光刻胶厚度
t=k p2

k约等于100
p是光刻胶中固体含量百分比（p越大粘度越大）
ω是涂胶的旋转转速

光刻胶越厚，台阶覆盖和抗刻蚀性能越好，但分辨 率越差，一般厚度1微米左右。

光刻胶旋转速度曲线
3. 软烘（Soft Bake）

工艺目的：去除光刻胶中的溶剂
改善胶的粘附性
优化胶的光吸收特性和显影能力


掩膜版（Reticle或Mask）
掩膜版的材质有玻璃和石英之分，亚微米及以下 技术都用石英版，石英版的透光性好、热膨胀系 数低。版上不透光的图形是金属铬膜。


掩膜版的制造
用设计软件例如Cadence生成版图文件（ .gds）。
制版机根据版图文件用激光或者电子束将图形写 到掩膜版上，小尺寸图形需要用电子束，花费也 相对更高。
的粘附性和抗蚀性。

这一步是稳固光刻胶，对下一步的刻蚀或离子注
入过程非常重要。

工艺方法：热板，温度高于前两次烘焙

8. 显影检查
8. 显影检查
由于光刻胶和 衬底折射率不 匹配，抗反射 膜（ARC）类 型不匹配
由于光刻胶 和衬底酸碱 不平衡
由于光刻胶 顶部受到过 多的显影
8. 显影检查
由于光刻胶 受到空气中 氨分子（碱 性）对其光 酸分子在表 面的中和
4. 对准和曝光（Align and Exposure）

对准曝光系统分为两大类：接触式对准曝光系统 和投影式对准曝光系统。 接触式对准曝光系统简单、相对便宜，硅片上图 形与掩膜版完全相同
接触式曝光 易损坏掩膜版
接近式曝光 掩膜版寿命长、分辨率差

投影式曝光是集成电路主流工艺
可实现4倍到10倍的图形缩小，分辨率高
成分的显影液


涂胶工艺
工艺目的：在硅片上沉积一层均匀的光刻胶薄膜。
工艺方法：
1. 滴胶
2. 匀胶 ：转速500rpm～700rpm
3. 旋转：转速 3000rpm-5000rpm

工艺要求：
厚度：1.0μm左右 均匀性：3％以内

自动涂胶/显影系统－涂胶模块

涂胶模块剖面图

涂胶模块 示意图

套准精度
套准精度与曝光前的对准步骤相关
好的套准精度可以有更宽松的版图设计规则，从 而减小器件尺寸

光刻质量监控图形

光刻质量监控图形

光刻质量监控图形

光刻质量监控图形

光刻质量监控图形

最大曝光场（步进光刻机）
一般来说，曝光视场决定了最大芯片面积。
投影缩小越大，制版要求越低，曝光视场越小。
制版时需说明为亮版还是暗版。

版图文件
亮版
暗版
5.2 光刻工艺原理

光刻工艺的8个基本步骤 2. 旋转涂胶
1. 气相成底膜
3. 软烘
5. 曝光后烘培（PEB）
4. 对准和曝光
6. 显影
7. 坚膜烘培
8. 显影检查

光刻工艺的8个基本步骤
1. 气相成底膜（HMDS priming)

工艺目的： 增加光刻胶（共价键）与硅片表面层的粘附性，在 表面为二氧化硅等（离子键、亲水）时尤其重要。
缓解涂胶时产生的应力
防止曝光时挥发污染设备。

溶剂含量
65%~85% 10%~20% 4%~7%
涂胶前
涂胶后
软烘后

工艺方法：热板烘烤 温度：85oC到120oC
时间：30秒到60秒
特点：光刻胶底部溶剂先挥发，避免气泡
每次一片，适合自动轨道流水作业

自动涂胶/显影系统设备－热板

软烘不当的后果 温度过高或时间过长： 光刻胶光敏感度降低 温度过低或时间不够： 光刻胶显影选择比下降
特点：碱性、水性显影液、轻度腐蚀硅
1. TMAH 喷淋显影，转速1000rpm～1500rpm
2. 去离子水喷淋定影，转速 1000rpm～1500rpm
3. 原位旋转甩干

工艺要求： 均匀性：3％以内

显影及显影后的硅片图形
7. 坚膜烘培（Hard Bake）

工艺目的：
使存留在光刻胶中的溶剂彻底挥发，提高光刻胶

工艺步骤： 1、硅片清洗：污染物会导致光刻胶起层和针孔 2、脱水烘焙：光刻胶与水分子的粘附性差 3、HMDS成底膜：防止硅片吸潮、增强光刻胶粘附

气相HMDS成底模技术
最常用的HMDS成底模技术 原理：HMDS是液态具有很高的蒸汽压，使HMDS 气流通过加热的硅片表面即可形成底膜。 优点：HMDS消耗量小 工艺时间短 沾污风险小
NIKON光刻机
5. 曝光后烘培（PEB）

