显影 / 烘焙 检验 刻蚀
显影 / 烘焙 检验
重新烘焙 刻蚀
第九章 基本光刻工艺------ 从曝光到最终检验
显影检验
任何一次工艺过
后都要进行检验，经 检 验 合 格 的 晶 园 流 入 去水合物
下 一 道 工 艺 ， 对 显 影 点胶 检验不合格的晶园可 以 返 工 重 新 曝 光 、 显 烘焙
基于这些原因，干法刻蚀主要用于先进电路 的小尺寸精细刻蚀中。
干法刻蚀是指以气体为主要媒体的刻蚀技术， 晶园不需要液体化学品或冲洗，刻蚀过程在干燥 的状态进出系统。刻蚀方法见下图。
第九章 基本光刻工艺------ 从曝光到最终检验
刻蚀
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湿法
干法
沉浸
喷射
等离 子体
离子
反 应离子
轰击 刻 蚀（ R.I .E ）
+0.10
显影剂浓度： 50%
+0.10 68
72
76
曝光后烘焙：无 80
F
图9.4 显影剂温度和曝光关系与线宽变化的比较
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显影方式
显影方式分为：湿法显影 干法（等离子）显影
湿法显影 沉浸 喷射 混凝
沉浸显影
最原始的方法。就是将待显影的晶园放入盛 有显影液的容器中，经过一定的时间再放入加有 化学冲洗液的池中进行冲洗。比较简单，但存在 的问题较多，比如：液体表面张力会阻止显影液 进入微小开孔区；溶解的光刻胶粘在晶园表面影 响显影质量；随着显影次数增加显影液的稀释和 污染；显影温度对显影率的影响等。
刻蚀工艺分为两大类：湿法和干法刻蚀。
无论那一种方法，其目的都是将光刻掩膜版上的 图形精确地转移到晶园表面。同时要求一致性、 边缘轮廓控制、选择性、洁净度都符合要求。
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光刻胶
光刻胶 被刻蚀材料
被保护层
(a) 有光刻胶图形的衬底
(b) 刻蚀后的衬底
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胶
膜 衬底
湿法各向同性化学腐蚀层
（各向同性刻蚀是在各个方向上以同样的速度进行刻蚀）
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Resist Film Substrate
具有垂直刻蚀剖面的各向异性刻蚀 （各向异性刻蚀是仅在一个方向刻蚀）
应该是形成垂直的侧边（如图所示 ），产生这种
理想结果的刻蚀技术叫做各向异性刻蚀。然而，
刻蚀总是在各个方向同时进行的，这样就避免不
第九章 基本光刻工艺------ 从曝光到最终检验 －21－
了在侧面形成一个斜面， 这种现象称为底切 （如图所示）。刻蚀 的目标是把这种底切 控制在一个可以接受 的范围内。由于这种 底切的存在，在电路 设计时必须考虑（即 各器件之间留有余量 以防止电路短路）。 彻底解决底切的方法 是采用等离子体刻蚀。

第九章 基本光刻工艺------ 从曝光到最终检验
俯视
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表层
光刻胶
曝光后
晶圆 显影后 (a)
显影剂
正光刻胶 氢氧化钠
冲洗
水
正确显影
显影不足
不完全显影
严重过显影 (b)
负光刻胶
二甲苯 Stoddard 溶剂
n- 醋酸丁酯
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负光刻胶显影
第九章 基本光刻工艺------ 从曝光到最终检验 －1 5－
自动检验
随着晶园尺寸增大和元件尺寸的减小，制造 工艺变得更加繁多和精细，人工检验的效力也到 了极限。可探测表面和图形失真的自动检验系统 成了在线和非在线检验的选择。详细内容在第14 章中介绍。
9.4 刻蚀
在完成显影检验后，掩膜版的图形就被固定 在光刻胶膜上并准备刻蚀。经过刻蚀图形就永久 留在晶园的表层。
烘焙温度太低，脱水和聚合不彻底，温度太 高光刻胶容易变软甚至流动（如图9.9所示），所 以温度的控制极为严格。
硬烘焙是在显影后立即进行，或者在刻蚀前 进行，工艺流程如图9.10 所示。
第九章 基本光刻工艺------ 从曝光到最终检验 －11－
图9.9 光刻胶在高温下的流动
硬烘焙工艺流程
显影 检验 硬烘焙 刻蚀
真空
来说 因为温度的敏感
性，当液体在压力下从喷嘴喷出后很快冷却，要
保证温度必须加热晶园吸盘。从而增加了设备的 复查性和工艺难度。
第九章 基本光刻工艺------ 从曝光到最终检验 －2－
混凝显影 虽然喷射显影有很多有点，但对正性光刻胶
显影还存在一些问题，混凝显影就是针对所存在 地问题而改进的一种针对正性胶的光刻工艺，差 别在于显影化学品的不同。
第九章 基本光刻工艺------ 从曝光到最终检验 －23－
