第八章 光刻 光刻：图形由光刻版转移到光刻胶上！ 光刻次数和光刻版个数表征了工艺的难易 决定了特征尺寸 起源于印刷技术中的照相制版。

光刻的目的 光刻工艺首先是 在晶园表面建立尽可 能接近设计规则中所 要求尺寸的图形，其 次是在晶园表面正确 定位图形。

层之间所要求的正确对准。如 果每一次的定位不准，将会导 致整个电路失效。除了对特征 图形尺寸和图形对准的控制， 在工艺过程中的缺陷水平的控 因为最终的图形是用多个掩膜版按照特定的顺序在晶园表面一层一层叠加建立起来的。图形定位的要求就好像是一幢建筑物每一 层之间所要求的正确对准。如 果每一次的定位不准，将会导 致整个电路失效。除了对特征 图形尺寸和图形对准的控制， 在工艺过程中的缺陷水平的控 制也同样是非常重要的。光刻 操作步骤的数目之多和光刻工 艺层的数量之大，所以光刻工 艺是一个主要的缺陷来源。

VLSI对光刻的要求 高分辨率：集成度越高，特征尺寸越小，要求光学系统分辨率越高； 高灵敏度：曝光时间越短越好； 套刻精度：套刻误差应小于特征尺寸的10%； 大尺寸硅片加工：膨胀系数； 低缺陷

光刻工艺流程 去水烘烤（Dehydration）>涂胶（Priming）>软烤（Soft Bake）>曝光（Exposure） > 烘烤（Bake）>显影（Develop） >硬烤（Hard Bake） > 腐蚀（Etch）>去胶（Photoresist strip） 正光刻胶：光致不抗蚀 负光刻胶：光致抗蚀

Transfer of a pattern to a photosensitive material

a) Pattern definition in positive resist, b) Pattern definition in negative resist

a) Pattern transfer from patterned photoresist to underlying layer by etching, b) Pattern transfer from patterned photoresist to overlying layer by lift-off.

如果掩膜版的图形是由不透光的区域决定的，称其为亮场掩膜版；而在一个暗场掩膜版中，掩膜版上的图形是用相反的方式编码的，如果按照同样的步骤，就会在晶园表面留下凸起的图形。 暗场掩膜版主要用来制作反刻金属互联线。

性的掩膜版和不同极 性的光刻胶相结合而 产生的结果。通常是 根据尺寸控制的要求 和缺陷保护的要求来 选择光刻胶和掩膜版 极性的。 刚才介绍了对光有负效应的光刻胶，称为负性胶。同样还有对光有正效应的光刻胶，称为正胶。用正性胶和亮场掩膜版在晶园表面建立凸起图形的情况如图8.7所示。 右图显示了用不同极 性的掩膜版和不同极 性的光刻胶相结合而 产生的结果。通常是 根据尺寸控制的要求 和缺陷保护的要求来 选择光刻胶和掩膜版 极性的。

光刻胶的组成 光刻胶由4种 成分组成： 聚合物 溶剂 感光剂 添加剂

在光刻胶中聚合物是相对不可溶的，用适当能量的光照后变成可溶状态。这种反应称为光溶解反应。 正性胶的基本聚合物是苯酚－甲醛聚合物，也称为苯酚－甲醛树脂。如图所示。 在光刻胶中聚合物是相对不可溶的，用适当能量的光照后变成可溶状态。这种反应称为光溶解反应。

正胶和负胶的比较 在工艺发展的早期，负胶一直在光刻工艺中占主导地位，随着VLSI IC和2～5微米图形尺寸的出现，负胶已不能满足要求。随后出现了正胶，但正胶的缺点是粘结能力差。 用正胶需要改变掩膜版的极性，这并不是简单的图形翻转。因为用掩膜版和两种不同光刻胶结合，在晶园表面光刻得到的尺寸是不一样的（见下图）由于光在图形周围的衍射效应，使得用负胶和亮场掩膜版组合在光刻胶层上得到的图形尺寸要比掩膜版上的图形尺寸小。用正胶和暗场掩膜版组合会使光刻胶层上的图形尺寸变大。

（a）亮场掩膜版和负胶组合 图形尺寸变小 （b）暗场掩膜版和正胶组合 图形尺寸变大

正胶成本比负胶高，但良品率高； 负胶所用的显影剂容易得到，显影过程中图形尺寸相对稳定。 对于要求高的制作工艺选择正胶，而对于那些图形尺寸大于2微米的工艺还是选择负胶。图

涂胶

光刻胶膜的最终厚度是由光刻胶的粘度、旋转速度、表面张力和国光刻胶的干燥性来决定的。 静态旋转工艺 光刻胶膜的最终厚度是由光刻胶的粘度、旋转速度、表面张力和国光刻胶的干燥性来决定的。

阶梯覆盖度 随着晶园表面上膜层的不断增加，表面不再是完全平坦化的， 如图所示。 所以要求光刻 胶必须具有良 好的阶梯覆盖 特性。

光刻胶覆盖

软烘焙 因为光刻胶是一种粘稠体，所以涂胶结束后并不能直接进行曝光，必须经过烘焙，使光刻胶中的溶剂蒸发。烘焙后的光刻胶仍然保持“软”状态。但和晶园的粘结更加牢固。 时间和温度是软烘焙的参数，不完全的烘焙在曝光过程中造成图像形成不完整和在刻蚀过程中造成多余的光刻胶漂移；过分烘焙会造成光刻胶中的聚合物产生聚合反应，并且不与曝光射线反应。 负胶必须在氮气中进行烘焙，而正胶可以在空气中烘焙。

下表总结了不同的烘焙方式。

曝光光源 普通光源光的波长范围大，图形边缘衍射现象严重，满足不了特征尺寸的要求。所以作为晶园生产用的曝光光源必须是某一单一波长的光源；另外光源还必须通过反射镜和透镜，使光源发出的光转化成一束平行光，这样才能保证特征尺寸的要求。 最广泛使用的曝光光源是高压汞灯，它所产生的光为紫外光（UV），为获得更高的清晰度，光刻胶被设计成只与汞灯光谱中很窄一段波长的光（称为深紫外区或DUV）反应。 除自之外，现今用的光源还有：准分子激光器、X射线和电子束。

接触式曝光

投影式曝光

X射线曝光

对准法则 第一次光刻只是把掩膜版上的Y轴与晶园上的平边成90º，如图所示。 接下来的掩膜版都用对准 标记与上一层带有图形的 掩膜对准。对准标记是一 个特殊的图形（见图）， 分布在每个芯片图形的边 缘。经过光刻工艺对准标 记就永远留在芯片表面，同时作为下一次对准使用。

对准标记

未对准种类：(a) X方向 (b) 转动 (c) 伸出

对准系统比较 光刻机的分类 接触式 接近式 扫描投影 步进式 分步扫描 X射线 电子束 混合和匹配

OPC