微电子专用设备之一无掩膜光刻技术教学内容
微电子专用设备之一-
无掩膜光刻技术
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无掩膜光刻技术
激光无掩膜光刻技术，又称激光直接成像技术（LDI,Laser
Direct Imaging）,是直接利用图形工作站输出的数据，驱动激
光成像装置，在涂覆有光致抗蚀剂的基材上进行图形成像的技
术。
LDI可以实现不使用掩膜板，因此不仅可以降低成本，同
时可以减少流程，节约制程时间。在传统印制电路板（PCB）
生产中大约需要250分钟-300分钟，9个工序的制程，使用
LDI支撑可以节约到5分钟，3个工序。但是由于存在生产效
率，激光束准确度，准确度验证和检查，与现有成熟工艺兼
容，重合误差等问题，在使用范围上仍受到一定限制，目前主
要应用在PCB领域，在平板显示，半导体制程中，仍然难以进
入量产阶段。
不同的LDI设备差别较大，主要看最小线宽和最大基材面
积这两个指标。在图形质量方面，LDI受到激光能量和光线照
射角度的影响。在生产率方面，影响LDI速度的主要有多面镜
转动速度和计算机数据处理和输出效率。
目前，LDI主要应用在电路板行业，尤其是HDI（高密度
互联板）企业，主要用于小批量样品，随着高感光度干膜应
用，LDI进入连线试用阶段，进而提高了效率。目前最小线宽
可以做到10微米的范围。
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主要设备企业有以色列的奥宝，日本的富士，德国的海德
堡等，中国国内企业主要有合肥芯碁微，中山新诺和大族激光
等。根据大族激光2015年年报披露，2015年大族激光LDI设
备营收达到2000万元。合肥芯碁微的Tripod系列可以应用于
各类HDI、软板、软硬结合板等，内、外层与防焊生产曝光设
备，其最小线宽/间距可达到30/30μm，工作台尺寸为610×
800mm。
随着可穿戴设备、智能手机等电子产品销量不断增长，对
HDI产品的需求也在不断增长，由于增长态势属于缓慢增长，
因此工厂大多采用升级更新，因此影响了LDI设备的快速增
长。
光刻工艺培训教程
光刻工艺培训教程光刻工艺是半导体制造中非常重要的一环，它通过光刻胶和光刻机等工具，将芯片设计图案显影到硅片上。
本文将为大家介绍一些光刻工艺的基本知识和培训教程，帮助大家更好地理解和掌握光刻工艺。
一、光刻胶光刻胶是光刻过程中最关键的材料之一，负责将芯片设计图案转移到硅片上。
常见的光刻胶有正胶和负胶两种。
正胶是根据光敏化剂的特性，在曝光后变性，形成湿润的胶层，通过显影后去除未曝光的部分，形成芯片的图案。
负胶则正好相反，曝光后未显影的部分形成了硬质胶，而显影后的部分被去除，形成芯片图案。
二、光刻机光刻机是将芯片设计图案显影到硅片上的关键设备。
光刻机工艺中的几个重要的工作步骤包括：底部对位，涂覆光刻胶，预烘烤，曝光，显影，清洗等。
其中，曝光是最核心的一步，通过光照的方式将芯片图案显影到硅片上。
三、光刻工艺步骤1.底片准备：底片要经过化学清洗，去除表面杂质，并在光刻胶附着的表面形成胶层的底板。
2.光刻胶涂覆：将准备好的光刻胶均匀涂覆在底片上，通常采用自旋涂覆的方式。
3.烘烤：将涂覆好光刻胶的底片放入烘烤炉中，通过高温烘烤，除去溶剂使胶层在底片上形成均匀的薄膜。
4.曝光：将底片放入光刻机中进行曝光，将芯片设计图案转移到胶层上。
曝光需要准确控制光源的强度和时间。
5.显影：使用合适的显影剂将未曝光部分的光刻胶去除，显现出想要芯片图案。
6.清洗：使用溶剂清洗去除显影后剩余的胶层和其他杂质。
7.检测：对显影后的芯片进行质量检测，确保芯片图案的质量和精确性。
四、光刻现场操作光刻工艺的实际操作需要在无尘室中进行，保证整个过程的工艺纯净性。
