第八章 光刻 8.1 简介 定义：光刻工艺是一种用来去掉晶圆表面层上所 规定的特定区域的基本操作。

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1 第八章 光刻 8.1 简介 定义：光刻工艺是一种用来去掉晶圆表面层上所 规定的特定区域的基本操作。
本质是把电路结构复制到以后要进行刻蚀和离子注入的硅片上。这些结构以图形形式制作在掩膜版上，紫外光透过掩膜版把图形转移到硅片表面的光敏薄膜上然后用一种刻蚀的工艺把薄膜图形成像在下面的硅片上。

2 转移到硅片表面的光刻图形的形状完全取决于硅片层面的结构。图形可能是硅片上的半导体器件，隔离槽，接触孔，金属互连以及互连金属层的通孔。
光刻掩膜版衬底材料是石英，这种材料始终用在紫外光刻中。用做掩膜版的石英是最贵的材料并且有非常低的温度膨胀。低膨胀意味着掩膜版在温度改变时尺寸是相对稳定的。淀积在掩膜版上的不透明的材料是一薄层铬，厚度一般小于1000埃并且是溅射淀积的。

3 目标：1.在晶圆表面建立尽可能接近设计规则中所要求的尺寸的图形。这个目标称为晶圆的分辨率，也就是区分Si片上两个邻近图形的能力。
高的分辨率需要将曝光波长减小到与CD 几乎一样大小。 2.在晶圆表面正确定位图形。

4 8.2 光刻工艺 光刻包括两种基本的工艺类型：负性光刻和正性光刻 8.2.1 负性光刻 负性光刻的基本特征是当曝光后，光刻胶被曝光的部分由可溶性物质变为非溶性物质。 8.2.2 正性光刻 在正性光刻工艺中，复制到硅片表面的图形与掩膜版上的一样。光刻胶被曝光的部分从不可溶到可溶。

5 正性光刻

6 负性光刻

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8 6.3 光刻10步法 1.表面准备 清洁和干燥晶圆表面

9 2.涂光刻胶 在晶圆表面均匀涂抹一薄层光刻 胶

10 3.软烘焙 加热，部分蒸发光刻胶

11 4.对准和曝光 掩膜版和图形在晶圆上的精 确对准和光刻胶的曝光。

12 5.显影 非聚合光刻胶的去除

13 6.硬烘焙 对溶剂的继续蒸发

14 7.显影目检 检查表面的对准情况和缺陷

15 8.刻蚀 将晶圆顶层透过光刻胶的开口去除

16 9.光刻胶去除 将晶圆上的光刻胶层去除 10.最终目检 表面的检查以发现刻蚀的 不规则和其他问题

17 8.4 光刻胶 8.4.1光刻胶的组成 四种基本的成分：聚合物、溶剂、感光剂和添加剂。

18 聚合物：对光和能量敏感，由大而重的分子组成，包括碳、氢、氧。
普通的光刻胶被设计成与紫外线和激光反应，也有与X射线和电子束反应的。 在负胶里，聚合物是聚异戊二烯。曝光后，由非聚合状态变为聚合状态，抗刻蚀。为防止曝光，负胶生产在黄光下进行。 正胶的基本聚合物是苯酚-甲醛聚合物。曝光后，聚合物变为可溶状态，发生了光溶解反应。

19 光刻胶可以和许多形式的能量（光能和热能）或电磁光谱中的具体某一部分光反应。
传统的正胶可以用在I-Line曝光源上，经 化学放大的光刻胶可用DUV曝光。用X射线和电子束上的光刻胶不同于传统的正负胶。

20 溶剂：光刻胶中容量最大的成分。使光刻胶处于液态，并可以使光刻胶通过旋转的方法涂在晶圆表面。
负胶的溶剂是芬芳的二甲苯，正胶的溶剂是乙氧基乙醛醋酸盐或二甲氧基乙醛。

21 光敏剂：添加到光刻胶中来产生或控制聚合物的特定反应。
光敏剂被加到光刻胶中用来限制反应光的波普范围或者把反应光限制到某一特定波长。

22 添加剂：不同类型的添加剂和光刻胶混合达到特定的效果。可以阻止光刻胶没有曝光的部分在显影过程中被溶解。负胶含有染色剂，在光刻胶薄膜中吸收和控制光线。正胶会有化学的抗溶解系统。

