光刻技术原理

光刻技术原理第一页，共二十二页，2022年，8月28日1光刻技术总概

光刻技术是指集成电路制造中利用光学-化学反应原理和化学、物理刻蚀方法，将电路图形传递到单晶表面或介质层上，形成有效图形窗口或功能图形的工艺技术。随着半导体技术的发展，光刻技术传递图形的尺寸限度缩小了2～3个数量级（从毫米级到亚微米级），已从常规光学技术发展到应用电子束、X射线、微离子束、激光等新技术；使用波长已从4000埃扩展到0.1埃数量级范围。光刻技术成为一种精密的微细加工技术。常规光刻技术是采用波长为2000～4500埃的紫外光作为图像信息载体，以光致抗蚀剂为中间（图像记录）媒介实现图形的变换、转移和处理，最终把图像信息传递到晶片(主要指硅片)或介质层上的一种工艺（图1）。在广义上，它包括光复印和刻蚀工艺两个主要方面。①光复印工艺：经曝光系统将预制在掩模版上的器件或电路图形按所要求的位置，精确传递到预涂在晶片表面或介质层上的光致抗蚀剂薄层上。②刻蚀工艺：利用化学或物理方法，将抗蚀剂薄层未掩蔽的晶片表面或介质层除去，从而在晶片表面或介质层上获得与抗蚀剂薄层图形完全一致的图形。集成电路各功能层是立体重叠的，因而光刻工艺总是多次反复进行。例如，大规模集成电路要经过约10次光刻才能完成各层图形的全部传递在狭义上，光刻工艺仅指光复印工艺,即图1中从④到⑤或从③到⑤的工艺过程。光复印工艺的主要流程如图2。曝光方式常用的曝光方式第二页，共二十二页，2022年，8月28日分类如下：接触式曝光和非接触式曝光的区别，在于曝光时掩模与晶片间相对关系是贴紧还是分开。接触式曝光具有分辨率高、复印面积大、复印精度好、曝光设备简单、操作方便和生产效率高等特点。但容易损伤和沾污掩模版和晶片上的感光胶涂层,影响成品率和掩模版寿命,对准精度的提高也受到较多的限制。一般认为，接触式曝光只适于分立元件和中、小规模集成电路的生产。非接触式曝光主要指投影曝光。在投影曝光系统中，掩膜图形经光学系统成像在感光层上，掩模与晶片上的感光胶层不接触,不会引起损伤和沾污,成品率较高，对准精度也高，能满足高集成度器件和电路生产的要求。但投影曝光设备复杂，技术难度高，因而不适于低档产品的生产。现代应用最广的是1:1倍的全反射扫描曝光系统和x:1倍的在硅片上直接分步重复曝光系统。直接分步重复曝光系统(DSW)超大规模集成电路需要有高分辨率、高套刻精度和大直径晶片加工。直接分步重复曝光系统是为适应这些相互制约的要求而发展起来的光学曝光系统。主要技术特点是：①采用像面分割原理，以覆盖最大芯片面积的单次曝光区作为最小成像单元，从而为获得高分辨率的光学系统创造条件。②采用精密的定位控制技术和自动对准技术进行重复曝光，以组合方式实现大面积图像传递，从而满足晶片直径不断增大的实际要求。③缩短图像传递链，减少工艺上造成的缺陷和误差，可获得很高的成品率。④采用精密自动调焦技术，避免高温工艺引起的晶片变形对成像质量的影响。⑤采用原版自动选择机构（版库），不但有利于成品率的提高，而且成为能灵活生产多电路组合的常规曝光系统。这种系统属于第三页，共二十二页，2022年，8月28日精密复杂的光、机、电综合系统。它在光学系统上分为两类。一类是全折射式成像系统，多采用1/5～1/10的缩小倍率,技术较成熟；一类是1:1倍的折射-反射系统，光路简单，对使用条件要求较低。光致抗蚀剂简称光刻胶或抗蚀剂，指光照后能改变抗蚀能力的高分子化合物。光蚀剂分为两大类。①正性光致抗蚀剂：受光照部分发生降解反应而能为显影液所溶解。留下的非曝光部分的图形与掩模版一致。正性抗蚀剂具有分辨率高、对驻波效应不敏感、曝光容限大、针孔密度低和无毒性等优点，适合于高集成度器件的生产。②负性光致抗蚀剂：受光照部分产生交链反应而成为不溶物，非曝光部分被显影液溶解，获得的图形与掩模版图形互补。负性抗蚀剂的附着力强、灵敏度高、显影条件要求不严，适于低集成度的器件的生产。半导体器件和集成电路对光刻曝光技术提出了越来越高的要求，在单位面积上要求完善传递图像的信息量已接近常规光学的极限。光刻曝光的常用波长是3650～4358埃，预计实用分辨率约为1微米。几何光学的原理，允许将波长向下延伸至约2000埃的远紫外波长，此时可达到的实用分辨率约为0.5～0.7微米。微米级图形的光复印技术除要求先进的曝光系统外,对抗蚀剂的特性、成膜技术、显影技术、超净环境控制技术、刻蚀技术、硅片平整度、变形控制技术等也有极高的要求。因此，工艺过程的自动化和数学模型化是两个重要的研究方向。光刻工艺也被称为大家熟知的Photomasking,masking,photolithography,或microlithography。在晶圆的制造过程中，晶体三极管、二极管、电容、电阻和金属层的各种物理部件第四页，共二十二页，2022年，8月28日在晶圆表面或表层内构成。这些部件是每次在一个掩膜层上生成的，并且结合生成薄膜及去除特定部分，通过光刻工艺过程，最终在晶圆上保留特征图形的部分。光刻生产的目标是根据电路设计的要求，生成尺寸精确的特征图形，并且在晶圆表面的位置正确且与其它部件（parts）的关联正确。光刻是所有四个基本工艺中最关键的。光刻确定了器件的关键尺寸。光刻过程中的错误可造成图形歪曲或套准不好，最终可转化为对器件的电特性产生影响。图形的错位也会导致类似的不良结果。光刻工艺中的另一个问题是缺陷。光刻是高科技版本的照相术，只不过是在难以置信的微小尺寸下完成。在制程中的污染物会造成缺陷。事实上由于光刻在晶圆生产过程中要完成5层至20层或更多，所以污染问题将会放大。第五页，共二十二页，2022年，8月28日2光刻技术的发展