操作人员需要穿着特定的防静电服，并且使用无尘环境下的特殊工具和设备。
操作时需要严格按照工艺流程进行，并且进行各个步骤的记录和检查，确保工艺的可控性和稳定性。
五、光刻工艺注意事项1.要严格在无尘室环境下操作，避免因为杂质的干扰对芯片的影响。
2.每一步操作都需要精确控制，避免因为操作失误导致整个工艺的失败。
第二讲光刻掩模第三讲离子束技术
是化学反应，物理溅射次之。
特点：基本各项同性
刻蚀线宽1m左右
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2.2 反应离子刻蚀（RIE----Reactive Ion Etching）
为了减小侧向刻蚀，在垂直于样品表面方向上加一电场，使反应气体的离子 在电场中作定向运动，使之只有纵向刻蚀，这是反应离子刻蚀的基本原理。 射频电压加在两电极上，样品放在阴极上，阳极及反应室壁接地。阴极面积 小，阳极面积大，这是非对称性的辉光放电系统。 离子对刻蚀起主要作用，即以物理溅射为主，中性游离基的化学反应为辅。
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2.1 等离子刻蚀（PE----Plasma Etching)
2.1.1 等离子刻蚀原理
气体在高频电场（通常13.56MHz）作用下，产生 辉光放电，使气体分子或原子发生电离，形成等离子体。 在等离子体中，包含有正离子、负离子、游离基和自由 电子。游离基在化学上是很活泼的。 等离子刻蚀就是利用等离子体中的大量游离基和被 刻蚀材料进行化学反应，反应结果生成能够由真空系统 抽走的挥发性化合物，从而实现刻蚀的目的。
被刻材料 AZ1350 PMMA Au Ag SiC C Si Al Al2O3 Ge Ni SiO2 玻璃（Na,Ca） 刻蚀速率（Å/min） 245~300 560 1500~1600 1400~1700 320 40~50 250~300 420~520 100~130 90 500~550 280~400 200
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例如刻蚀气体A2 在高能电场作用下，产生电 离，反应式可写成：
放电
A2+e- A*+A++2eA+为正离子，e-为电子，A*为中性游离基。 如果刻蚀气体用CF4, 则产生游离基F* 刻蚀Si 4F*+Si SiF4 刻蚀SiO2 4F*+SiO2 SiF4+O2 刻蚀Si3N4 12F*+Si3N4 3SiF4+2N2
光刻技术设计课件
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❖ 坚膜的温度和时间要合适。
❖ 若温度太低，时间过短，抗蚀剂胶膜没有烘 透，胶膜就不坚固，腐蚀时易脱胶；
光刻技术
光刻工艺 光刻技术 刻蚀技术
目的
❖ 光刻系统的主要指标 ❖ 基本光刻工艺流程 ❖ 光刻技术中的常见问题 ❖ 光刻掩模板的制造 ❖ 曝光技术 ❖ 光刻设备 ❖ 湿法腐蚀和干法刻蚀的原理
IC 对光刻技术的基本要求
①高分辨率。通常把线宽作为光刻水平的标志，线宽越来越细，要求光刻具 有高分辨率。 ②高灵敏度的光刻胶。光刻胶的灵敏度通常是指光刻胶的感光速度。光刻胶灵敏度
没有缺陷的光刻胶薄膜。
在涂胶之前，硅片一般需要经过脱水烘焙并且涂上用来增加光刻胶 与硅片表面附着能力的化合物。
脱水烘焙
以光刻胶在SiO2表面的附着情况为例，由于SiO2的表面是 亲水性的，而光刻胶是疏水性的，SiO2表面可以从空气中 吸附水分子，含水的SiO2会使光刻胶的附着能力降低。因 此在涂胶之前需要预先对硅片进行脱水处理，称为脱水 烘焙。
涂胶工艺一般包括三个步骤：
①将光刻胶溶液喷洒到硅0 片~表面20上00；r/min
②加速旋转托盘(硅片)，直至达到需要的旋转