23 8.4.2 光刻胶的表现要素及物理特性 光刻胶的选择的主要决定因素是晶圆表面 对尺寸的要求。 具有产生那些所要求尺寸的能力
在刻蚀过程中阻隔刻蚀的功能，必须保证一定的厚度，且不能有针孔 必须能和晶圆表面很好地黏合，否则刻蚀后图形会发生扭曲

24 分辨率：在光刻胶层能产生的最小图形通常作为对光刻胶的分辨力的参考。产生的线条越小，分辨力越强。
它是表征光刻精度的标志之一，与光刻本身和光刻工艺条件及操作技术有关。 越细的线宽需要越薄的光刻胶膜来产生。然而光刻胶膜需要足够厚度来实现阻隔刻蚀的作用，并且保证不能有针孔，所以选择需要权衡。 改变工艺参数可以改变固有的分辨力。

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26 纵横比用来衡量光刻胶的分辨力和光刻胶厚度之间的关系。是光刻胶厚度与图形打开尺寸的比值。
纵横比=T/W 正胶比负胶有更高的纵横比，对于一个给定的图形尺寸开口，正胶的光刻胶层可以更厚。

27 黏结性：为了实现刻蚀阻隔作用，光刻胶层必须与晶圆表面有很好的黏结性，才能够保证把光刻图形很好的转移到晶圆表面。
负胶比正胶的黏结能力好。

28 粘滞性：对于液体光刻胶来说其流动特性的定量指标。随着粘滞性增加，光刻胶流动的趋势变小，在硅片上的厚度增加。低粘滞性光刻胶流动的倾向性更大，在硅片表面产生更薄的覆盖层。

29 曝光速度、灵敏度和曝光源 一个主要的工艺参数就是反应发生的速度，速度越快，在光刻蚀区域晶圆的加工速度就越快。 负胶需要5到15秒的曝光时间，正胶需要它的3到4倍的时间。 灵敏度是与导致聚合或者光溶解发生所需能量相关的。这种能量又和曝光源特定的波长有关。光刻胶的灵敏度是通过能够使基本的反应开始所需的能量总和来衡量的。单位是mJ/cm2。

30 曝光光源 紫外光用于光刻胶的曝光时因为光刻胶材料与这个特定波长的光反应。波长也很重要，因为较短的波长可以获得光刻胶上较小尺寸的分辨率。现今常用于光学光刻的两种紫外光源是：汞灯和准分子激光。 除这些常用的光源外，还有X射线、电子束和离子束。

31 汞灯 高压汞灯作为紫外光源被使用在所用的常规I线步进光刻机上。在这种灯里，电流通过装有氙汞气体的管子产生电弧放电。这个电弧发射出一个特征光谱，包括240nm到500nm之间有用的紫外辐射。

32 汞灯强度峰 UV光波长 描述符 CD分辨率 436 G线 0.5 405 H线 0.4 365 I线 0.35 248 深紫外DUV
0.25

33 曝光时常规的光刻胶与特定UV波长有相应的特定光谱响应。例如，用于CD特征尺寸0.35微米的酚醛树脂I线光刻胶就与365nm的I线紫外光反应。
考虑汞灯的发射光谱，248nm的深紫外发射是365nm的I线发射强度的五分之一。由于汞灯在深紫外波长的强度低，I线光刻胶在248nm下曝光要得到相同的效果，就需要五倍的曝光时间。 I线光刻胶对深紫外光有过度的吸收，光不能渗透光刻胶，曝光图形差。

34 准分子激光 使用它们的主要优点是可以在248nm深紫外及以下波长提供较大的光强，因为汞灯在这些波长发射效率很低。 迄今惟一用于光学曝光的激光光源是准分子激光。准分子是不稳定分子，由惰性气体原子和卤素构成，例如氟化氩（ArF），这里分子只存在于准稳定激发态。 通常用于深紫外光刻胶的准分子激光器是波长248nm氟化氪（KrF）激光器。

35 半导体光刻中使用的准分子激光器 材料 波长 （nm） 最大输出 (毫焦每脉冲） 频率 （脉冲每秒） 脉冲长度（ns) CD分辨率 （um）
KrF 248 500 25 ≤0.25 ArF 193 400 15 ≤0.18 F2 157 6 10 20 ≤0.15

36 工艺宽容度：对于光刻，高的工艺宽容度意味着即使遇到所有工艺发生变化，在规定范围内也能达到关键尺寸。
工艺宽容度越宽，在晶圆表面达到所需尺寸的可能性就越大。

37 针孔：是光刻胶层尺寸非常小的空穴，是有害的。可能是在涂胶工艺中由于环境中的微粒污染物造成的，也可以是由光刻胶层结构上的空穴造成。
层越薄，针孔越多。厚膜针孔小，却降低了光刻胶的分辨力。因此需要权衡。

