光刻胶中容量最大的成分是溶剂。 光刻胶中容量最大的成分是溶剂。添加溶剂的目的是 使光刻胶处于液态，以便是光刻胶能够通过旋转 旋转的方法涂在晶园 使光刻胶处于液态，以便是光刻胶能够通过旋转的方法涂在晶园 表面。 表面。
• 感光剂
光刻胶中的感光剂是用来产生或者控制聚合物的特定 反应。如果聚合物中不添加感光剂，那么它对光的敏感性差， 反应。如果聚合物中不添加感光剂，那么它对光的敏感性差，而 且光谱范围较宽，添加特定的感光剂后，可以增加感光灵敏度 增加感光灵敏度， 且光谱范围较宽，添加特定的感光剂后，可以增加感光灵敏度， 而且限制反应光的光谱范围，甚至把反应光限制在某一特定波长。 而且限制反应光的光谱范围，甚至把反应光限制在某一特定波长。
涂光刻胶
低转 速 真空
高转 速
涂光刻胶
• 自动旋转器 自动系统如 图所示，包含 了晶园表面处 理、涂底胶和 涂光刻胶全部 过程， 标 准 的 系 统 配 置 就 是 一 条流水线。 条流水线。
N O 吹除
自动晶圆 装载
N
底 胶 器 传送 到 晶圆 盒 或软烘焙 捕获 杯
光 刻 胶
通向 排气
旋转电机 真空
光刻胶是光刻工 艺的核心， 艺的核心，光刻 过程中的所有操 作都会根据特定 的光刻胶性质和 想达到的预期结 果而进行微调。 果而进行微调。
感光剂
添加剂
负性光刻胶
• 负性胶，聚合物曝光后会由非聚合状态变为聚 负性胶， 合状态。在大多数负性胶里面，聚合物是聚异 合状态。在大多数负性胶里面，聚合物是聚异 戊二烯类型 在光照接受光照后聚合， 类型。 戊二烯类型。在光照接受光照后聚合，变为不 可溶的聚合物。 可溶的聚合物。
光刻胶的要求
• 工艺宽容度 整个光刻过程步骤多，而且每一步骤都会影响最终的图形 尺寸， 另外每一工艺步骤都有它的内部变异。不同的光刻胶 对工艺变异的容忍性都不一样。那么，容忍性越高，在晶园表 面达到所需要尺寸的可能性就越大，或者说工艺的宽容度就越 大。 • 针孔 所谓针孔是指光刻胶层中尺寸非常小的空穴。可以是涂胶 工艺中由环境中的微粒污染物造成的，也可以由光刻胶层结构 上的空穴造成。针孔是有害的，因为它可以允许刻蚀剂渗过光 刻胶层进而在晶园表面层刻蚀除小孔。 硅晶片 • 阶梯覆盖度 再氧化之前 随着晶园表面上膜层的不断增加，表面 (a) 不再是完全平坦化的，所以要求光刻胶必 台阶 硅晶片 须具有良好的阶梯覆盖特性。
曝光
铬 (a)
玻璃裂纹 污垢
负胶 氧化物 晶圆
(b)
两种类型光刻胶属性的比较
光刻工艺
• 表面准备 为确保光刻胶能和晶园表面很好粘结，必须进行表面处 理，包括三个阶段：微粒清除、脱水和涂底胶。 微粒清除、 微粒清除 脱水和涂底胶。
• 微粒清除 高压氮气吹除 虽然光刻前的每一步工艺（氧化、掺杂等）都是在清洁区域完成 化学湿法清洗 的，但晶园表面有可能吸附一些颗粒状的污染物。 旋转刷刷洗 高压水流 • 脱水烘焙 经过清洁处理后的晶园表面可能会含有一定的水分（亲水 性表面），所以必须脱水烘焙使其达到清洁干燥（憎水性表面）， 以便增加光刻胶和晶园表面的黏附能力。 • 1.涂底胶 一是保持室内温度在50℃以下， 一是保持室内温度在 ℃以下，并且在晶园完成前一步工艺之后尽可能 亲水 性 憎水 性 快的进行涂胶。 快的进行涂胶。 涂底胶的目的是进一步保证光刻胶和晶园表面的粘结能力。 表面 表面 2. 方法有：沉浸式 旋转式 蒸汽式 把晶园存储在干燥并且干净的氮气净化过的干燥器中。 把晶园存储在干燥并且干净的氮气净化过的干燥器中。 方法有：
