第八章 光刻与刻蚀工艺
教师： 潘国峰 E-mail: pgf@ 河北工业大学微电子研究所
光刻－利用光刻胶的感光性和耐蚀性，在各种薄膜上复 印并刻蚀出与掩摸版完全对应的几何图形，以实现选择性掺 杂和金属膜布线的目的。
光刻是一种非常精细的表面加工技术，是集成电路工艺 中的关键技术，在器件生产过程中广泛应用。其加工精度直 接影响分辨率及器件成品率和质量，同时也是影响制造成品 率和可靠性的重要因素。
稀化光刻胶，通过旋转 形成薄膜
在曝光过程中控制和 / 或 调节光刻胶的化学反应
各种添加的化学成分实 现工艺效果，例如染色
2.光致抗蚀剂的种类及感光机理
根据光致抗蚀剂在曝光前后溶解特性的变化,可以 分为负型和正型两种。
(1)负型光致抗蚀剂
负型光致抗蚀剂就是在曝光前,对某些溶剂是可溶 的,曝光后硬化成不可溶解的物质。由它与增感剂、 交链剂、稳定剂和溶剂等组成的胶称为负性抗蚀胶 或负胶。
目录
8.1 抗蚀剂和掩膜材料 8.2 掩膜版制造 8.3 光刻 8.4 刻蚀 8.5 VLSI对图形转移的要求 8.6 微细图形分析与控制
8.1 抗蚀剂和掩膜材料
8.1.1 光致抗蚀剂
1.光致抗蚀剂的性质 光致抗蚀剂是一种由碳、氢、氧等元素组成的有机高分
子化合物。 主要成分：聚合物（树脂），感光材料，溶剂和添加剂。
负型光致抗蚀剂依曝光时抗蚀剂结构变化的方式， 有两种典型类型。一种是利用抗蚀剂分子本身的感 光性官能团,如双键等进行交链反应形成三维的网状 结构。另一种是利用交链剂(又称架桥剂)进行交联形 成三维的网状结构。
利用交链剂(又称架桥剂)进行交联形成三维的网状结构。它与前者相 比,不同之处在于树脂本身不发生交链反应,必须加入带有双感光性官能团 的交链剂。交链剂双叠氮化合物(N3-R-N3）(R为烃基）遇光照射时按下 式中①发生分解反应,放出氮气,变成氮游离基,然后再与树脂上的双键发 生反应,而成为网状结构的不溶性物质,其变化过程如下式中②所示:
双叠氮系负型光致抗蚀剂反应过程
(2) 正型光致抗蚀剂
曝光前对某些溶剂是不可溶的,曝光后变为可溶的一类物质。由它 与碱性可溶的线型盼醒树脂及溶剂等组成的胶称为正性抗蚀胶或正胶。 国产的701正型光致抗蚀剂曝光时，胶中六元环的邻-叠氮荼酿基团分解 产生五元坏的烯酮,并在有水存在的情况下,进一步形成五元环的羧酸,其 反应过程如式(4.3)中的①和②所示:
通常的光学曝光用310－450nm的紫外光，为提高图形分 辨率，现正研究用波长为200-300nm的远紫外光作为曝光光 源。
抗蚀剂名称
厚度（微米） 分辨率（微米）
PMMA
2.0 1.5
PMMA
1.8 0.5
AZ2400 1.5
Hunt WX159
1.5
1.0-1.5
超细线条光刻技术
甚远紫外线(EUV) 电子束光刻 X射线 离子束光刻 准分子激光DUV（KrF-248nm，适用0.33-
，记为L）,线宽越小,分辨率就越高。理论最高分辨率: 粒子束可得的最细线条：L h
2 2mE
Rm a x
1
(mm1)
E-粒子束的能量，m-粒子的质量 光刻胶的主要参数：对比度、热膨胀、光敏度、抗刻蚀能力和热稳 定性、附着力、溶解度和黏滞度、微粒数量和金属含量以及存储寿命。
8.1.3 远紫外光抗蚀剂
0.18μm ；ArF-193nm，适用<0.2μm 特征尺寸）
由德布罗意定律可知微观粒子的波长λ与其动量P成反比，
λ=h/P
式中h为普朗克常数。此式表明，动量越大的粒子或能量越高的光子， 其波长越短。
可用作曝光的射线有电子束、离子束及X射线束。电子束很容易产生， 且易聚焦和偏转。能量为10keV、波长约为0.0lnm的电子束，已可以用 来实现光刻工艺中的曝光，其分辨率仅受限于聚焦束斑的大小及其与光 刻胶间的相互作用。通过电子束直接曝光已能获得线宽小于0.1μm的图 形，而且电子束可以直接曝光无需掩模版，特别适合于有极小尺寸晶体 管的高集成度电路的光刻，缺点就是整个晶圆片的曝光时间太长，生产 效率较低－掩膜版制备常用。
光刻技术在半导体中的应用始于1958年，在1959年至今 的近50年间，集成电路的图形尺寸缩小了4个数量级。目前已
开始使用90-50－22nm加工技术，特征尺寸每三年缩小2
倍，集成电路的集成度每三年增长四倍，集成电路的集成度 也提高了6个数量级以上。在芯片上集成千万数量级的器件， 集成电路的性能也呈指数关系在增长，这主要归功于光刻技 术的进步。
光刻过程如图所示。
有薄膜的晶圆
光刻制程
正胶工艺 - 开孔 或
负胶工艺 - 留岛
ULSI对光刻的基本要求
（1）高分辨率。一般以线宽作为光刻水平，制造工艺水平的 标志。 （2）高灵敏度的光刻胶。灵敏度指光刻胶的感光速度（与成 分、光刻工艺条件有关，提高灵敏度往往其它属性变差）。 （3）低缺陷。 （4）精确的套刻对准。一般器件允许的套刻误差为线宽的10 ％左右。 （5）大尺寸硅片的加工。ULSI的芯片面积一般1－2cm2，大 直径单晶的光刻难度很大，热膨胀引起的形变是难题之一。
701正型光致抗蚀剂反应过程 曝光后，在有机或无机碱性水溶液中反应生成可溶性盐(如③所示)。 易受空气中碳酸气的影响而变质，温度对显影速度的影响也比负型抗蚀 剂大。
负胶特点：针孔少，耐酸腐蚀性和附着性好，感光度高且 稳定等特点，故分立器件和LSI中应用广泛。 正胶特点：分辨能力强（g线－436nm，i线－365nm常 用），线条边缘好，目前成为VLSI、ULSI中的主流。
光刻技术就是利用光致抗蚀 成分 剂在一定的外界条件（如曝光等） 聚合物 作用下,由可溶性转变为不可溶 性（负性抗蚀剂）,或由不可溶 溶剂 性转变为可溶性（正性抗蚀剂）。
感光剂
将掩模版上的图形复印到基片上, 形成抗蚀膜的微细图形,以待进 添加剂 一步加工。
功能
当被对准机光源曝光时， 聚合物结构由可溶变成 聚合（或反之）
8.1.2 光刻胶的基本属性
分辨率R是光刻工艺可以达到的最小光刻图形尺寸。在分辨率的描
述中通常用线宽与线条间距相等的情况标志水平，在这种情况下的定义
为
R 1 (mm1) （8.1）
即分辨率是指每2mL m内包含有多少个清晰可分辨的线对数（可清晰
分辩的线条和间隔）。其主要限制因素是光的衍射。
Hale Waihona Puke 分辨率是指使用此种抗蚀剂时可以加工的最小尺寸（最小图形线宽