速度； ③达到所需的旋转速度3后0，00保~持7一0定00时r/m间in的
旋转。
40s ~ 1min
光刻胶的膜厚
光刻胶的膜厚与光刻胶本身的黏性有关 对于同样的光刻胶，光刻胶的膜厚由旋转速度决定， 转动速度越快，光刻胶层的厚度越薄，光刻胶的均匀性 也越好。
如果不能满足要求，可以返工。因为经过显影之后只是在光刻胶上形成了图形，只需 去掉光刻胶就可以重新进行上述各步工艺。
坚膜
❖ 坚膜也叫后烘，主要作用是除去光刻胶中剩余的溶剂，增强光 刻胶对硅片表面的附着力，同时提高光刻胶在刻蚀和离子注
光刻技术设计课件
[nm]
436
365 248
NA
n
a
H2O
0.15-0.45
0.35-0.60 0.35-0.82
193
0.60-0.93
NA=nsina nH2O=1.44 NA≈1.36
13
3.1.2 光刻分辨率
分辨率
即每mm中包含的间距与宽度相等的线条数目。 L L
R=1/2L (mm-1)；
直接用线宽L表示
：曝光光源的波长 NA：曝光镜头的数值孔径
k1=0.6~0.8 NA=0.16~0.8 提高分辨率： NA，，k1
8
3.1.1 分辨率
1、利用光源缩小
光源 汞灯 汞灯 KrF(激光) ArF (激光) F2 (激光) 等离子体 波长(nm) 436 365 248 193 157 13.5 术语 g线 i线 DUV 193DUV VUV EUV 技术节点 >0.5mm 0.5/0.35mm 0.25/0.13mm 90/65…32nm CaF2 lenses Reflective mirrors
光刻工艺就是利用光敏的抗蚀涂层发生 光化学反应，按照确定的版图图形，结合刻 蚀方法在各种薄膜上（如SiO2等绝缘膜和各 种金属膜）制备出合乎要求的电路图形，包 括形成金属电极和布线、表面钝化以及实现 选择性掺杂。由于集成电路有一定的空间结 构，需多次使用光刻，每块集成电路一般要 进行6～7次光刻，所以氧化工艺与光刻工艺 的结合构成了整个平面工艺的基础。
寸硅片上满足前述的要求otolithography)是在光的作用下，
使图像从母版向另一种介质转移的过程。母 版就是光刻版，是一种由透光区和不透光区 组成的玻璃版。 即将掩模版（光刻版）上的几何图形转移到 覆盖在半导体衬底表面的对光辐照敏感薄膜 材料（光刻胶）上去的工艺过程 。
电子束光刻技术
电子束光刻技术随着现代科技的迅猛发展，电子束光刻技术作为一种高精度微细加工工艺，已经在半导体、光学器件、液晶显示等领域得到广泛应用。
本文将介绍电子束光刻技术的原理、应用以及面临的挑战。
一、电子束光刻技术原理：电子束光刻技术是一种利用电子束将所需图形迅速而精确地瞬时投射到待加工物体表面的方法。
该技术主要涉及到以下几个方面的关键要素：1. 电子枪：电子束光刻设备中最核心的部件，它负责产生高速电子束。
电子枪通过高电压电场和热释电发射材料中的热量，从而使部分原子电离产生自由电子。
2. 聚焦系统：用于将电子束聚焦到极小的直径，以确保加工的精度。
聚焦系统通常采用磁场透镜或者电场透镜，利用透镜的聚焦效应将电子束的直径控制在纳米级别。
3. 排线系统：排线系统的作用是将待加工的信息从控制系统传输到电子束光刻机。
通常使用高精度的电子束曝光器，通过电脑图形数据处理软件将设计好的布图数据转换为电子束所需的运动轨迹。
4. 笔直信息的确定：电子束光刻技术中的一个重要环节是作为电子束信息的数据载体的光刻胶层。
通过在光刻胶层上照射高能电子束，可以形成微细图形。
然后，通过后续的显影和其他加工工艺，最终得到所需的器件。
二、电子束光刻技术的应用：电子束光刻技术凭借其高分辨率、微细制造等优势，广泛应用于半导体和微电子器件领域。
主要应用包括：1. 半导体芯片制造：电子束光刻技术是制造半导体芯片的核心工艺之一。