38 沾污和颗粒：必须严格控制微粒含量、钠和微量金属杂质以及水含量。为控制沾污和颗粒，光刻胶供应商需严密地过滤和封装程序，在涂光刻胶前，用带有薄膜的过滤器，在使用之前就把光刻胶的污染控制在最小。

39 阶梯覆盖度：随着晶圆生产工艺的进行，在晶圆表面得到了很多层，对于光刻胶的阻隔刻蚀的作用，必须在以前层上面保持足够的厚度。光刻胶用足够厚的膜覆盖晶圆表面层的能力是一个重要的参数。

40 热流程：在光刻工艺工程中有两个加热的过程，第一个称为软烘焙，用来把光刻胶里的溶剂蒸发掉。第二个称为硬烘焙，发生在光刻胶层被显影之后，为了增加光刻胶对晶圆表面的黏结能力。
然而，在硬烘焙过程中光刻胶可能会变软和流动。流动的量对最终的图形尺寸有重要影响。工艺工程中必须考虑热流程带来的尺寸变化。 光刻胶热流程越稳定，对工艺流程越有利。

41 表面张力：指的是液体中将表面分子拉向液体主体内部的分子间吸引力。光刻胶具有产生相对大的表面张力的分子间力，所以在不同的光刻工艺步骤中光刻胶分子会聚在一起，同时光刻胶的表面张力必须足够小，从而在应用时提供良好的流动性和硅的覆盖性。

42 存储和传送：能量会激活光刻胶的化学性质，无论是光能还是热能，这就要求小心控制存储和使用条件。
光刻胶使用褐色的瓶子来存储，彩色的玻璃瓶也可以保护光刻胶，以免受杂散光的照射。 在超过存储期或较高的温度时，负胶会发生交联，正胶会发生感光剂延迟。如果因为容器开口而使光刻胶中的溶剂挥发，那么其粘度会改变。

43 8.4.3 正胶和负胶的比较 直到20世纪70年代中期，负胶一直在光 刻工艺中占主导地位。 到了20世纪80年代，正胶才逐渐被接受。这个转变需要改变掩模板的极性。 正胶和暗场掩模板组合可以减少晶圆表面附加的针孔。 负胶的另一个问题是氧化。可使光刻胶膜变薄20%。 正胶比负胶的成本高。

44 两种光刻胶的显影属性不同，负胶所用的显影液非常容易得到，聚合和非聚合区域的可溶性有很大不同。图形尺寸相对保持恒定。
正胶来说，聚合和非聚合区域的可溶性区别较小，显影液需要仔细调制，并且在显影过程中需要进行温度的控制，加入溶解阻止系统，控制显影过程中的图形尺寸。

45 光刻胶的去除，正胶比负胶容易，可以用受环境影响小的化学品去除。
生产先进的工艺会选择正胶，对于图形尺寸大于2微米的工艺还在用负胶。

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47 8.5 表面准备 为确保光刻胶能和晶圆表面很好黏贴，必须进行表面准备。由三个阶段来完成： 8.5.1 微粒清除 清洗方法：高压氮气吹除 化学湿法清洗 旋转刷刷洗 高压水流

48 8.5.2 脱水烘焙 保持憎水性表面的两种方法 1.把室内湿度保持在50%以下，并且在晶圆完成前一步工艺之后尽可能快地对晶圆进行涂胶 2.把晶圆存储在用干燥并且干净的氮气净化过的干燥器中。 为了使晶圆表面达到可接受的粘贴属性，一些附加的步骤被加入进来，包括脱水烘焙和涂底胶。

49 脱水烘焙的三种温度范围 1.在150℃~200℃温度范围内（低温），晶圆表面会被蒸发； 2.400℃（中温）时，与晶圆表面结合比较松的水分子会离开； 3.超过750℃（高温）时，晶圆表面从化学性质上讲恢复到了憎水性条件。

50 低温烘焙好处 1.可通过热板、箱式对流传导或者真空烤箱达到； 2.进行旋转工艺前不用花很长时间等待晶圆冷却，容易和旋转烘焙结合起来，形成脱水-旋转-烘焙系统。 高温烘焙缺点 1.必须和炉管反应炉结合，不利于旋转工艺。 2.高温会使晶圆内部掺杂结合处能够移动并且晶圆表面的可移动离子污染物可以移入晶圆内部，造成器件可靠性和功能问题。

