控 的线宽。 的线宽。 曝光前：正光刻胶的感光剂 曝光前： 不溶于水； 不溶于水； 曝光后， 曝光后，感光剂发生光化学 反应， 反应，在碱性中的溶解度增 加100倍，从而实现图形转 倍 移。
developer dispenser
vacuum chuck spindle
影响显影速率的因素： 影响显影速率的因素：
显影液的溶液、温度， 显影液的溶液、温度，光刻胶 的前烘条件和曝光量
31
32
33
坚膜：后烘（ 坚膜：后烘（ Post-bake） ）
去除显影后胶层内残留的溶 使胶膜坚固， 剂，使胶膜坚固，同时提高粘 附力和抗蚀性。 附力和抗蚀性。 烘烤条件 10～30min@100～140℃ ～ ～ ℃
18
• 如果在光刻胶上面放置具有一定图形的掩模 板，曝光后由于图形选择性感光，显影后在 曝光后由于图形选择性感光， 光刻胶上留下掩模板的图形。 光刻胶上留下掩模板的图形。
• 利用留下的光刻胶作为保护，再进一步对没 利用留下的光刻胶作为保护， 有光刻胶保护的区域进行刻蚀或离子注入。 有光刻胶保护的区域进行刻蚀或离子注入。 刻蚀或离子注入 • 实现了光刻胶上的图形转移到硅表面的过程。 实现了光刻胶上的图形转移到硅表面的过程。
13
• 光刻是集成电路工艺中的关键性技术，有力推 光刻是集成电路工艺中的关键性技术， 动了ULSI工艺的高速发展。 动了ULSI工艺的高速发展。 ULSI工艺的高速发展 • 光刻成本大约占整个工艺成本的1/3，光刻的分 光刻成本大约占整个工艺成本的1/3， 1/3 辨率（线宽） IC工艺水平的标志。 辨率（线宽）是IC工艺水平的标志。 工艺水平的标志 • 光刻技术涉及到光学、物理学、精密机械、自 光刻技术涉及到光学、物理学、精密机械、 动化控制以及电子技术， 动化控制以及电子技术，是要求极高的系统化 工业技术。 工业技术。 • 目前世界上的曝光机主要由日本及瑞士的三家 目前世界上的曝光机主要由日本及瑞士的三家 公司制造。 公司制造。 制造
光刻与刻蚀工艺ppt
提高分辨率和对比度
采用旋转涂胶方法可以提高生产效率，同时采用快速热处理技术可以加速光刻胶的化学反应，进一步缩短处理时间。
提高生产效率
光刻工艺的优化
03
刻蚀工艺详细介绍
离子刻蚀机
以离子束或离子束辅助化学反应的方式进行刻蚀。具有各向异性刻蚀、高分辨率和低损伤等优点，但刻蚀速率较慢，设备昂贵。
刻蚀机的种类与特点
国外光刻与刻蚀工艺发展现状
光刻工艺技术创新
介绍光刻工艺中具有代表性的技术创新，包括高分辨率光刻技术、浸润式光刻技术、多晶圆对准技术等。
刻蚀工艺技术创新
介绍刻蚀工艺中具有代表性的技术创新，包括离子束刻蚀技术、等离子刻蚀技术、反应离子刻蚀技术等。
光刻与刻蚀工艺的技术创新
光刻与刻蚀工艺的发展趋势
从技术、应用和产业三个维度分析光刻与刻蚀工艺未来的发展趋势，包括技术发展方向、应用领域拓展和产业布局优化等方面。
挑战1
挑战2
挑战3
挑战4
需要严格控制各种参数，如温度、湿度和压力等。
需要不断优化工艺流程，提高生产效率。
对操作人员的技能和经验有较高的要求。
提高工艺精度的对策
采用先进的设备和技术，提高设备的稳定性和精度。
对策1
优化工艺参数，建立完善的数据库，实现参数的快速检索和准确控制。
对策2
采用高精度测量仪器，对产品进行准确的尺寸测量和质量控制。
曝光系统
曝光系统将掩膜上的图形转换为光束，并投射到光刻胶上。通常由光源、光阑、反射镜和投影透镜等组成。
运动系统
运动系统用于在光刻胶上扫描光束，以实现大面积的光刻。
光刻机工作原理
光学接触剂和干法接触剂
正性胶和负性胶
厚胶和薄胶
采用旋转涂胶方法可以提高生产效率，同时采用快速热处理技术可以加速光刻胶的化学反应，进一步缩短处理时间。
提高生产效率
光刻工艺的优化
03
刻蚀工艺详细介绍
离子刻蚀机
以离子束或离子束辅助化学反应的方式进行刻蚀。具有各向异性刻蚀、高分辨率和低损伤等优点，但刻蚀速率较慢，设备昂贵。
刻蚀机的种类与特点
国外光刻与刻蚀工艺发展现状
光刻工艺技术创新
介绍光刻工艺中具有代表性的技术创新，包括高分辨率光刻技术、浸润式光刻技术、多晶圆对准技术等。
刻蚀工艺技术创新
介绍刻蚀工艺中具有代表性的技术创新，包括离子束刻蚀技术、等离子刻蚀技术、反应离子刻蚀技术等。
光刻与刻蚀工艺的技术创新
光刻与刻蚀工艺的发展趋势
从技术、应用和产业三个维度分析光刻与刻蚀工艺未来的发展趋势，包括技术发展方向、应用领域拓展和产业布局优化等方面。
挑战1
挑战2
挑战3
挑战4
需要严格控制各种参数，如温度、湿度和压力等。
需要不断优化工艺流程，提高生产效率。
对操作人员的技能和经验有较高的要求。
提高工艺精度的对策
采用先进的设备和技术，提高设备的稳定性和精度。
对策1
优化工艺参数，建立完善的数据库，实现参数的快速检索和准确控制。
对策2
采用高精度测量仪器，对产品进行准确的尺寸测量和质量控制。
曝光系统
曝光系统将掩膜上的图形转换为光束，并投射到光刻胶上。通常由光源、光阑、反射镜和投影透镜等组成。
运动系统
运动系统用于在光刻胶上扫描光束，以实现大面积的光刻。
光刻机工作原理
光学接触剂和干法接触剂
正性胶和负性胶
厚胶和薄胶
