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。
50
9.3.2 毛刺和钻蚀
腐蚀时，如果腐蚀液渗透光刻胶膜的边缘，会使 图形边缘受到腐蚀，从而破坏掩蔽扩散的氧化层或
铝条的完整性。若渗透腐蚀较轻，图形边缘出现针
因为热融效应可以使光刻胶与硅片之间的接触面积
达到最大。

较高的坚膜温度可使坚膜后光刻胶中的溶剂含量更 少，但是增加了去胶的困难。而温度太高，光刻胶 的内部拉伸应力会增加，会使光刻胶的附着性下降， 所以必须适当控制温度。
39

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
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。

光刻工艺的目标是根据电路设计的要求，生 成尺寸精确的特征图形，并且在衬底表面的 位置正确且与其他不见的关联正确。
36

显影方式可以分为三个阶段：

硅片置与旋转台上旋转，并且在硅片表面 上喷洒显影液； 硅片在静止的状态下进行显影； 显影完成之后，需要经过漂洗，之后再旋 干。
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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。
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。
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显影时产生浮胶的原因有：
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。
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：

一是刻蚀的图形完整，尺寸准确，边缘整齐陡直；


二是图形内没有针孔；
三是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。
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9.3.1 浮胶
6
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。
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。
7

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，在光刻工艺中称为针孔。
针孔的存在，将使氧化层不能有效地起到掩蔽的
作用。在器件生产中，尤其在集成电路和大功率器件
生产中，针孔是影响成品率的主要因素之一。
53
9.3.3
针孔产生的原因有：
23
9.2.3

前烘
液态光刻胶中，溶剂的成份占65-85％。经 过甩胶之后，虽然液态的光刻胶已经成为固
态的薄膜，但仍含有10-30％的溶剂，容易
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

首次曝光需要对准晶向，多次曝光之间需
要进行图形对准
30
31
光的反射、干涉、衍射与驻波

可反光的表面将入射光反射，并在光刻胶 中于入射光发生干涉形成驻波现象。引起 不均匀曝光。
32
33
34
9.2.5 显影

在显影过程中，正胶的曝光区和负胶的非 曝光区的光刻胶在显影液中溶解，而正胶 的非曝光区和负胶的曝光区的光刻胶则不 会在显影液中溶解。

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 。
10～30 min，100～140 C
38

通过坚膜，光刻胶的附着力会得到提高，这是由于
除掉了光刻胶中的溶剂，同时也是热融效应的结果，
17
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。
18
19
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。

底膜处理包括以下过程： 1、清洗；2、烘干；3、增粘处理（涂底）。
24
25
26
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。

曝光中要特别注意曝光光源的选择和对准。
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简单的光学系统曝光图
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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。
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

存在物理极限，由衍射决定： L≥λ/2, Rmax ≤1/λ
12
9.1.3 焦深（DOF）
表示在一定的工艺条件下，能刻出最小线宽的像面 偏离理想焦面的范围。焦深远大，对光刻图形的 制作越有利。
DOF =k
集成电路制造技术
-原理与工艺
重庆邮电大学 微电子教研室
1
2
光刻

光刻工艺、光刻技术、刻蚀 在半导体制造技术中，最为关键的是用于电 路图形生成和复制的光刻技术，光刻技术的 研究和开发，在每一代集成电路技术的更新 中扮演着技术先导的作用。 随着集成电路的不断提高，光刻技术也面临 着越来越多的难题。
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。
40
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
8

完整的集成电路工艺中通常需要多次光刻才 能完成。 光刻系统的主要指标包括 分辨率、 焦深、 对比度、 特征线宽控制、 对准和套刻精度、 产率以及价格。
9

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。
2 ( NA)
NA，焦深
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焦平面
焦深 光刻胶
IC技术中，焦深只有1mm，甚至更小
14
14
对比度（CON）
对比度：评价成像图形质量的重要指标。对比 度越高，光刻出来的微细图形越好。
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对比度
I max I min MTF I max I min
一般要求MTF>0.5 与尺寸有关
状的局部破坏，习惯上就称为毛刺；若腐蚀严重，
图形边缘出现“锯齿状”或“绣花球”样的破坏，
就称它为钻蚀。当SiO2等掩蔽膜窗口存在毛刺和钻 蚀时，扩散后结面就很不平整，影响结特性，甚至 造成短路。同时，光刻的分辨率和器件的稳定性、 可靠性也会变坏。
51
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。 52
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。
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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。
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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
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20
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)
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涂胶工艺示意图
3000～6000 rpm，0.5~1 mm
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涂胶厚度主要由光刻胶粘度和转速决定
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