51 8.5.3晶圆涂底胶（涂漆） 底胶的选择：有很好的吸附能力并且要为正 式涂漆提供一个平滑的表面。 广泛应用的是六甲基乙硅烷（HMDS） 方法有：1、沉浸式涂底胶 2、旋转式涂底胶 3、蒸气式涂底胶

52 前两种方法的缺点 HMDS与晶圆表面直接接触，增加了晶圆被污染的危险。 涂完HMDS要充分干燥，否则会溶解光刻胶层底部，干涉曝光、显影和刻蚀。 HMDS比较贵，旋转涂胶过程中会造成大量的HMDS损失。

53 以上问题可以通过蒸气式涂底胶来解决。 两种常压，一个真空。

54 8.6涂光刻胶 目的：在晶圆表面建立薄的、均匀的、并且没有缺 陷的光刻胶膜。 普遍应用的涂胶方法是：旋转涂胶 四个基本步骤 分滴 旋转铺开
旋转甩掉 溶剂挥发

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56 光刻胶厚度与旋转速度对照

57 胶层的厚度与涂胶时的旋转速度有关，显然转速大胶层 薄．另一方面胶层厚度与液态胶的粘度有关，在给定的转速下粘 度大则胶层厚．对于不同的光刻胶，即使在同样的转速和相同的 粘度下所得的胶层厚度也有所不同．

58 8.6.1背面涂胶 为了保持晶圆背面的氧化物的存在。在正面涂胶完成之后，通过一个滚动机在晶圆背面进行涂胶。 要求：足够厚的光刻胶膜来阻隔刻蚀。

59 8.7 软烘焙 软烘焙是一种以蒸发掉光刻胶中一部分溶剂为目的的加热过程。完成后，光刻胶还保持“软”状态。 蒸发溶剂的原因
1、溶剂会吸光，干扰对光敏感的聚合物的正常化学 反应 2、帮助更好的和晶圆黏结 参数：时间和温度 热处理：1、蒸发2、增加粘结性

60 1.不完全烘焙会造成在曝光过程中图像成形不完全和在刻蚀过程中造成多余的光刻胶漂移。
2.过分烘焙会造成光刻胶中的聚合物产生聚合反应，不与曝光光线反应。 软烘焙的时间和温度由光刻胶供应商提供。 负胶必须要在氮气中进行烘焙，正胶在空气 中烘焙。 软烘方法:通过设备和三种热传递方法组合来 完成。

61 传导：热量通过直接接触物体表面传递。热板是通过传导加热，传导过程中，热表面的振动原子使待加热的原子也振动起来，通过它们之间的振动和碰撞，原子会变热。
对流：对流箱，将气体加热，然后利用鼓风机或压力将气体推向一个空间，能量就传递给了物体。 辐射：电磁能量波在空间的传播。物体受到辐射时，由波夹带着能量直接传递给了物体分子。

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63 8.8 对准和曝光（A&E） A&E的第一步是把所需图形在晶圆表面上定位或对准。第二步是通过曝光灯或其他辐射源将图形转移到光刻胶涂层上。 8.8.1 对准系统的性能表现 对准系统包括两个子系统： 1.一个是要把图形在晶圆表面准确定位 2.另一个包括曝光光源和一个将辐射光线导 向到晶圆表面上的机械装置。

64 对准机选择标准 分辨力/分辨极限 2. 对准精度 3. 污染等级 4. 可靠性 5. 产率 6. 总体所有权成本

65 8.8.2 对准与曝光系统 光刻机的种类表 包括光学和非光学两种类型。 光学光刻机采用紫外光作为光源，而非光学光刻机的光源来自电磁光谱的其他部分。

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67 从方法上看， 这些不同的曝光方式大致可归纳为两种情况．一种是曝光源通过 置于样品上方的掩膜，把掩膜图形的像转移到样品的胶层中例如 接触式的曝光．另一种则是把曝光源聚成很细的束线，象一支笔 尖，不需要掩膜版直接在样品上的胶层中写画成图形例如电 子束曝光．

68 6.8.3 曝光光源 广泛使用的曝光光源是高压汞灯，产生的光为紫外光。

69 8.8.4 对准法则 第一个掩膜版的对准是把掩膜版上的Y轴与晶 圆平面上的平边成90度放置。接下来的掩膜 都用对准标记与上一层带有图形的掩膜对准。 对准误差，又称未对准。 X-Y方向位置错误 转动 伸入和伸出