电子束光刻机可准确地将微小的电子线路图案投射在硅片表面，为芯片的制造提供了必要的图形信息。
2. 光学器件制造：光学器件制造对于精度和分辨率的要求非常高，电子束光刻技术能够满足这些需求。
通过该技术，可以制造出高精度的光栅、衍射元件等光学器件。
3. 液晶显示制造：在液晶显示领域，电子束光刻技术通常用于制造液晶面板上的微小图形和线路。
这些微小的图形和线路是构成LCD显示效果的关键元素。
三、电子束光刻技术面临的挑战：尽管电子束光刻技术有着广泛的应用前景，但仍然面临一些挑战：1. 成本问题：目前，电子束光刻设备的成本较高，限制了其在大规模生产中的应用。
03 光刻机结构及工作原理1
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上讲内容：完整的IC制造工艺流程
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上讲内容：微电子制造装备概述
加法工艺
减法工艺 辅助工艺 图形转移工艺 后道工艺
曝光波长影响 光源技术：中心波长、光谱带宽、输出功率… 光学系统：光学设计、光学材料、光学镀膜… 光刻工艺：光刻胶、工艺参数…
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* 汞灯光源
光刻机结构原理：曝光系统
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光刻机结构：曝光系统
* 激光器
中心波长 波长带宽 脉冲频率 脉冲能量 输出功率
193.365 nm 0.3 pm 4000 Hz 5 mJ 20 W
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* 离轴照明
光刻机结构：曝光系统
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光刻机结构：曝光系统
顶部模块 (Top Modular)
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光刻机简介
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光刻机简介
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Development of lithography system
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* 光刻机发展路线图1
08微电子工艺基础光刻工艺
第8章光刻工艺
二、光刻胶 3、正、负胶的比较
（1）正、负胶和掩膜版极性的结合（参见教材P131和P132）
掩模板的 图形是由 不透光的 区域决定
的
在掩膜板上 的图形是用 相反的方式 微电子编工码业的基础
第8章光刻工艺
二、光刻胶 3、正、负胶的比较
（2）负胶
负胶大多数由长链高分子有机物组成。 例如：由顺聚异戊二烯、对辐照敏感的交联剂以及溶剂组成的 负胶，响应波长330-430nm，胶膜厚度0.3-1μm，显影液是 有机溶剂如二甲苯等。曝光的顺聚异戊二烯在交联剂作用下交 联，成为体形高分子并固化，不再溶于有机溶剂构成的显影液， 而未曝光的长链高分子溶于显影液，显影时被去掉。
微电子工业基础
第8章光刻工艺
二、光刻胶 1、光刻胶的组成、分类
光刻时接受图像的介质称为光刻胶，以光刻胶构成的 图形作为掩膜对薄膜进行腐蚀，图形就转移到晶片表 面的薄膜上了，所以也将光刻胶称为抗蚀剂。 （1）光刻胶的分类 ① 根据曝光源和用途 A. 光学光刻胶（主要是紫外线）
B. 电子抗蚀剂 C. X-射线抗蚀剂
微电子工业基础
第8章光刻工艺
一、概述 4、光刻工艺步骤概述（**）