涂光刻胶
光刻 胶浇 注
不充 分 覆盖
完整光 刻胶 覆盖
过多 光刻 胶
旋转 后
光刻胶覆盖
• 动态喷洒 随着晶园直径越来越大，静态涂胶已不能 满足要求，动态喷洒是晶园以500rpm的速度低 速旋转，其目的是帮助光刻胶最初的扩散，用 这种方法可以用较少量的光刻胶而达到更均匀 的光刻胶膜。待扩散后旋转器加速完成最终要 求薄而均匀的光刻胶膜。
3. 加热的操作也可以使晶园表面恢复到憎水表面。 加热的操作也可以使晶园表面恢复到憎水表面。
涂光刻胶 目的是在晶园表面建立薄而均匀并且没有缺陷 薄而均匀并且没有缺陷 的光刻胶膜。要做到这一点必须用精良的设备和 严格的工艺控制才能达到。 厚度：0.5～1.5µm，均匀性：±0.01µm 光刻胶膜的最终厚度是由 常用方法： 常用方法：旋转涂胶法 光刻胶的粘度、 旋转速度、 光刻胶的粘度 、 旋转速度 、 分手动，半自动，全自动 表面张力和光刻胶的干燥 性来决定的。 性来决定的。 • 静态涂胶工艺
表面层 晶圆 图形层 晶圆
图形转移
首先，图形被转移到光刻胶层。 首先，图形被转移到光刻胶层。光刻胶经过曝光后自身性质和结构发生变 由原来的可溶性物质变为非可溶性物质，或者相反）。再通过化学溶剂（ ）。再通过化学溶剂 化（由原来的可溶性物质变为非可溶性物质，或者相反）。再通过化学溶剂（显 影剂）把可以溶解的部分去掉，在光刻层下就会留下一个孔， 影剂）把可以溶解的部分去掉，在光刻层下就会留下一个孔，而这个孔就是和掩 膜版不透光的部分相对应。 膜版不透光的部分相对应。 • 其次，把图形从光刻胶层转移到晶园上。 其次，把图形从光刻胶层转移到晶园上。这一步是通过不同的刻蚀方法把晶
间位 （ 3 和 4 ） 对位（ 4 ）
间甲 酚
甲醛
在光刻胶中聚合物是相对不可溶的， 在光刻胶中聚合物是相对不可溶的， 用适当能量的光照后变成可溶状态。 用适当能量的光照后变成可溶状态 。 这种反应 称为光溶解反应。 称为光溶解反应。
光刻胶产品中的溶剂、 光刻胶产品中的溶剂、感光剂和添加剂
• 溶剂
纳米科学与技术 第五讲
微纳米加工技术
杨延莲 国家纳米科学中心 2011年03月08日 年 月 日
材料
表征
组装
？
器件
Top-down + bottom-up
主要内容
• 光刻 （Photolithography） ） • 聚焦电子束 （EBL） ） • 聚焦离子束（FIB） ）
Electron Beam lithography
• 添加剂
光刻胶中的添加剂主要在光刻胶薄膜中用来吸收和控 光刻胶中的添加剂主要在光刻胶薄膜中用来吸收和控 制光线，可以阻止光刻胶没有被曝光的部分在显影过程中被溶解。 制光线，可以阻止光刻胶没有被曝光的部分在显影过程中被溶解。
• 分辨率 在光刻胶层能够产生的最小图形通常被作为对光刻 胶的分辨率。 胶的分辨率。产生的线条越小，分辨率越高。分辨率不 仅与光刻胶本身的结构、性质有关，还与特定的工艺有 关，比如：曝光光源、显影工艺等。 • 粘结能力 光刻胶与衬底膜层（SiO2 、Al等）的粘结能 力直接影响光刻的质量。不同的衬底表面，光刻胶的粘 结能力是不同的。负性胶通常比正性胶有更强的粘结能 力。 • 曝光速度 灵敏性和曝光源 光刻胶的感光灵敏度反应了光刻胶感光所必 须的照射量，而照射量正比于光的强度和感光时间。光 强度是和光源特定的波长有关系。
光刻工艺概况