70 套准精度：是测量对准系统把版图套准到硅片上的能力
套准容差：描述要形成的图形层和前层的最大相对位移，一般说来，套准容差大约是关键尺寸的1/3。

71 8.8.5 光刻机的分类 接触式光刻机 已涂胶的硅片与玻璃光刻掩膜版直接接触，片子被吸附在真空吸盘上，然后一起上升直到片子与掩膜版之间约有几千克的压力。对准时需要真空吸盘作平动和转动，直到掩模版和片子的图形对准为止。当掩膜版与晶圆对准后，由反射光和透镜系统得到的平行紫外光穿过掩膜版照在光刻胶上。

72 优点：分辨率高。 缺点：掩膜版与晶圆直接接触，会损坏较软 的光刻胶层或掩膜版，对提高成品率不利。 掩膜版每曝光15-25次就会被丢弃或清洁。 不然掩膜版与晶圆之间的尘埃会产生分辨率的 问题。

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74 接近式光刻机 接近式曝光除在曝光时硅片和掩模版之间有一个10～25微米宽的小间隙外，其他都和接触曝光非常相似。就是这个间隙可把掩模版的损伤减至最低限度（但不会消除）。接近曝光在菲涅耳衍射范围内工作，其分辨率与（λg）1/2 成正比，这里λ是曝光波长，g是掩蔽膜与片子之间的间隙。接近曝光的分辨率为2～4微米。

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77 投影式曝光 采用了一个带有狭缝的反射镜系统，狭缝挡 住了部分来自光源的光。狭缝使更加均匀的 一部分光照射在反射镜系统上，然后又投影 到晶圆上。由于狭缝的尺寸比晶圆小，光束 要在整个晶圆上扫描。这个系统有一个新的 参数需要控制：扫描速度。由于掩膜版上的 图形尺寸与在晶圆表面想要得到的图形尺寸 相同，因此这种光刻机成为1：1光刻机。

78 避免了掩膜版与硅片表面的摩擦，延长了掩膜版的寿命。
消除了由于掩膜版图形线宽过小而产生的光衍射效应，以及掩膜版与硅片表面接触不平整而产生的光散射现象。

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80 直接分步重复曝光 带有一个或几个芯片图形的掩膜版被对准、曝光，然后移到下一个曝光场，重复这样的过程 三个独特的优点： （1）它是通过缩小投影系统成像的，因而可以提高分辨率。用这种方法曝光，分辨率可达到1～1.5微米；

81 （2）不用1:1精缩掩膜，因而掩膜尺寸大，制作方便。由于使用了缩小透镜，原版上的尘埃、缺陷也相应的缩小，因而减小了原版缺陷的影响；
（3）由于采用了逐步对准技术可补偿硅片尺寸的变化，提高了对准精度。逐步对准的方法 也可以降低对硅片表面平整度的要求。

82 分步重复曝光光学原理图

83 X射线光刻 曝光光源是X射线。这种高能光束的波长小， 能够形成很小的图形。 在x射线曝光中要考虑胶对x射线的吸收，同 时还要考虑掩膜材料、窗口材料等对X射线的 吸收尽量少。 缺点：为挡住高能光线，掩膜版必须用黄金或其他材料制造。另外，开发适合X射线的高性能光刻胶的过程相当缓慢。

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85 电子束光刻机 电子束曝光是指具有一定能量的电子进入到 光刻胶中与胶分子相互作用，并产生光化学 反应。 所需图形从计算机生成，因此没有掩 膜版。束流通过偏转子系统对准表面特定位 置，然后在将要曝光的光刻胶上开启电子 束，并在电子束下移动，从而得到整个表面 的曝光。这种对准和曝光技术叫做直写。

86 集成电路制造中用电子束光刻来转移图形有 几个优点：1.能够制出比1微米还要小的抗刻 蚀的几何图形；2.片子可以不用掩模版直接 制作；3.可以实现高度自动化；4.电子束比光 学的光刻系统具有更大的焦深；5.电子束可 以用来检测硅片上的图形，这种功能可以用 来极精确地进行层与层之间的对准定位。