工艺目的：促进关键化学反应（DUV光刻胶）
去除溶剂增强粘附性（I线光刻胶）
防止产生驻波效应（I线光刻胶）

工艺方法：热板，温度高于软烘
6. 显影 （Develop）
工艺目的： 溶解硅片上 曝光区域 的胶膜，形 成精密的光 刻胶图形。


工艺方法：
正胶显影液： 2.38% 的四甲基氢氧化铵（TMAH）

焦深限制光刻胶厚度，并要求表面平坦化

焦深

从焦深公式中看出提高分辨率降低了焦深，两个 参数互相制约。 分辨率和焦深是现代分步重复光刻机或步进扫描 光刻机非常重要的参数


套准精度
套准精度是掩膜版上的图形与硅片上的图形的对 准程度。

根据光刻的要求，版上的图形与片上图形要精确
对准。套准精度也是光刻中一个重要的性能指标。 套准精度一般是特征尺寸的1/5 ~ 1/4
由于光刻胶 对光的吸收， 使得光刻胶 底部接收到 的光比顶部 少
由于光刻胶 同衬底的粘 附性不好， 或者HMDS 表面处理不 良，或底部 切入
5.3 光学光刻

光谱
光的能量能满足激活光刻胶，成功实现图形转移 的要求。光刻典型的曝光光源是紫外（UV ultraviolet）光源以及深紫外（DUV）光源、极 紫外（EUV）光源。
入射光线
θ1
折射率n1
折射率n2
θ2
折射光线
Snell定律：n1 sinθ1 = n2 sinθ2

光的衍射
当光穿过一个小孔或经过一个轮廓分明的边缘时，
沿小孔边缘产生了干涉图形，结果得到了一个模糊
的图像，这种现象称为衍射。
波长越大 小孔尺寸越小 衍射越明显

光的衍射
衍射光强度随衍射角的变化由小孔图形的傅里叶变

投影式对准曝光系统组成
1. 紫外光源 2. 光学系统
3. 投影掩膜版
4. 对准系统 5. 载片台

投影式对准曝 光系统示意图


对准和曝光
工艺目的： 对准和曝光是将掩膜板上的图形通过镜头由紫外线
传递到硅片表面光刻胶膜上, 形成光敏感物质在空
间的精确分布，最终达到图形精确转移的目的。

工艺方法：
4. 添加剂（控制光刻胶特殊方面的化学物质，备选）

正胶和负胶 正胶：曝光的部分易溶解，占主导地位 负胶：曝光的部分不易溶解 负胶的粘附性和抗刻蚀性能好，但分辨率低
正胶 光刻胶 负胶

光刻胶的种类： 根据光刻的要求，光刻胶制成与特定波长的紫外 线有显著的光化学响应，一般按照紫外线把胶分 类：i线光刻胶、g线光刻胶、DUV线光刻胶等。

提高分辨率的方法
减小工艺因子k：先进曝光技术 减小光源的波长：汞灯准分子激光（等离子体） 增大介质折射率：浸入式曝光
增大θm：增大透镜半径、减小焦距

图中分辨率为0.25μm


焦深（DOF）
焦深是焦点上下的一个范围，在这个范围内图像 连续保持清晰。焦深类似照相的景深，集成电路 光刻中的景深很小，一般在1.0μm左右。


气相成底模工艺方法：
硅片放在成底膜真空腔中的热板上，热板温度控 制在200 ℃ ～250℃，用N2携带六甲基二硅胺烷 （HMDS）进入真空腔，处理时间60秒。这样在 硅片上形成了底膜。

自动涂胶/显影系统－气相成底膜模块
2. 旋转涂胶（Spin Coating）

光刻胶是一种有机化合物，它受紫外线曝光后在显 影液中的溶解度发生显著变化。

传统的正性I线光刻胶溶解于显影液的机理
1. 树脂是悬浮于溶剂中的酚醛甲醛聚合物（ 线性酚
醛树脂）
2. 感光剂化合物作为强的溶解抑制剂（不溶解于显
影液）被加到线性酚醛树脂中
3. 在曝光过程中，感光剂（通常为DNQ）发生光化 学分解产生羧酸 4. 羧酸提高光刻胶曝光区域的线性酚醛树脂的溶解 度

化学放大（CA）深紫外光刻胶 常规的I线光刻胶体系的光吸收敏感性对于更短的 DUV波长较差。
RA与步进光刻机上的基准标记对准
2. 整场对准标记(GA):第一次曝光时被光刻在硅片左 右两边，用于每个硅片的粗对准 3. 精对准标记(FA)：每个场曝光时被光刻的，用于 每个硅片曝光场和投影掩膜版的对准

对准标记

8张掩膜版及经过8次对准和曝光形成的CMOS器件结构

分步重复式光刻机
NSR2005 i9c 型

光刻胶的目的
1. 做硅片上的图形模版（从掩膜版转移到硅片上的图 形） 2. 在后续工艺中，保护下面的材料（例如刻蚀或离子 注入）

光刻对光刻胶的要求：
1. 分辨率高（区分硅片上两个相邻特征尺寸图形的 能力强） 2. 对比度好（指曝光区和非曝光区过渡的陡度）