不同材料的刻蚀其工艺略有不同，不同材料的不 同刻蚀工艺见9.54～9.510节。
9.6 干法刻蚀 对于小尺寸湿法刻蚀的局限性前面已经提到，
主要包括：局限于3µm以上的图形尺寸；各向同 性刻蚀导致边侧形成斜坡；要求冲洗和干燥步骤； 潜在地污染；光刻胶粘结力失效导致底切。
线宽变化（ mm ）
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+1.50
+1.40 +1.30 +1.10 +0.90
20 s 曝光 16 s 曝光 12 s 曝光
+0.90 +0.70
8 s 曝光 光刻胶厚度： 1 mm 持续曝光时间： 50 s
+0.50
（基于 8 F 8 s 曝光）
如图所示，首先在静止的晶园表面上覆盖一层显 影液，停留一段时间（吸盘加热过程），在此过 程中，大部分显影会发生，然后旋转并有更多的 显影液喷到晶园表面并冲洗、干燥。
第九章 基本光刻工艺------ 从曝光到最终检验 －9－
干法显影
液体工艺的自动化程度不高，并且化学品的 采购、存储、控制和处理费用昂贵，取代液体化 学显影的途径是使用等离子体刻蚀工艺，该工艺 现已非常成熟。在此工艺中，离子从等离子体场 得到能量，以化学形式分解暴露的晶园表面层。 干法光刻显影要求光刻胶化学物的曝光或未曝光 的之一易于被氧等离子体去除。具体内容在第十 章中介绍。
正常 过刻蚀 过刻蚀和光刻胶翘起
第九章 基本光刻工艺------ 从曝光到最终检验 －22－
产生底切的原因
除了各向同性刻蚀以外，产生底切的原因有： 时间过长、温度过高、刻蚀液浓度太高、光刻胶 和晶园表面的粘结力较弱、开孔边缘粘结力失效 等。
选择性
理想的刻蚀特性是：既要把该刻蚀的彻底、 干净地刻蚀掉，又要把不该刻蚀的原样保留。这 就是刻蚀的选择性。尽管不能完全做到，但在刻 蚀液的选择上尽量保证。同一种刻蚀液对不同的 材料刻蚀速度是不同的，通常用刻蚀速率来描写。 比如：SiO2/Si的选择性从20～40。高选择性意味 着下表层很少或没有被刻蚀。
通常要求不高的正光刻胶显影使用减－水溶 液和非离子溶液，对制造敏感电路使用叠氮化四 甲基铵氢氧化物的溶液。
正性光刻胶的显影工艺比负性光刻胶更为敏 感，影响的因素有：软烘焙时间和温度、曝光度、 显影液浓度、时间、温度以及显影方法。显影工 艺参数由所有变量的测试来决定。
图9.4显示了一个特定的工艺参数对线宽的影响。
第九章 基本光刻工艺------ 从曝光到最终检验 －19－
湿法刻蚀
最原始的刻蚀工艺，就是将晶园沉浸于装有 刻蚀液的槽中经过一定的时间，再传送到冲洗设 备中除去残余的酸（刻蚀液）在进行最终的冲洗 和甩干。此工艺只能用于特征尺寸大于3µm的产 品，小于3µm的产品由于控制和精度的需要一般 使用干法刻蚀了。
不被显影，使显影后的图 形得以完整。
聚合的光刻胶 部分聚合的光刻胶 未聚合的光刻胶
第九章 基本光刻工艺------ 从曝光到最终检验
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正光刻胶显影
对于正性光刻胶，聚合与未聚合区域的溶解 率约为1:4。这意味着在显影中总会从聚合的区域 失去一些光刻胶。使用过渡的显影液或显影时间 过长都会导致光刻胶太薄而不能使用。
伤），以及污点和其他的表面不规则等。 检验方法 人工检验 自动检验 人工检验
下图是一个典型的人工检验次序和内容
步骤 1.
检查内容 污点 / 大的污染
方法 裸眼 规则性
定位不准
100~400 倍显微镜 SEM/AFM/ 自动 检验设备
3.
微观尺寸
显微镜 /SEM/AFM
桶形
平面
干法刻蚀与湿法刻蚀相比的优点： 刻蚀剖面是各向异性，具有非常好的恻壁剖面控制； 好的CD控制； 最小的光刻胶脱落或黏附问题； 好的片内、片间、批次间的刻蚀均匀性； 较低的化学制品使用和处理费用。
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等离子体 等离子体是一种中性、高能量、离子化的气
刻蚀的一致性和工艺控制由附加的加热和搅 动设备来提高，常用的是带有超声波的刻蚀槽。
刻蚀液的选择要求具有良好的选择性，即在 刻蚀时要有均匀去掉晶园表层而又不伤及下一层 的材料。
刻蚀时间是一个重要的工艺参数，最短时间 是保证彻底、干净的均匀刻蚀；而最长时间受限 于光刻胶在晶园表面的粘结时间。
第九章 基本光刻工艺------ 从曝光到最终检验 －20－
影。工艺流程如图所 示。
定位和曝光
显影检验的内容
显影和烘焙
图 形 尺 寸 上 的 偏 显影检验 差，定位不准的图形，
表面问题（光刻胶的
污染、空洞或划
合格晶圆
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光刻胶去除 拒收 的晶 圆
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