87 焦深为焦点深度的简称，即在使用显微镜时，当焦点对准某一物体时，不仅位于该点平面上的各点都可以看清楚，而且在此平面的上下一定厚度内，也能看得清楚，这个清楚部分的厚度就是焦深。焦深大, 可以看到被检物体的全层，而焦深小，则只能看到被检物体的一薄层。 NA是镜头的孔径数值 焦深

88 焦深也就是景深，通常用在摄影工作中表明相机透镜容许的聚焦范围。当数值孔径增加后，透镜就可以捕获更多的光学细节并且系统的分辨能力也增加了。焦深方程的含义是如果分辨率提高了那么焦深就会减小。

89 分辨率和焦深的对应关系 在光刻中，对图像质量起关键作用的两个因素是分辨率和焦深。既要获得更好的分辨率来形成关键尺寸的图形，又要保持合适的焦深。影响硅片水平放置、平稳和透镜焦面水平的光刻设备和工艺的任何方面都将影响曝光过程的聚焦质量。如果图像平面在光刻胶中最佳焦面以外，质量就会变差。

90 缺点：电子束光刻设备的问题主要是工作速度太慢，他每小时只能生产约5片分辨率小于1微米的硅片。这当然无法与每小时生产40片分辨率为1
缺点：电子束光刻设备的问题主要是工作速度太慢，他每小时只能生产约5片分辨率小于1微米的硅片。这当然无法与每小时生产40片分辨率为1.5微米硅片的光学设备的产量在经济上相匹敌的。

91 曝光方式比较

92 小结 集成电路发展中非常突出的特征是元器件加工的尺寸愈细， 一个芯片上包括的元件数愈多，则电路的价格愈便宜，可靠性愈 高，即集成电路是通过技术的进步提高它的性能、价格比．在缩小 器件尺寸的贡献中，光刻是最核心的工艺技术．本节介绍的几 种光刻方法，在集成电路发展的各个阶段，都在大量生产中发挥 过或将要发挥重要作用．

93 接触型曝光国际上一直沿用到七十年代中．接
近式曝光在七十年代中、后期应用较广．投影 曝光在七十 年代中期得到应用，目前已成为 主要的生产装置，但在技术上则有 大幅度改 进和变化。早期的投影曝光是全硅片一次曝 光．现在 硅片尺寸已达到150mm，而最细曝 光线条已小于l微米，一次曝 光已非常困难。 普遍采用多次重复曝光来完成，即所谓DSW的 方法．

94 光刻线条采用亚微米的尺寸，在实验室中正在开发，即将过 渡到工业生产．亚微米曝光，采用投影曝光等方法，受衍射等限制 迫使人们在探讨新的途径。扫描电子束曝光从原理上是一种比较理想的方法．今天看来．主要问题是加工速度慢，虽然它曝光一 个点或线仅需10-5一10-6秒，但在一个大于100mm硅片上完成图形曝光约需1小时以上，效率比光学方法低几十倍．

95 目前生产上 主要用它做掩膜，实验室中则 在试图提高硅片上直接曝光的效率。正在尝 试的方法是组合曝光，即对集成电路中图形 线条宽的采用 投影曝光最细的线条用电子束 曝光．弥补电子束慢的不足，但这 需解决设 备的相容性，也是非常难的技术．

96 为了克服电子束的弱点，在1973年前后X射线曝光作为一 次曝光的手段而被提出．实际的进展比人们预料的要慢．主要问 题是X射线光源很难用普通电子枪激发的方法得到很大的功率。 同步辐射光刻建议采用后．使人们产生了很大的兴趣，但其实同步 的困难则是设备太庞大，一台同步辐射装置与一个集成电路厂占用的面积相近。它必须微型化才有可能进入实用．一些微型的 同步辐射装置已完成设计正在加工中试用，一但实用化将为集 成电路在亚微米尺寸上实现107元件／芯片的集成规模的大生产 作出贡献。

97 光刻的曝光方法很多．本结中仅介绍了主要的几种。一种曝 光方法受到重视的原因从光刻来看不仅是技术的先进性，而且要衡量它在大量生产应用中的效益．因此不能说只有这几种方法在 发展，随着技术的进步一定会发明更有水平和效益的新方法．

98 8.9 显影 定义：用化学显影液溶解由曝光造成的 光刻胶的可溶解区域就是光刻胶显影， 其主要目的是把掩膜版图形准确复制到光 刻胶中。 三个主要类型的问题：显影不足、不完全 显影和过显影

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100 负胶和正胶有不同的显影性质并要求不 同的工艺和化学品。