半导体技术的飞速发展一直遵循着“摩尔定律”，即每隔约18—24个月，单个芯片上晶体管数目将增加一倍。集成电路已经从60年代的每个芯片上仅几十个期间法转到现在的每个芯片可包含约上一个器件。Intel公司1993年推出的奔腾芯片共集成了310万个晶体管，2001年退出的奔腾4芯片则集成了5500万个晶体管，预计在2007年推出的芯片则将集成10亿个以上的晶体管半导体制造工艺一直以来每两至三年就跨上一个新的台阶。随着20世纪80年代末纳米技术的兴起，它的发展大大拓宽和深化了人们对客观世界的认识，并带来新一轮的技术革命。纳米电子学，纳米材料，纳米机械共同组成了纳米高技术群体，它的出现标志着高新技术进入一个崭新的发展阶段。随着芯片集成度的提高,对光刻技术提出了越来越高的技术.在80年代,普遍认为光学光刻技术所能达到的极限分辨率为0.5μm,随着一些新技术的应用和发展,包括光源,成像透镜,光致抗蚀剂,分布扫描技术以及光刻分辨率增强技术的发展,使其光刻技术已推进到目前60nm,据说,Intel公司正在进行45nm技术的光刻.大半个芯片上晶体管数目的增长是以光刻技术所能获得的特征线宽(CD)不断减少来实现的，因此，每一代集成电路的出现，总是以光刻所获得的最小线宽为主要技术标志，半导体技术之所以能飞速发展，光刻技术的支持起到了极为关键的作用，因为它直接决定单个期间的物理尺寸。最早推出的奔腾4芯片采用的是0.18μm,2003年奔腾4芯片采用0.13μm,2004年退出的一部分奔腾4芯片将采用0.09μm工艺.第六页，共二十二页，2022年，8月28日3一般的光刻工艺工序

一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀、检测等工序3.1、硅片清洗烘干3.2、涂底3.3、旋转涂胶3.4、软烘3.5、边缘光刻胶的去除

3.6、对准

3.7、曝光常用的曝光方式分类3.8、后烘3.9、显影3.10、硬烘第七页，共二十二页，2022年，8月28日3.1、硅片清洗烘干方法：湿法清洗＋去离子水冲洗＋脱水烘焙（热板150～2500C,1～2分钟，氮气保护）

目的：a、除去表面的污染物（颗粒、有机物、工艺残余、可动离子）；b、除去水蒸气，是基底表面由亲水性变为憎水性，增强表面的黏附性（对光刻胶或者是HMDS-〉六甲基二硅胺烷）。第八页，共二十二页，2022年，8月28日3.2、涂底方法：a、气相成底膜的热板涂底。HMDS蒸气淀积，200～2500C,30秒钟；优点：涂底均匀、避免颗粒污染；b、旋转涂底。缺点：颗粒污染、涂底不均匀、HMDS用量大。目的：使表面具有疏水性，增强基底表面与光刻胶的黏附性。第九页，共二十二页，2022年，8月28日3.3、旋转涂胶