光刻蚀工艺: 首先是在掩膜版上形成所需的图形； 之后通过光刻工艺把所需要的图形转移到晶圆表 面的每一层。（P130倒数第二段）
微电子工业基础
第8章光刻工艺
一、概述 4、光刻工艺步骤概述（**）
（1）图形转移的两个阶段 ① 图形转移到光刻胶层
微电子工业基础
第8章光刻工艺
二、光刻胶 1、光刻胶的组成、分类
（3）正胶
当前常用的正胶由以下物质组成的：酚醛树脂、光敏剂 邻 重 氮 醌 和 溶 剂 二 甲 氧 基 乙 醛 等 。 响 应 波 长 330430nm，胶膜厚1-3μm，显影液是氢氧化钠等碱性物 质。曝光的光刻胶光分解后易溶于显影液，未曝光的胶 膜难溶于碱性显影液。
微纳制造导论-光刻技术
二、光刻工艺介绍
2.1、负性光刻胶 负性光刻胶的基本特征是曝光后，光刻胶会因为交联而
变得不可溶解，并会硬化。使得光刻胶上的图形与投影掩膜 版上的图形相反。例如一种I线负性光刻胶的感光剂是一种经 过合适波长的紫外光曝光后释放出氮气的光敏剂。氮气产生 的自由基在该负胶的橡胶分子间产生交联，使得显影液无法 将其溶解，而未曝光的光刻胶却可以被冲洗干净。
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二、光刻工艺介绍
正性光刻胶原理示意图
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二、光刻工艺介绍
一般来说，正性光刻比负性光刻更能使图形的边界清晰，如下图所示。正性 光刻胶有更好的边界线，使其更适合于用作微细加工的高分辨率的掩模和深硅刻 蚀。在lift-off工艺中更适合使用负性光刻胶。 一般来说，正性光刻比负性光刻更能使图形的形貌陡峭，如图所示。正性光刻这 种更好的边界线使其更适合于用作微细加工的高分辨率的掩模。
光刻（Photolithography）工艺是一种能代表整个半导体产业能力的的工 艺。无论是以平面薄膜结构为代表的集成电路制造（IC），还是以具有复杂的 三维结构为特征的微型机械制造(MEMS)，光刻工艺是整个制程里用得最频繁， 最关键得技术之一，光刻同扩散、刻蚀、离子注入及薄膜工艺共同组成整个制 造工艺流程，随着芯片关键尺寸的日益减小，对光刻的技术与设备提出了越来 越高的要求，因而光刻技术的进步也往往能够推动整个半导体制造业的发展。
负性光刻胶
正性光刻胶
正负光刻胶的形貌对比
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二、光刻工艺介绍
2.2.2.3传统I线(365nm)光刻胶 传统I线光刻胶是指那些适用于I线紫外波长（365nm）的光刻胶，对应于关键
尺寸在0.35μm以上的非关键层的光刻适用。通常由树脂、感光剂、溶剂与添 加剂构成。树脂是一种惰性聚合物基质，用于把光刻胶的不同材料聚合在一起 的粘合剂。树脂对光不敏感，曝光后不会发生化学变化。感光剂是光敏部分， 能够对紫外光发生光化学反应。溶剂使光刻胶保持液体状态，直到被涂在硅片 衬底上。绝大多数溶剂在曝光前挥发，对光刻胶的光化学性质没有影响。添加 剂通常用来控制和改变光刻胶材料的特定化学性质或光响应特性。I线光刻胶 有正性与负性之分。正性胶与正性光刻版相对应，负性胶与负性光刻版相对应 。其中正性胶的感光剂为重氮萘醌（DNQ）。
无掩膜激光直写工艺流程
无掩膜激光直写工艺流程激光直写是一种高精度的加工技术，广泛应用于微电子、光电子、生物医学等领域。
无掩膜激光直写工艺是激光直写技术的一种重要分支，其特点在于不需要使用光刻胶层作为掩膜，直接利用激光束对材料进行加工。
本文将介绍无掩膜激光直写工艺的流程。
一、工艺准备1. 确定目标结构：根据需要加工的结构，设计并确定目标结构的参数和尺寸。
2. 选择适合的材料：根据目标结构的要求，选择合适的材料进行加工。