101 冲洗的作用 快速地稀释显影液，曝光的边缘会有一个过渡区，包括部分聚合的分子，如果显影液留在表面上会溶解掉这部分区域而改变图形尺寸。 可去除在开口区少量部分聚合的光刻胶

102 严格地说，胶层放在显影液中曝光与未曝光的部分都有程度 不同的溶解．通常为了得到好的显影图像希望溶解速率差越大 越好。即所谓反差大．现在几乎每一种光刻胶 都配有专用的显影液以保证高反差．

103 光刻胶显影参数 显影温度：最适宜在15到25℃。确定温度后，误差必须控制在±1 ℃范围内。显影液的温度对光刻胶的溶解率有直接影响。对于正胶，显影温度越低光刻胶的溶解率越大；对于负胶，溶解率随温度的增加而增加。

104 显影时间：清洗除去显影液之前，显影液一直与光刻胶反应。由此会造成光刻胶的过腐蚀，导致不能接受的CD值。自动硅片轨道系统中的在线溶解率检测（DRM）可以对显影工艺的真实时间进行检测。

105 显影液量：喷洒在硅片上的显影液的量是影响光刻胶显影成功与否的关键因素。不充分的显影会导致残渣，即显影不足或清洗不适当硅片表面就会有光刻胶的剩余残膜。但也不提倡使用过量的显影液，因为工厂的目的是要减少化学品的用量，过量的显影液会造成浪费。

106 当量浓度：是一个浓度单位，以一升溶解物中溶质的含量为多少克来表示。对显影液来说，当量浓度代表了其准确的化学组成，决定显影液碱性的强弱。当量浓度对光刻胶的溶解率有直接的影响。湿气是影响当量浓度的主要因素。

107 清洗：去离子水是清洗的典型用水，它直接喷涂在硅片上，然后硅片被旋转甩干。清洗的主要用途是停止显影工艺，从硅片表面上去除过剩的显影液。

108 排风：是避免影响喷雾显影液的关键因素。低速排风会导致显影模块中雾状显影液的剩余，剩余的显影液会落到硅片上与光刻胶发生反应。

109 硅片吸盘：整个固定或旋转显影循环中，吸盘上的硅片必须被放得很平稳。平稳的放置确保了覆盖的均匀性。

110 8.9.1湿法显影 沉浸 在耐化学腐蚀的传输器中的晶圆被放进盛有显影液的池中呆上一定的时间然后再被放入加有化学冲洗液的池中进行冲洗。

111 缺点 1.液体的表面张力阻止了化学液体进入微小开孔区 2.部分溶解的光刻胶块会粘在晶圆表面 3.很多晶圆处理过后化学液池会被污染 4.当晶圆被提出化学液面时会被污染 5.显影液随着使用会被稀释

112 6.为了消除1、2、3的问题需要经常更换化学液从而增加了成本 7.室温的波动改变溶液的显影率
8.晶圆必须迅速地送到下一步进行干燥，这就增加了一个工艺步骤 搅拌进行增加显影效果

113 喷射显影 晶圆被真空吸在吸盘上并旋转，同时显影液和冲洗液依次喷射到晶圆表面。冲洗之后晶圆吸盘高速旋转使晶圆被甩干。 优点：较沉浸系统清洁、降低化学品的使用、均 匀性的提高。

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115 混凝显影 开始时，在静止的晶圆表面上覆盖一层显影液，表面张力使显影液在晶圆表面上不会流到晶圆外，要求显影液在晶圆表面上停留一段时间。在要求的时间过后，更多的显影液被喷射到晶圆表面上并冲洗、干燥，然后送入下一道工序。

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117 等离子体去除浮渣 浮渣是不完全显影造成的。可以是留在晶圆 表面上的未溶解的光刻胶块或是干燥后的显 影液。 在化学显影后用等离子体去除。

118 8.9.2 干法（或等离子）显影 在等离子体刻蚀中，离子由等离子体场得到能量，以化学形式分解暴露的晶圆表面层。图案部分从晶圆表面上氧化掉。

119 8.10 硬烘焙 硬烘焙是掩膜工艺中的第二个热处理操作。 作用： 通过溶液的蒸发来固化光刻胶。 使光刻胶和晶圆表面有良好的黏贴

120 8.11刻蚀 刻蚀是通过光刻胶暴露区域来去掉晶圆最表 层的工艺。 目的：在衬底表面复制掩膜版上的图形 刻蚀工艺分为湿法刻蚀和干法刻蚀

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122 对刻蚀的要求 1.适当的刻蚀速度：要求速度为每分钟几十到几百纳米。 2.刻蚀的均匀性要好。刻蚀均匀性一般为±5% 3.选择比大。选择比指对不同材料的刻蚀速率的比值 4.钻蚀小 5.对硅片的损伤小 6.环保