•首先是在晶园表面建立尽可能接近设计规则中所要求尺 首先是在晶园表面建立尽可能接近设计规则中所要求尺 寸的图形 •其次是在晶园表面正确定位图形。 其次是在晶园表面正确定位图形。 其次是在晶园表面正确定位图形
晶圆
•光刻是一种多步骤的图形转 光刻是一种多步骤的图形转 移过程， 移过程，首先是在掩膜版上 形成所需要的图形， 形成所需要的图形，之后通 过光刻工艺把所需要的图形 转移到晶园表面的每一层。 转移到晶园表面的每一层。
再氧化之后 (b)
光刻胶的要求
正胶和负胶的比较
在工艺发展的早期，负胶一直在光刻工艺中占主导地位，随着VLSI IC和2～5微 在工艺发展的早期，负胶一直在光刻工艺中占主导地位，随着VLSI IC和 米图形尺寸的出现，负胶已不能满足要求，随后出现了正胶。 米图形尺寸的出现，负胶已不能满足要求，随后出现了正胶。 •正胶的缺点是粘结能力差，成本比负胶高，但良品率高。 正胶的缺点是粘结能力差， 正胶的缺点是粘结能力差 成本比负胶高，但良品率高。 •负胶所用的显影剂容易得到，显影过程中图形尺寸相对稳定。图形尺寸大于2微米 负胶所用的显影剂容易得到， 负胶所用的显影剂容易得到 显影过程中图形尺寸相对稳定。图形尺寸大于2 的工艺还是选择负胶 用正胶需要改变掩膜版的极性，并不是简单的图形翻转。 用正胶需要改变掩膜版的极性，并不是简单的图形翻转。因为用掩膜版和两种不 同光刻胶结合，由于光在图形周围的衍射效应，在晶园表面光刻得到的尺寸不一样。 同光刻胶结合 ， 由于光在图形周围的衍射效应 ， 在晶园表面光刻得到的尺寸不一样 。
Focused Ion Beam
• 软刻蚀（Soft lithography） ） • 纳米压印（Nanoimprint） ）
Nanofabrication Equipments
洁净间 Clean room，百级，千级，万级 ，百级，千级， 磁控溅射 电子束蒸发 紫外光刻
反应离子刻蚀
电子束直写
பைடு நூலகம்
纳米压印
园上没有被光刻胶保护的部分的薄膜层去掉。 园上没有被光刻胶保护的部分的薄膜层去掉。
对准 曝光
去除非 聚合的 光刻胶
刻蚀Si 刻蚀 表面
去除光 刻胶
掩膜版
如果掩膜版的图形是由 不透光的区域决定的 ， 称其为亮场掩膜版； 称其为亮场掩膜版； 暗场掩膜版的图形是用 相反的方式编码的， 相反的方式编码的 ， 如 果按照同样的步骤， 果按照同样的步骤 ， 就 会在晶园表面留下凸起 的图形。 的图形。 暗场掩膜版主要用来制 作反刻金属互联线。 作反刻金属互联线。
• 软烘焙
因为光刻胶是一种粘稠体， 因为光刻胶是一种粘稠体 ， 所以涂胶结束后并不能直接进 行曝光，必须经过烘焙，使光刻胶中的溶剂蒸发。 行曝光，必须经过烘焙，使光刻胶中的溶剂蒸发。烘焙后的光刻 胶仍然保持“ 状态，但和晶园的粘结更加牢固。 胶仍然保持“软”状态，但和晶园的粘结更加牢固。同时降低光 刻胶内部应力。 刻胶内部应力。 时间和温度是软烘焙的参数 是软烘焙的参数， 时间和温度是软烘焙的参数，不完全的烘焙在曝光过程中造成图 像形成不完整和在刻蚀过程中造成多余的光刻胶漂移； 像形成不完整和在刻蚀过程中造成多余的光刻胶漂移；过分烘焙 会造成光刻胶中的聚合物产生聚合反应，并且不与曝光射线反应。 会造成光刻胶中的聚合物产生聚合反应，并且不与曝光射线反应。 负胶必须在氮气中进行烘焙，而正胶可以在空气中烘焙。 负胶必须在氮气中进行烘焙，而正胶可以在空气中烘焙。