高抗蚀性 好黏附性
思考题：为什么光刻胶越薄，分辨率越高？
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 • 显影 Development
Jincheng Zhang
Comparison of Photoresists
Jincheng Zhang
正胶 Positive Photoresist
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
Jincheng Zhang
预烘和底胶蒸气涂覆
Jincheng Zhang
光刻3－涂胶 （Spin Coating）
硅圆片放置在真空卡盘上 高速旋转 液态光刻胶滴在圆片中心 光刻胶以离心力向外扩展 均匀涂覆在圆片表面 设备--光刻胶旋涂机
Jincheng Zhang
光刻胶厚度与旋转速率和粘性的关系
问题
为什么不能用光学显微镜检查0.25um尺寸的图形? 因为特征尺寸 (0.25 µm = 250nm) 小于可见光的波长， 可见光波长为390nm (紫光) to 750nm (红光)
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，
Jincheng Zhang
光刻工序
Jincheng Zhang
1、清洗硅片 Wafer Clean
Jincheng Zhang
2、预烘和底膜涂覆 Pre-bake and Primer Vapor
Jincheng Zhang
3、光刻胶涂覆 Photoresist Coating
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
Jincheng Zhang
光衍射
光衍射影响分辨率
光刻需要
高分辨率 High Resolution 光刻胶高光敏性 High PR Sensitivity 精确对准 Precision Alignment
Jincheng Zhang
Photoresist(PR)－光刻胶
光敏性材料 临时性地涂覆在硅片表面 通过曝光转移设计图形到光刻胶上 类似于照相机胶片上涂覆的光敏材料
光刻4－前烘（Soft Bake）
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），
Jincheng Zhang
Photoresist Spin Coater
EBR: Edge bead removal边缘修复
Jincheng Zhang
滴胶
Jincheng Zhang
光刻胶吸回
Jincheng Zhang
Photoresist Spin Coating
Jincheng Zhang
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
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
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
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
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
Jincheng Zhang
过坚膜
问题
如果涂胶时用错光刻胶，会发生什么问题？ 每种光刻胶都有不同的敏感性和粘性，都需要不 同的旋转速率、斜坡速率、旋转时间、烘干时间和 温度、曝光强度和时间、显影液和显影条件，因此 图形转移将失败。
0.065 μm
Jincheng Zhang
对准和曝光设备
接触式曝光机 接近式曝光机 投影式曝光机 步进式曝光机（Stepper）
Jincheng Zhang
接触式曝光机
设备简单 分辨率：可达亚微米 掩膜与圆片直接接触，
掩膜寿命有限 微粒污染
Jincheng Zhang
接近式曝光机
Jincheng Zhang
分辨率 Resolution
表征光刻精度； 定义－光刻时所能得到的光刻图形的最小尺寸。 表示方法：每mm最多可容纳的线条数。若可分辨
问题
正胶比负胶具有更好的分辨率，为什么十九世 纪八十年代以前人们普遍使用负胶？
Jincheng Zhang
答案
因为正胶比负胶贵得多，直到器件特征尺寸减 小到3um以下时人们才用正胶代替负胶。
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
分辨率：0.25 μm 或更小 设备很昂贵
步进-&-重复
Jincheng Zhang
曝光光源
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
汞灯的光谱
Jincheng Zhang
曝光机光源
Jincheng Z光干涉
周期性过曝光和欠曝光
影响光刻分辨率
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。
PEB减小驻波效应
Jincheng Zhang
光刻8－显影(Development)
Jincheng Zhang
Photoresist
Negative Photoresist 负性光刻胶－负胶
曝光后不可溶解 显影时未曝光的被溶解 便宜
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
Negative and Positive Photoresists
Jincheng Zhang
正胶的曝光机理：重氮萘醌光分解反应
Jincheng Zhang
负胶的曝光机理：聚乙烯醇肉桂酸脂光聚合反应
Jincheng Zhang
Photoresist Composition光刻胶基本组成
聚合物材料(基体） 感光材料 溶剂 添加剂
Jincheng Zhang
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
Jincheng Zhang
9、坚膜 Hard Bake
Jincheng Zhang
10、图形检测 Pattern Inspection
Jincheng Zhang
光刻1－硅片清洗（Wafer Clean）
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
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
显影: 沉浸
显影
Jincheng Zhang
漂洗
旋转干燥
显影
Jincheng Zhang
显影后剖面
正常显影
欠显影
Jincheng Zhang
不完全显影 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
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
集成电路工艺基础
5、光刻与刻蚀工艺（曝光、刻蚀）
微电子学院 戴显英
2017年9月
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.
例如：聚乙烯醇肉桂酸脂系（负胶）
①基体、感光剂－ 聚乙烯醇肉桂酸脂 浓度：5-10% ②溶剂－环己酮 浓度：90－95％ ③增感剂－5-硝基苊 浓度：0.5-1%