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
光刻与刻蚀工艺
2 1
掩膜版上 的图形
3
东华理工大学
洁净度等级：
英制：每立方英尺中直径大于或等于0.5μm的尘埃粒 子总数不超过设计等级（如英制等级100）
公制：每立方米中直径大于或等于0.5μm的尘埃粒子 总数不超过设计等级（以指数计算，如等级M3.5， 则粒子总数不超过103.5个）
东华理工大学
§8.1 光刻工艺流程
定义：分辨率R表示每mm内能刻蚀出可分辨的最多线条数， 即每mm内包含有多少可分辨的线对数
R 1 (mm1) 2L
东华理工大学
物理学意义：限制因素是衍射
光子： L p h
L p / h / 2; Rmax 1/
粒子：
L
h
2 2mE
所以：能量一定，则粒子质量越大，分辨率越高
接触式曝光：掩模板与衬底接触 S=0，分辨率得到提高（1－3um) 尘埃粒子产生，导致掩膜版损坏，降低成品率
东华理工大学
投影式曝光(projection system)
最小尺寸：Lmin＝0.61λ/NA （亚微米级工艺）
扫描方式：
优点：样品与掩膜版不接触， 1：1步进重复
避免缺陷产生
M:1缩小的步进重复曝光
东华理工大学
提高分辨率的方法
y
k1
NA
1、Using light source with shorter l
光源 波长(nm) 术语
技术节点
汞灯
436
g线
>0.5m
汞灯
365
i线 0.5/0.35m
KrF(激光) 248
ArF (激光) 193
F2 (激光)
掩膜版上 的图形
3
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洁净度等级：
英制：每立方英尺中直径大于或等于0.5μm的尘埃粒 子总数不超过设计等级（如英制等级100）
公制：每立方米中直径大于或等于0.5μm的尘埃粒子 总数不超过设计等级（以指数计算，如等级M3.5， 则粒子总数不超过103.5个）
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§8.1 光刻工艺流程
定义：分辨率R表示每mm内能刻蚀出可分辨的最多线条数， 即每mm内包含有多少可分辨的线对数
R 1 (mm1) 2L
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物理学意义：限制因素是衍射
光子： L p h
L p / h / 2; Rmax 1/
粒子：
L
h
2 2mE
所以：能量一定，则粒子质量越大，分辨率越高
接触式曝光：掩模板与衬底接触 S=0，分辨率得到提高（1－3um) 尘埃粒子产生，导致掩膜版损坏，降低成品率
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投影式曝光(projection system)
最小尺寸：Lmin＝0.61λ/NA （亚微米级工艺）
扫描方式：
优点：样品与掩膜版不接触， 1：1步进重复
避免缺陷产生
M:1缩小的步进重复曝光
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提高分辨率的方法
y
k1
NA
1、Using light source with shorter l
光源 波长(nm) 术语
技术节点
汞灯
436
g线
>0.5m
汞灯
365
i线 0.5/0.35m
KrF(激光) 248
ArF (激光) 193
F2 (激光)
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。
第八章光刻与刻蚀工艺
此类光刻胶所采用的感光性树脂主要为环化橡胶，它是在 天然橡胶或聚异戊二烯合成橡胶溶液中加入酸性催化剂，在一 定温度下使橡胶分子发生环化反应，再加入双叠氮有机化合物 作为交联剂而成。
双叠氮交联剂的感光波长范围为260~460nm，已适用于高 压汞灯等光源。但添加适宜的增感剂，感光度也有所提高。
若曝光气氛中存在氧，将导致灵敏度下降，因此，必须在 氮气或真空条件下曝光操作。
原始光刻胶膜可被某些溶剂溶解；受适当波长的光照射后 发生聚合或交联反应，聚合为不可溶物质；显影后，硅片表面 的光刻胶图形与掩模版相反。其成分主要为感光性树脂，其次 包括溶剂和增感剂。以感光性树脂的种类来分类：
（1）聚乙烯醇肉桂酸脂类
产品有北京化工厂的北化103胶、上海化学试剂厂的上试 1 号胶、美国的柯达光致抗蚀剂（KPR）以及日本东京应化光致 抗蚀剂（TPR）。
2、正性光刻胶（正胶）
原始光刻胶膜不能被某些溶剂溶解；受适当波长的光照射 后，发生光分解反应，分解为可溶性物质；显影后，硅片表面 的光刻胶图形与掩模版相同；未经感光的光刻胶仍然保持它在 紫外光照射下发生光分解反应的活性，因此此类光刻胶在光刻 工艺中能够多次曝光。
主要成分为邻叠氮醌类化合物。产品有：北京化工厂的205、 206、212正性胶，上海试剂一厂的702、703胶等，美国Shipley 公司生产的AZ-1350系列等。
第八章 光刻与刻蚀工艺
1
§8.1 概述
一、光刻技术的特点