方法：a、静态涂胶（Static）。硅片静止时，滴胶、加速旋转、甩胶、挥发溶剂（原光刻胶的溶剂约占65～85%,旋涂后约占10～20%）；b、动态（Dynamic）。低速旋转（500rpm_rotationperminute）、滴胶、加速旋转（3000rpm）、甩胶、挥发溶剂。

决定光刻胶涂胶厚度的关键参数：光刻胶的黏度（Viscosity），黏度越低，光刻胶的厚度越薄；旋转速度，速度越快，厚度越薄；影响光刻胶均匀性的参数：旋转加速度，加速越快越均匀；与旋转加速的时间点有关。

一般旋涂光刻胶的厚度与曝光的光源波长有关（因为不同级别的曝光波长对应不同的光刻胶种类和分辨率）：I-line最厚，约0.7～3μm；KrF的厚度约0.4～0.9μm；ArF的厚度约0.2～0.5μm第十页，共二十二页，2022年，8月28日3.4、软烘（SoftBaking）

方法：真空热板，85～1200C,30～60秒；目的：除去溶剂（4～7%）；增强黏附性；释放光刻胶膜内的应力；防止光刻胶玷污设备；第十一页，共二十二页，2022年，8月28日3.5、边缘光刻胶的去除

光刻胶涂覆后，在硅片边缘的正反两面都会有光刻胶的堆积。边缘的光刻胶一般涂布不均匀，不能得到很好的图形，而且容易发生剥离（Peeling）而影响其它部分的图形。所以需要去除。

方法：a、化学的方法（ChemicalEBR）。软烘后，用PGMEA或EGMEA去边溶剂，喷出少量在正反面边缘出，并小心控制不要到达光刻胶有效区域；b、光学方法（OpticalEBR）。即硅片边缘曝光（WEE，WaferEdgeExposure）。在完成图形的曝光后，用激光曝光硅片边缘，然后在显影或特殊溶剂中溶解；第十二页，共二十二页，2022年，8月28日3.6、对准（Alignment）

对准方法：a、预对准，通过硅片上的notch或者flat进行激光自动对准；b、通过对准标志（AlignMark），位于切割槽（ScribeLine）上。另外层间对准，即套刻精度（Overlay），保证图形与硅片上已经存在的图形之间的对准。第十三页，共二十二页，2022年，8月28日3.7、曝光常用的曝光方式分类如下：曝光中最重要的两个参数是：曝光能量（Energy）和焦距（Focus）。如果能量和焦距调整不好，就不能得到要求的分辨率和大小的图形。表现为图形的关键尺寸超出要求的范围。接触式曝光和非接触式曝光的区别，在于曝光时掩模与晶片间相对关系是贴紧还是分开。接触式曝光具有分辨率高、复印面积大、复印精度好、曝光设备简单、操作方便和生产效率高等特点。但容易损伤和沾污掩模版和晶片上的感光胶涂层,影响成品率和掩模版寿命,对准精度的提高也受到较多的限制。一般认为，接触式曝光只适于分立元件和中、小规模集成电路的生产曝光方法：

a、接触式曝光（ContactPrinting）。掩膜板直接与光刻胶层接触。曝光出来的图形与掩膜板上的图形分辨率相当，设备简单。缺点：光刻胶污染掩膜板；掩膜板的磨损，寿命很低（只能使用5～25次）；1970前使用，分辨率〉0.5μm。

b、接近式曝光（ProximityPrinting）。掩膜板与光刻胶层的略微分开，大约为10～50μm。可以避免与光刻胶直接接触而引起的掩膜板损伤。但是同时引入了衍射效应，降低了分辨率。1970后适用，但是其最大分辨率仅为2～4μm。第十四页，共二十二页，2022年，8月28日c、投影式曝光（ProjectionPrinting）。在掩膜板与光刻胶之间使用透镜聚集光实现曝光。一般掩膜板的尺寸会以需要转移图形的4倍制作。优点：提高了分辨率；掩膜板的制作更加容易；掩膜板上的缺陷影响减小。投影式曝光分类：扫描投影曝光（ScanningProjectPrinting）。70年代末～80年代初，〉1μm工艺；掩膜板1：1，全尺寸；

步进重复投影曝光（Stepping-repeatingProjectPrinting或称作Stepper）。80年代末～90年代，0.35μm（Iline）～0.25μm（DUV）。掩膜板缩小比例（4：1），曝光区域（ExposureField）22×22mm（一次曝光所能覆盖的区域）。增加了棱镜系统的制作难度。扫描步进投影曝光（Scanning-SteppingProjectPrinting）。90年代末～至今，用于≤0.18μm工艺。采用6英寸的掩膜板按照4：1的比例曝光，曝光区域（ExposureField）26×33mm。优点：增大了每次曝光的视场；提供硅片表面不平整的补偿；提高整个硅片的尺寸均匀性。但是，同时因为需要反向运动，增加了机械系统的精度要求。

