42
9.2.7 显影检验

在显影和烘焙之后就要完成光刻掩膜工艺的 第一次质检，通常叫显影检验。

目的是区分那些有很低可能性通过最终掩膜
检验的衬底，提供工艺性能和工艺控制数据，
以及分出需要重做的衬底。
43
检测内容：

掩膜版选用是否正确；


光刻胶层的质量是否满足要求；
图形质量； 套准精度是否满足要求。
44

光刻胶钻蚀 图形尺寸变化
套刻对准不良
光刻胶膜损伤 线条是否齐、陡
钻蚀
针孔、小岛、划伤
针孔、小岛
45
9.2.8 刻蚀

为了制作集成电路元器件，须将光刻胶上的图形进一
步转移到光刻胶下层的材料上。这个任务由刻蚀完成。

刻蚀就是将涂胶前所淀积的薄膜没有被光刻胶覆盖和
保护的那部分除掉，到达将光刻胶上的图形转移到其
193DUV
VUV EUV
90/65…32nm
CaF2 lenses Reflective mirrors
12
光刻分辨率
光刻分辨率是指光刻工艺得到的光刻胶图形能分辨线条的最小 线宽 L ，也可以用单位尺寸的线条数表示。光刻分辨率是决定
芯片最小特征尺寸的最主要因素。

L L
分辨率

R=1/2L (mm-1)； 直接用线宽L表示

曝光中要特别注意曝光光源的选择和对准。
29
简单的光学系统曝光图
30

曝光光源的选择：紫外光用于光刻胶的曝光是因为光 刻胶与这个特定波长的光反应。波长很重要，因为较 短波长的可以获得光刻胶上较小尺寸的分辨率。

对准：是指光刻掩膜版与光刻机之间的对准，二者均 刻有对准标记，使标记对准即可达到光刻掩膜版与光 刻机的对准。
9.3.3
针孔
•在氧化层上，除了需要刻蚀的窗口外，在其它区域也
可能产生大小一般在 1~3 微米的细小孔洞。这些孔洞，

由于光刻应用的特征尺寸非常小，且各层都须精确 匹配，所以需要配合紧密。图形套准精度是衡量被 刻印的图形能否匹配前面刻印图形的一种尺度。
18
9.2 基本光刻工艺流程

一般的光刻工艺要经历底膜处理、涂胶、前烘、曝 光、显影、坚膜、刻蚀、去胶、检验工序。
19
20
9.2.1 底膜处理

底膜处理是光刻工艺的第一步，其主要目的 是对硅衬底表面进行处理，以增强衬底与光 刻胶之间的黏附性。
6
第9章 光刻工艺
9.1 概述
9.2 基本光刻工艺流程 9.3 光刻技术中的常见问题
7
9.1 概述

光刻 (photolithography)就是将掩模版（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 。

光刻是微电子工艺中最重要的单项工艺之一。
三、图形外没有残留的被腐蚀物质。
同时要求图形套刻准确，无污染等。

但在光刻过程中，常出现浮胶、毛刺、钻蚀、针孔
和小岛等缺陷。
50
9.3.1 浮胶
浮胶就是在显影和腐蚀过程中，由于化学试剂不断
侵入光刻胶膜与SiO2或其它薄膜间的界面，所引起的
光刻胶图形胶膜皱起或剥落的现象。
51
显影时产生浮胶的原因有：
9.1.1

分辨率 R
分辨率是指一个光学系统精确区分目标的能力。 微图形加工的最小分辨率是指光刻系统所能分辨和加 工的最小线条尺寸或机器能充分打印出的区域。

分辨率是决定光刻系统最重要的指标，能分辨的线宽 越小，分辨率越高。其由瑞利定律决定：
R k1 NA
分辨率系数k1=0.6~0.8
下层材料上的目的。

SiO2、Al、poly-Si等薄膜

光刻和刻蚀是两个不同的加工工艺，，，光刻。 46
9.2.9 去胶

光刻胶除了在光刻过程中作为从光刻掩膜版到衬底 的图形转移媒介外，还可以作为刻蚀时不需刻蚀区 的保护膜。

当刻蚀完成后，光刻胶已经不再有用，需要将其去 除，就是去胶。此外刻蚀过程中残留的各种试剂也 要清除。

套准：对准的结果，或者每个连续图形与先前层匹配 的精度，称为套准。
31
对准曝光

曝光，曝光剂量等于光强与曝光时间的乘积。 曝光过度会导致图形侧墙倾斜；

入射光波长越短，可实现的特征尺寸越小，
图形分辨率越高，但能量越小；

首次曝光需要对准晶向，多次曝光之间需要
进行图形对准。
32
33
光的反射、干涉、衍射与驻波
提高分辨率： NA，，k1
11
数值孔径NA=0.16~0.8
使用光源缩小
光源 波长(nm) 术语 技术节点
光源
汞灯
汞灯 KrF(激光)
436
365 248
g线
i线 DUV
>0.5mm
0.5/0.35mm 0.25/0.13mm
ArF (激光)
F2 (激光) 等离子体
193
157 13.5