1、光刻是一种表面加工技术； 2、光刻是复印图像和化学腐蚀相结合的综合性技术； 3、器件的尺寸越小，集成电路的集成度越高，对光刻精 度的要求就越高，难度就越大。
二、光刻的目的
在二氧化硅或金属薄膜上面刻蚀出与掩模版完全对应的几 何图形，从而达到选择性扩散和金属薄膜布线的目的。
双叠氮交联剂的感光波长范围为260~460nm，已适用于高 压汞灯等光源。但添加适宜的增感剂，感光度也有所提高。
若曝光气氛中存在氧，将导致灵敏度下降，因此，必须在 氮气或真空条件下曝光操作。
原始光刻胶膜可被某些溶剂溶解；受适当波长的光照射后 发生聚合或交联反应，聚合为不可溶物质；显影后，硅片表面 的光刻胶图形与掩模版相反。其成分主要为感光性树脂，其次 包括溶剂和增感剂。以感光性树脂的种类来分类：
（1）聚乙烯醇肉桂酸脂类
产品有北京化工厂的北化103胶、上海化学试剂厂的上试 1 号胶、美国的柯达光致抗蚀剂（KPR）以及日本东京应化光致 抗蚀剂（TPR）。
2、正性光刻胶（正胶）
原始光刻胶膜不能被某些溶剂溶解；受适当波长的光照射 后，发生光分解反应，分解为可溶性物质；显影后，硅片表面 的光刻胶图形与掩模版相同；未经感光的光刻胶仍然保持它在 紫外光照射下发生光分解反应的活性，因此此类光刻胶在光刻 工艺中能够多次曝光。
主要成分为邻叠氮醌类化合物。产品有：北京化工厂的205、 206、212正性胶，上海试剂一厂的702、703胶等，美国Shipley 公司生产的AZ-1350系列等。
第八章 光刻与刻蚀工艺
1
§8.1 概述
一、光刻技术的特点
1、光刻是一种表面加工技术； 2、光刻是复印图像和化学腐蚀相结合的综合性技术； 3、器件的尺寸越小，集成电路的集成度越高，对光刻精 度的要求就越高，难度就越大。
二、光刻的目的
在二氧化硅或金属薄膜上面刻蚀出与掩模版完全对应的几 何图形，从而达到选择性扩散和金属薄膜布线的目的。
(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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2.光学光刻分辨率增强技术(RET)
光学临近修正OPC (optical proximity correction)
在光刻版上进行图形 修正，来补偿衍射带 来的光刻图形变形
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OPC实例
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3、光刻胶对比度改进
Resist chemistry
436,365 nm: Photo-Active-Component (PAC) 248,193 nm: Photo-Acid-Generator (PAG)
/ 4 cos
很小时，
2 2
/ 4 [1 (1 / 2)] / 2
sin d NA
2f
焦深
DOF k2
( NA)
2
NA，焦深
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聚焦在光刻胶的中间，优化分辨率
像平面
焦深
光刻胶
IC技术中，焦深只有1m，甚至更小
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M:1缩小的步进 NA
1、Using light source with shorter l
光源 汞灯 汞灯 波长(nm) 436 365 术语 g线 i线 技术节点 >0.5m 0.5/0.35m
R k1 NA
k1 0.8 0.6 0.3-0.4 0.3-0.4
Mask design and resist process
[nm]
436 365 248 193
Contrast 436,365 nm: =2-3, (Qf/Q02.5) 248,193 nm: =5-10 (Qf/Q01.3)
投影式 projectio n system
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三种硅片曝光模式及系统
接触式
接近式
投影式
1:1曝光系统
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接近式曝光（proximity printer）
接近式曝光（>3um） 最小线宽LCD=1.4(Sλ)1/2 减少了掩膜版的损坏，但分辨率受到限制
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接触式曝光(contact printer)
对比度 依赖于工艺参数，如：显影液、前烘时间、曝
光后及坚膜的温度，光源波长和硅片的表面形貌等
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其他特性
调制转移函数：
理想的曝光图形
I max I min MTF I max I min
临界调制转移函数：
I max I min CMTF光刻胶 I max I min
