—显影后必须进一步增强光刻胶粘附力
光刻胶 SiO2
Si （5）腐蚀
6、去胶
SiO2
Si （6）去胶
6、去胶
经过刻蚀或离子注入后，将光刻胶从表面除去
去胶方法
湿法去胶
• 有机溶液去胶
–不腐蚀金属，去除Al上的光刻胶需用有机溶剂
• 无机溶液去胶
干法去胶
• 等离子体将光刻胶剥除 • 刻蚀效果好，但有反应残留物玷污问题，故与湿法腐蚀搭配使 用
lithography
Introduction
光刻
洁净室
工艺流程
光刻机
• 分辨率－曝光光源 • 套准
光刻胶
光刻机
光刻机的性能可由下面三个参数来判别
分辨率
光刻机
光刻机的性能可由下面三个参数来判别
套准精度
产率 • 对一给定的掩膜版，每小时能曝光完成的晶 片数量
Resist coat (wafer track)
resist
substrate
Expose (illumination tool) positive tone Develop (wafer track) etch (ion implantation) resist strip
mask
negative tone
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
（1）氧化、清洗
光刻胶 SiO2
Si （2）涂胶、前烘
曝光光源
光刻机发展为两大类型，即光学光刻机和非光 光刻机的种类 学光刻机，如图所示。 光学光刻机采用紫
外线作为光源，而 非光学光刻机的 光源则来自电磁 光谱的其他成分。
光学
接触式 接近式
非光学 X 射线
电子束
投影式 步进式
曝光光源
普通光源
光的波长范围大，图形边缘衍射现象严重，满 足不了特征尺寸的要求。
光刻三要素：光刻胶、掩膜版和光刻机
光刻胶又叫光致抗蚀剂，它是由光敏化合物、 基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体 光刻胶受到特定波长光线的作用后，导致其化 学结构发生变化，使光刻胶在某种特定溶液中 的溶解特性改变
光刻过程的主要步骤：
曝光、显影、刻蚀
Process flow optical litho
条件:
温度 ：90 to 120 ℃
时间：60s to 120s
2、前烘（softbake）－－再次改善光刻胶粘附性
前烘不足
光刻胶与硅片黏附性变差 因光刻胶中溶剂含量过高致使曝光的精确度下降
前烘过量
延长时间，产量降低 过高的温度使光刻胶层的粘附性会因光刻胶变脆而降 低 过高的温度会使光刻胶中的感光剂发生反应，使光刻 胶在曝光时的敏感度变差
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。 利用光刻胶的这种特性，就可以在硅片的表面 涂上光刻胶薄层，通过掩膜版对光刻胶辐照， 从而使某些区域的光刻胶感光之后，再经过显 影就可以在光刻胶上留下掩膜版的图形。
光刻胶的主要成分
ULSI的芯片尺寸为1～2cm2 提高经济效益和硅片利用率
洁净室（1）
洁净室（2）
洁净室的等级定义方式：
（1）英制系统：
• 每立方英尺中直径大于或等于0.5um的尘埃粒子总数 不准超过设计等级数值。
（2）公制系统
• 每立方米中直径大于或等于0.5um的尘埃粒子总数不 准超过设计等级数值（以指数计算，底数为10）。
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。 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
产品的产量 曝光时间 确保光刻胶各项属性均为优异的前提下，提高 光刻胶的灵敏度
ULSI对光刻有哪些基本要求？
低缺陷
缺陷关系成品率
精密的套刻对准
集成电路芯片的制作需要经过多次光刻，在各次曝光 图形之间要相互套准。
ULSI的图形线宽在1um以下，通常采用自对准技术。
大尺寸硅片上的加工
lithography
Introduction
光刻
洁净室
工艺流程
光刻机
光刻胶 掩膜版
光刻胶的基本属性
主要有两种光刻胶：
正胶：曝光后显影时曝光部分被溶解，而没有 曝光的部分留下来 ——邻叠氮醌类 负胶：曝光后显影时没有曝光部分被溶解，而 曝光的部分留下来——聚乙烯醇肉桂酸酯和聚 乙烯氧乙基肉桂酸酯
（a）晶片整片扫描
（b）1：1步进重复
光学曝光方法
lithography
Introduction
光刻
洁净室
工艺流程
光刻机
• 分辨率－曝光光源 • 套准
光刻胶
套准精度
对准
把所需图形在晶园表面上定位或对准。 如果说光刻胶是光刻工艺的“材料”核心， 那么对准和曝光则是该工艺的“设备”核心。 图形的准确对准是保证器件和电路正常工作 的决定性因素之一。
光学曝光方法
光学曝光方法
遮蔽式曝光
接触式曝光
• 提供约1um的分辨率
• 对掩膜版造成损伤
接近式曝光
• 可以减小掩膜版损伤 • 间隙会在掩膜版图案边缘造成光学衍射 • 分辨率降低至2um～5um
光学曝光方法
光学曝光方法
投影式曝光
利用投影的方法，将掩膜版上图案投影至相距好几厘 米的晶片上。
基本光刻技术
*实际工艺中正胶用的比较多，why?