底膜处理包括以下过程： 1、清洗；2、烘干；3、增粘处理（涂底）。
21
9.2.2

涂胶
在硅片表面涂敷的光刻胶应厚度均匀、附着
性强、没有缺陷。

在涂胶之前，硅片一般需要经过脱水烘焙， 或涂敷能增加光刻胶与硅片表面附着能力的 化合物。六甲基乙硅氮烷 (HMDS)
22
涂胶工艺示意图
3000～6000 rpm，0.5~1 mm
①胶膜与基片表面粘附不牢。 ②胶的光化学反应性能不好，胶膜过厚，或者收缩膨胀 不均。 ③烘焙时间不足或过度。 ④曝光不足。 ⑤显影时间过长，使胶膜软化。
腐蚀时产生浮胶的原因：
①坚膜时胶膜没有烘透，膜不坚固。 ②腐蚀液配方不当。例如，腐蚀SiO2的氟化氢缓冲腐蚀
液中，氟化铵太少，化学活泼性太强。
③腐蚀温度太低或太高。
须适当控制温度。
41
坚膜

坚膜后还需要光学稳定。通过光学稳定，使光刻胶在 干法刻蚀过程中的抗蚀得到增强，而且还可以减少离
子注入过程中从光刻胶中逸出的气体，防止在光刻层
中形成气泡。

光学稳定是通过紫外光辐照和加热来完成的。 光学稳定可以使光刻胶产生均匀的交叉链接，提高光 刻胶的抗刻蚀能力，进而提高刻蚀工艺的选择性。

显影完成之后，需要经过漂洗，之后再旋干。
39
9.2.6 坚膜

坚膜也叫后烘，是为了去除由于显影液的浸泡引起的 胶膜软化、溶胀现象，能使胶膜附着能力增强，抗腐
蚀能力提高。

坚膜温度要高于前烘和曝光后烘烤温度，较高的坚膜
温度可使坚膜后光刻胶中的溶剂含量更少，但增加了
去胶时的困难。且光刻胶内部拉伸应力的增加会使光 刻胶的附着性下降，因此必须适当的控制坚膜温度 。
53
9.3.2 毛刺和钻蚀
产生毛刺和钻蚀的原因有：
①基片表面存在污物，油垢，小颗粒或吸附水汽， 使光刻胶与氧化层粘附不良。 ②氧化层表面存在磷硅玻璃，与光刻胶粘附不好， 耐腐蚀性能差，引起钻蚀。 ③光刻胶中存在颗粒状物质，造成局部粘附不良。 ④对于光硬化型光刻胶，曝光不足，显影时产生 溶钻，腐蚀时造成毛刺或钻蚀。 ⑤显影时间过长，图形边缘发生溶钻，腐蚀时造 成钻蚀。 ⑥掩模图形的黑区边缘有毛刺状缺陷。 54
用光刻图形来确定分立元器件和集成电路中的
各个区域、如注入区、接触窗口和压焊区等。
8

用光刻工艺确定的光刻胶图并不是最后器件的
构成部分，仅是图形的印模，为了制备出实际
器件的结构图形，还必须再一次把光刻胶图形
转移到光刻胶下面组成器件的材料层上。也就
是使用能够对非掩膜部分进行选择性去除的刻
蚀工艺来实现图形的转移。
47

去胶分为：湿法去胶和干法去胶； 湿法去胶中又有有机溶液和无机溶液去胶； 湿法去胶：用溶剂、用浓硫酸 98%H2SO4+H2O2+胶 →CO+CO2+H2O

干法去胶：氧气加热去胶 O2+胶 → CO+CO2+H2O 等离子去胶
48
9.2.10 最终检验

在基本的光刻工艺过程中，最终步骤是检验。
衬底在入射白光或紫外光下首先接受表面目检，
以检查污点和大的微粒污染。之后是显微镜检
验或自动检验来检验缺陷和图案变形。

显微镜目检、线宽控制、对准检查。
49
9.3 光刻技术中的常见问题
半导体器件和集成电路的制造对光刻质量有如下要求：

一、刻蚀的图形完整，尺寸准确，边缘整齐陡直； 二、图形内没有针孔；
玷污灰尘，通过在较高温度下进行烘焙，可
以使溶剂从光刻胶内挥发出来。

前烘方法：热平板传导；红外线辐射；干燥 循环热风。 10～30 min，80～110 C
26
27
28
9.2.4 曝光

曝光是使光刻掩模版与涂上光刻胶的衬底对 准，用光源经过光刻掩模版照射衬底，使接
受到光照的光刻胶的光学特性发生变化。

高分辨率； 高灵敏度的光刻胶； 低缺陷； 精密的套刻精度：误差≤± 10%L； 可对大尺寸硅片进行光刻加工；
5
第9章 光刻工艺
光刻（photolithography）就是将掩膜版（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的薄膜材料 （光刻胶）上去的工艺工程。
23
23
涂胶厚度主要由光刻胶粘度和转速决定
24
涂胶步骤：

将光刻胶溶液喷射到硅片表面上；