3. 调整激光参数：根据材料的特性和目标结构的要求，调整激光的功率、脉冲宽度、重复频率等参数。
二、工艺流程1. 清洗样品：将待加工的材料样品进行清洗，去除杂质和污垢，以保证加工的准确性和稳定性。
2. 调整激光焦距：根据材料的厚度和加工深度要求，调整激光的焦距，使其能够精确地聚焦在材料表面。
3. 扫描加工：利用激光束在材料表面进行扫描，实现目标结构的加工。
激光束的移动可以通过传统的机械扫描方式或者利用光学元件进行调整。
4. 控制激光参数：在加工过程中，根据需要可以通过调整激光的功率、脉冲宽度等参数，来控制加工的深度和精度。
5. 检测加工结果：加工完成后，可以利用显微镜等设备对加工结果进行检测和验证，以确保加工质量符合要求。
三、工艺优势1. 高精度：无掩膜激光直写工艺具有很高的加工精度，可以实现亚微米级甚至纳米级的结构加工。
2. 高效率：无掩膜激光直写工艺无需制作掩膜，省去了掩膜制作的步骤，从而提高了加工效率。
3. 灵活性：无掩膜激光直写工艺适用于各种材料的加工，包括金属、半导体、陶瓷等，具有很强的适应性。
4. 低成本：相比传统的光刻工艺，无掩膜激光直写工艺不需要制作和使用掩膜，从而降低了成本。
四、应用领域无掩膜激光直写工艺在微电子、光电子、生物医学等领域有着广泛的应用。
在微电子领域，可以用于制作微电子器件的导线、晶体管等结构；在光电子领域，可以用于制作光纤光栅、光波导等结构；在生物医学领域，可以用于制作微流控芯片、生物芯片等结构。
光刻机培训
LC倍率控制的实现
A室与大气相连； B室气压可以调节，通过改变 B室气压，从而改变其折射率 使倍率进行实时追踪 A室中集中了大部分光学镜头
光刻教育资料 光刻Team
reticle
A
压力调节机构
B lens
wafer
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LC与AUTOFOCUS的关系
Lens的实际焦点随着 B室气压的变化实时 在变化。
光刻教育资料 光刻Team 26
焦点深度：DOF
焦点深度：即焦深，即焦点的有效曝光深 度。 DOF=Kλ/N.A.²
K与光刻胶有关的常数 λ使用光的波长 N.A.镜头的数值孔径
光刻教育资料
光刻Team
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分辨率、焦深、NA关系
较好的焦深 lens
较差的焦深 lens
d3、d4焦深
d4
d1
d3 d1
d2
如果d1=d2,则d3>d4
光刻教育资料 光刻Team 28
离轴照明
在采用离轴照明 的曝光系统中，掩模 上的照明光线都与投 影物镜主光轴有一定 的夹角。入射光经掩 模发生衍射，左侧光 源的 0 级、-1 级衍 射光与右侧光束的 +1级、0 级衍射光参 与成像。环形照明、 四极照明和二极照明 都属于离轴照明方式.
Heater 送风机 压缩机 风
光刻教育资料
光刻Team
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进风口
光学系构造
RA C M1 S I MF、SF B Hg LAMP E MC F R1 R2 M2
ML
光刻教育资料
光刻Team
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光刻机构造－干涉滤光镜
玻璃衬底上涂一层半透明金属层，接着涂一层氟化镁隔层（可以减 少镜头界 面 对射入光线的反射，减少光晕，提 高 成 像 质 量 ），再 涂一层半透明金属层，两金属层构成了法布里-珀罗标准具的两块平行 板。当两极的间隔与波长同数量级时，透射光中不同波长的干涉高峰 分得很开，利用别的吸收型滤光片可把不允许透过的光滤掉，从而得 到窄通带的带通滤光片，其通频带宽度远比普通吸收型滤光片要窄。