a.分辨率高
b.抗干法腐蚀的能力较强 c.抗热处理的能力强 d.可用水溶液显影，溶涨现象小 e.可涂得较厚(2-3um)不影响分辨率，有较好台 阶覆盖性 f.适合1：1及缩小的投影光刻 负胶也有一些优点，如: 粘附性好，抗湿法腐蚀 能力强等
这些图案可用来定义集成电路中各种不同区域， 如离子注入、接触窗（contact window）与压 焊（bonding－pad）区。
图形曝光与刻蚀
刻蚀
由图形曝光所形成的抗蚀剂图案，并不是电路 器件的最终部分，而只是电路图形的印模。为 了产生电路图形，这些抗蚀剂图案必须再次转 移至下层的器件层上。
lithography
Introduction 光刻
洁净室
工艺流程
光刻机
光刻胶
掩膜版
图形曝光与刻蚀
图形曝光（lithography，又译光刻术）
利用掩膜版（mask）上的几何图形，通过光化 学反应，将图案转移到覆盖在半导体晶片上的感 光薄膜层上（称为光致抗蚀剂、光刻胶或光阻， resist，简称抗蚀剂）的一种工艺步骤
–（0.35um,0.25um,0.18 CMOS技术）
• 氟化氩 ArF
（193nm）
– (0.2um以下工艺）
曝光光源
超细线条光刻技术
甚远紫外线(EUV) （13.4nm)
电子束光刻 (波粒二相性，更多显示粒子性）
以上两种曝光光源比较有前景，可以对亚 100nm，亚50nm的特征尺寸进行光刻 X射线 离子束光刻
3、曝光（Exposure）
紫外光 掩模版 光刻胶 SiO2
Si （3）曝光
3、曝光（Exposure）
曝光
光通过掩模版照射，使照射到的光刻胶起光化学反应 感光与未感光的光刻胶对碱性溶液的溶解度不同 掩模版上的图案，完整地传递(Transfer)到晶片表面的 光阻上
目的：
确定图案的精确形状和尺寸 完成顺序两次光刻图案的准确套制
晶圆生产用的曝光光源
曝光光源
晶圆生产用的曝光光源
最广泛使用的曝光光源是高压汞灯 产生的光为紫外光（UV） 三条发射线
• I线(365nm)
• H线(405nm)
• G线(436nm)
–(0.35um工艺)
曝光光源
晶圆生产用的曝光光源
产生的光为深紫外光（DUV） • 氟化氪 KrF （248nm）
光刻是唯一可以返工的工艺步骤
5、坚膜
—显影后必须进一步增强光刻胶粘附力
坚膜
在光刻显影后，再经过一次烘烤，进一步将胶内
残留的溶剂含量由蒸发降到最低，使其硬化
坚膜的目的
去除光刻胶中剩余的溶剂，增强光刻胶对硅片表 面的附着力 提高光刻胶在刻蚀和离子注入过程中的抗蚀性和 保护能力
5、坚膜
怎样才算涂的好？
膜厚均匀，正胶<2%，负胶<5%
涂胶-----转速Vs膜厚
转速Vs膜厚
其中：T表示膜厚，S表示转速；从上式可以看出， 光刻胶的膜厚与旋转速度的平方根成反比。
2、前烘（softbake）－－再次改善光刻胶粘附性
目的
去除胶内的溶剂，提高胶的粘附力
提高胶的抗机械摩擦的能力 减小高速旋转形成的薄膜应力
曝光后烘焙（PEB）
驻波效应
定义：入射光与反射光间的相长和相消干涉造 成的效应 影响：曝光过程中，在曝光区与非曝光区边界 将会出现驻波效应，影响显影后所形成的图形 尺寸和分辨率 改善措施：曝光后烘焙
4、显影（Development）
光刻胶 SiO2