第8章 光刻与刻蚀工艺
光刻的重要性及要求 光刻工艺流程 光刻工艺的分辨率及光刻胶 曝光光源、曝光方式以及掩膜版 湿法刻蚀与干法刻蚀技术
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1
2
3
4
5
光刻与刻蚀的定义
图形加工
图形曝光（光刻， Photolithography）
图形转移（刻蚀，Etching）
光刻工艺的重要性：
IC设计流程图，光刻图案用来定义 IC中各种不同的区 域，如：离子注入区、接触窗、有源区、栅极、压焊 点、引线孔等 主流微电子制造过程中，光刻是最复杂，昂贵和关键 的工艺，占总成本的1/3，一个典型的硅工艺需要15-20 块掩膜，光刻工艺决定着整个 IC工艺的特征尺寸，代 表着工艺技术发展水平。
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光刻胶的组成
聚合物材料（树脂）：保证光刻胶的附着性和抗腐蚀 性及其他特性，光化学反应改变溶解性
感光材料（PAC）：控制或调整光化学反应，决定着曝 光时间和剂量 溶剂：将树脂溶解为液体，使之易于涂覆 添加剂：染色剂等
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正胶与负胶
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正胶与负胶
负胶的缺点： • 树脂的溶涨降低分辨率 • 溶剂（二甲苯）造成环境污染
方法：干法刻蚀
湿法刻蚀 质量指标：分辨率 ； 选择性
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去胶
目的：将经过刻蚀的硅片表面留下的光刻胶去除 方法：干法去胶
（等离子体去胶、紫外光分解去胶）
湿法去胶 （无机溶液去胶、有机溶液去胶）
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§8.2 分辨率(Resolution)
定义：分辨率R表示每mm内能刻蚀出可分辨的最多线条数， 即每mm内包含有多少可分辨的线对数
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4、离轴照明技术 OAI (off-axis illumination)
可以减小对分辨率的限制、增加成像的焦深且提 高了MTF
光源
KrF(激光)
ArF (激光) F2 (激光) 激光激发Xe 等离子体
248
193 157 13.5
DUV
193D UV VUV EUV
0.25/0.13 m
90/65…32n m CaF2 lenses Reflective mirrors
NGL: X射线(5Å)，电子束(0.62Å)，离子束(0.12 Å)
KrF、ArF、F2准分子激光器 优点：更高有效能量，各向异性，准直，波长更小，空 间相干低，分辨率高 缺点：带宽宽，脉冲式发射，能量峰值大，损伤
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曝光方式（Exposure）
接触式 曝 光 方 式 遮蔽式 Shade system Contact printer 接近式
proximity printer
涂胶
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前烘
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掩模版对准
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曝光
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曝光后烘培
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显影
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后烘及图形检测
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刻蚀
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刻蚀完成
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去胶
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离子注入
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快速热处理及合金
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预烘及涂增强剂
去除硅片表面的水分 增强与光刻胶的黏附力（亲水性，疏水性） 温度一般为150～750℃之间 可用涂覆增强剂（HMDS，六甲基乙硅氮烷）来增加 黏附性