在曝光过程中，需要对不同的参数和可能缺陷进行跟踪和控制，会用到检测控制芯片/控片（MonitorChip）。根据不同的检测控制对象，可以分为以下几种：a、颗粒控片（ParticleMC）：用于芯片上微小颗粒的监控，使用前其颗粒数应小于10颗；b、卡盘颗粒控片第十五页，共二十二页，2022年，8月28日（ChuckParticleMC）：测试光刻机上的卡盘平坦度的专用芯片，其平坦度要求非常高；c、焦距控片（FocusMC）：作为光刻机监控焦距监控；d、关键尺寸控片（CriticalDimensionMC）：用于光刻区关键尺寸稳定性的监控；e、光刻胶厚度控片（PhotoResistThicknessMC）：光刻胶厚度测量；f、光刻缺陷控片（PDM，PhotoDefectMonitor）：光刻胶缺陷监控。

举例：0.18μm的CMOS扫描步进光刻工艺。

光源：KrF氟化氪DUV光源（248nm）；

数值孔径NA：0.6～0.7；

焦深DOF：0.7μm；

分辨率Resolution：0.18～0.25μm（一般采用了偏轴照明OAI_Off-AxisIllumination和相移掩膜板技术PSM_PhaseShiftMask增强）；

套刻精度Overlay：65nm；

产能Throughput：30～60wafers/hour（200mm）；

视场尺寸FieldSize：25×32mm；第十六页，共二十二页，2022年，8月28日3.8、后烘

后烘（PEB，PostExposureBaking）

方法：热板，110～1300C,1分钟。目的：a、减少驻波效应；b、激发化学增强光刻胶的PAG产生的酸与光刻胶上的保护基团发生反应并移除基团使之能溶解于显影液第十七页，共二十二页，2022年，8月28日3.9、显影（Development）

方法：a、整盒硅片浸没式显影（BatchDevelopment）。缺点：显影液消耗很大；显影的均匀性差；b、连续喷雾显影（ContinuousSprayDevelopment）/自动旋转显影（Auto-rotationDevelopment）。一个或多个喷嘴喷洒显影液在硅片表面，同时硅片低速旋转（100～500rpm）。喷嘴喷雾模式和硅片旋转速度是实现硅片间溶解率和均匀性的可重复性的关键调节参数。c、水坑（旋覆浸没）式显影（PuddleDevelopment）。喷覆足够（不能太多，最小化背面湿度）的显影液到硅片表面，并形成水坑形状（显影液的流动保持较低，以减少边缘显影速率的变化）。硅片固定或慢慢旋转。一般采用多次旋覆显影液：第一次涂覆、保持10～30秒、去除；第二次涂覆、保持、去除。然后用去离子水冲洗（去除硅片两面的所有化学品）并旋转甩干。优点：显影液用量少；硅片显影均匀；最小化了温度梯度。

显影液：a、正性光刻胶的显影液。正胶的显影液位碱性水溶液。KOH和NaOH因为会带来可动离子污染（MIC，MovableIonContamination），所以在IC制造中一般不用。最普通的正胶显影液是四甲基氢氧化铵（TMAH）（标准当量浓度为0.26，温度15～250C）。在I线光刻胶曝光中会生成羧酸，TMAH显影液中的碱与酸中和使曝光的光刻胶溶解于显影液，而未曝光的光刻胶没有影响；在化学放大光刻胶（CAR，ChemicalAmplifiedResist）中包含的酚醛树脂以PHS形式存在。CAR中的PAG产生的酸会去除PHS中的保护基团（t-BOC），从而使PHS快速溶解于TMAH显影液中。整个显影过程中第十八页，共二十二页，2022年，8月28日TMAH没有同PHS发生反应。b、负性光刻胶的显影液。二甲苯。清洗液为乙酸丁脂或乙醇、三氯乙烯。

显影中的常见问题：a、显影不完全（IncompleteDevelopment）。表面还残留有光刻胶。显影液不足造成；b、显影不够（UnderDevelopment）。显影的侧壁不垂直，由显影时间不足造成；c、过度显影（OverDevelopment）。靠近表面的光刻胶被显影液过度溶解，形成台阶。显影时间太长。第十九页，共二十二页，2022年，8月28日3.10、硬烘（HardBaking）

方法：热板，100～1300C（略高于玻璃化温度Tg），1～2分钟。

目的：a、完全蒸发掉光刻胶里面的溶剂（以免在污染后续的离子注入环境，例如DNQ酚醛树脂光刻胶中的氮会引起光刻胶局部爆裂）；b、坚膜，以提高光刻胶在离子注入或刻蚀中保护下