123 8.11.1湿法刻蚀 采用化学溶液，借助化学反应腐蚀硅片中无光刻胶覆盖的部分，要求光刻胶有较强的抗刻蚀能力。 湿法刻蚀用于特征图形尺寸大于3微米的产品。

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125 刻蚀参数 1.不完全刻蚀 不完全刻蚀是指表层还留在图案孔中或表面上的 情况。 原因： 刻蚀时间太短 薄厚不均匀的表层 若是湿法刻蚀，过低的温度或弱的刻蚀液会导致不完全刻蚀 若是干法刻蚀，不正确的混合气体或不正当的系统运行可导致不完全刻蚀

126 2.各向异性和各向同性刻蚀 理想的刻蚀应在表层中形成垂直的侧边。 各向异性刻蚀：刻蚀只在垂直于硅片表面的方向进行，只有很少的横向刻蚀。这种垂直的侧壁使得在芯片上可以制作高密度的刻蚀图形。 各向同性刻蚀：在所有方向上（横向和垂直方向）以相同的速度刻蚀，导致被刻蚀材料在掩膜下面产生钻蚀，带来不希望的线宽损失。

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128 3.底切 在光刻胶边缘下部被刻蚀，称为底切。 一个持续的刻蚀目标是把底切水平控制在一 个可接受的范围内。 产生原因: 刻蚀时间过长或温度过高 刻蚀混合物太强 光刻胶和晶圆表面粘结力较弱

129 4.选择性 被刻蚀材料的刻蚀速率与掩膜材料及衬底材料的 刻蚀速率之比要尽可能大。 Ef：被刻蚀材料的刻蚀速率 Er：掩蔽层材料的刻蚀速率

130 8.11.3硅的湿法刻蚀 典型的硅刻蚀是用硝酸和氢氟酸的混合水溶液。

131 二氧化硅的湿法刻蚀 基本的刻蚀剂是氢氟酸，实际中，氢氟酸与 水或氟化胺与水混合。

132 8.11.5铝膜湿法刻蚀 铝膜的刻蚀溶液是磷酸。

133 氮化硅的湿法刻蚀 使用的化学品是180摄氏度的热磷酸。

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135 湿法刻蚀的方法 沉浸 喷射：精确度高，污染小，可控性好，一致性好，安全性高 蒸气：提供持续新鲜的刻蚀剂

136 干法刻蚀 干法刻蚀，是指用腐蚀剂的气态分子与 被腐蚀的样品表面接触来实现腐蚀功能．干法的种类很多，有物 理方法，如溅射、离子束刻蚀；有化学方法，如等离子腐蚀；有物 理和化学结合的方法，如反应离子腐蚀等．

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140 1.等离子体刻蚀

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148 2.反应离子刻蚀

149 RIE刻蚀装置

150 2.特点

151 （3）能刻蚀材料的种类多，例如：

152 3.离子溅射刻蚀 ㈠原理 工作气体为惰性气体如氩气，射频等离子体中产生的氩离子Ar+在低压（0.13~13Pa）环境中被加速轰击样品表面，通过和样品材料原子间的动量交换达到刻蚀的目的。

153 ㈡特点 ①纯物理性刻蚀法，各向异性，分辨率高，可达0.01 ②离子的纯度高，定向性好，离子能量分布均匀 ③可刻蚀任何材料，如 ④刻蚀的重复性，均匀性优良 ⑤缺点是刻蚀速度慢，刻蚀选择性较差，刻蚀时会产生再淀积现象

154 ㈢影响溅射率的因素

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156 8.11.9干法刻蚀的应用

157 3.硅的干法刻蚀

158 单晶硅的刻蚀

159 小结

160 8.12光刻胶的去除 去胶方法： 1.湿法去除

161 优点： 有很长的工艺历史 成本有效性好 有效去除金属离子 低温工艺且不会将晶圆暴露于可能的损伤性辐射

162 2.干法去胶 主要为等离子体去胶。 将晶圆放置于反应室中并通入氧气，等离子 体场把氧气激发到高能状态，因而将光刻胶 成分氧化为气体由真空泵从反应室吸走。