作业
空间图像与光刻胶对比度结合， 直接决定潜像的质量 CMTFMTF，胶才能分辨空 间图形 g线和i线胶CMTF0.4， DUV胶为0.1～0.2。 东华理工大学
其他特性
光敏度
膨胀性
抗刻蚀能力和热稳定性 黏着力
溶解度和黏滞度
微粒含量和金属含量 储存寿命
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分辨率
曝光系统 衬底 掩膜 XX X X
对准
XX X X
片间控制
X XX －
批间控制
XX X X
产量
XX X X
光刻胶
显影剂 润湿剂 工艺 操作员
XX
X － X X
X
－ － X XX
XX
XX XX XX XX
XX
XX X XX X
XX
X － XX XX
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§8.3 光刻胶的基本属性
正胶与负胶：
的正映像
负胶：反之
方法：喷洒显影液
浸入式
静止显影
漂洗、旋干
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正胶和负胶
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显影中可能存在的问题
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喷洒式显影设备
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喷洒显影液--静止显影
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去除显影液---去离子水清洗
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浸入式显影全过程
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曝光后烘培
目的：降低驻波效应，形成均匀曝光
§8.4 曝光系统
紫外（UV）
曝 光 系 统
光学曝光系统
深紫外（DUV） 电子束曝光系统
非光学曝光系 统
X射线曝光系统 离子束曝光系统
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紫外（UV）光源
水银弧光灯光源 i线（365nm） h线（405nm） g线（436nm） 缺点：能量利用率低（2％） 准直性差
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深紫外（ DUV ）光源
正胶
实际的曝光图形
负胶
理想曝光图形与实际图 形的差别
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局部曝光区域决定图形的陡直度
f
临界调制传递函数CMTF (critical modulation transfer function)：胶分辨图形所需的 最小光学传递函数MTF。
D f D0 101/ 1 CMTF 1/ D f D0 10 1
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前烘
目的： 使胶膜内溶剂充分挥发，干燥，降低灰尘污染 增加胶膜与下层膜的黏附性及耐磨性 区分曝光区和未曝光区的溶解速度 方法： 干燥循环热风 红外线辐射 热平板传导（100℃左右）
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前烘方法
热板
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显影
目的：显现出曝光后在光刻胶层中形成的潜在图形 正胶：感光区域显影溶解，所形成的是掩膜板图形
接触式曝光：掩模板与衬底接触 S=0，分辨率得到提高（1－3um) 尘埃粒子产生，导致掩膜版损坏，降低成品率
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投影式曝光(projection system)
最小尺寸：Lmin＝0.61λ/NA 扫描方式：
（亚微米级工艺）
优点：样品与掩膜版不接触， 1：1步进重复 M：1缩小的步进重复 避免缺陷产生
光源 曝光系统 光刻胶
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空间图像
潜在图像
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半导体工业中的洁净度概念
尘埃粒子的影响： 粒子1：在下面器件层产生针孔 粒子2：妨碍金属导线上电流的流动 粒子3：导致两金属区域短路，使电路失效
1
2 掩膜版上 的图形 3
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洁净度等级：
英制：每立方英尺中直径大于或等于 0.5μm的尘埃粒