08微电子工艺基础光刻工艺ppt课件

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1、 微电子工艺基础微电子工艺基础 第第第第8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺1微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺本章目标：本章目标：1、熟悉光刻工艺的流程、熟悉光刻工艺的流程2、能够区别正胶和负胶、能够区别正胶和负胶3、了解对准和曝光的光学方法了解对准和曝光的光学方法4、解释湿法刻蚀和干法刻蚀的方法和优缺点解释湿法刻蚀和干法刻蚀的方法和优缺点微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺一、概述一、概述二、光刻胶二、光刻胶三、曝光、显影阶段三、曝光、显影阶段四、刻蚀、去胶阶段四、刻蚀、去胶阶

2、段微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺一、概述一、概述 1、光刻的定义、光刻的定义 2、光刻的目的、光刻的目的 3、光刻的目标、光刻的目标 4、光刻工艺步骤概述、光刻工艺步骤概述微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺 一、概述一、概述一、概述一、概述1、光刻的定义、光刻的定义光光刻刻是是图图形形复复印印与与腐腐蚀蚀作作用用相相结结合合，在在晶晶片片表表面面薄薄膜膜上上制制备备图图形形的的精密表面工艺技术。精密表面工艺技术。英英文文术术语语是是Photolithography(照照相相平平板板)，Ph

3、otomasking（光光掩掩模）等。模）等。微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺 一、概述一、概述一、概述一、概述2、光刻的目的、光刻的目的光光刻刻的的目目的的就就是是：在在介介质质薄薄膜膜（二二氧氧化化硅硅、氮氮化化硅硅、多多晶晶硅硅等等）、金金属属薄薄膜膜或或金金属属合合金金薄薄膜膜上上面面刻刻蚀蚀出出与与掩掩膜膜版版完完全全对对应应的的几几何何图图形，从而实现选择性扩散和金属薄膜布线的目的。形，从而实现选择性扩散和金属薄膜布线的目的。微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺 一、概述一、概述一、

4、概述一、概述3、光刻的目标（教材、光刻的目标（教材P130最上部分）最上部分）（1）尽可能接近特征图形尺寸。）尽可能接近特征图形尺寸。（ 2） 在在 晶晶 圆圆 表表 面面 正正 确确 定定 位位 图图 形形 （ 称称 为为 Alignment或或 者者Registration），包括套刻准确。），包括套刻准确。微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺 一、概述一、概述一、概述一、概述4、光刻工艺步骤概述（、光刻工艺步骤概述（*）光刻蚀工艺光刻蚀工艺:首先是在掩膜版上形成所需的图形；首先是在掩膜版上形成所需的图形；之之后后通通过过光光刻刻工工艺艺把把

5、所所需需要要的的图图形形转转移移到到晶晶圆圆表表面面的的每每一一层层。（P130倒数第二段）倒数第二段）微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺 一、概述一、概述一、概述一、概述4、光刻工艺步骤概述（、光刻工艺步骤概述（*）（1）图形转移的两个阶段 图形转移到光刻胶层微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺 一、概述一、概述一、概述一、概述4、光刻工艺步骤概述（、光刻工艺步骤概述（*）（1）图形转移的两个阶段 图形从光刻胶层转移到晶圆层微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光

6、刻工艺光刻工艺 一、概述一、概述一、概述一、概述4、光刻工艺步骤概述（、光刻工艺步骤概述（*） （2）十步法）十步法微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺二、光刻胶二、光刻胶 1、光刻胶的组成、分类、光刻胶的组成、分类 2、光刻胶的参数、光刻胶的参数 3、正负胶比较、正负胶比较 4、电子抗蚀剂、电子抗蚀剂 5、X-射线抗蚀剂射线抗蚀剂微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶1、光刻胶的组成、分类、光刻胶的组成、分类光刻时接受图像的介质称为光刻胶，以光刻胶构成的图

7、形作为掩膜对光刻时接受图像的介质称为光刻胶，以光刻胶构成的图形作为掩膜对薄膜进行腐蚀，图形就转移到晶片表面的薄膜上了，所以也将光刻胶薄膜进行腐蚀，图形就转移到晶片表面的薄膜上了，所以也将光刻胶称为抗蚀剂。称为抗蚀剂。（1）光刻胶的分类 根据曝光源和用途A. 光学光刻胶（主要是紫外线）B. 电子抗蚀剂C. X-射线抗蚀剂微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶1、光刻胶的组成、分类、光刻胶的组成、分类（1）光刻胶的分类 根据胶的极性A. 正胶正胶B. 负胶负胶正胶：胶胶的的曝曝光光区区在在显显影影中中除除去去。

8、正正胶胶曝曝光光时时发发生生光光分分解解反反应应变变成成可溶的。可溶的。使使用用这这种种光光刻刻胶胶时时，能能够够得得到到与与掩掩膜膜版版遮遮光光图图案案相相同同的的图图形形，故故称称之为正胶。之为正胶。负胶：胶胶的的曝曝光光区区在在显显影影中中保保留留，用用的的较较多多。具具体体说说来来负负胶胶在在曝曝光光前前对对某某些些有有机机溶溶剂剂（丙丙酮酮、丁丁酮酮、环环己己酮酮）是是可可溶溶的的，而而曝曝光光后后发发生光聚合反应变成不可溶的。生光聚合反应变成不可溶的。使使用用这这种种光光刻刻胶胶时时，能能够够得得到到与与掩掩膜膜版版遮遮光光图图案案相相反反的的图图形形，故故称称之为负胶。之为负胶。

9、微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶1、光刻胶的组成、分类、光刻胶的组成、分类（2）光刻胶的组成光刻胶里面有光刻胶里面有4种基本成分：（参见教材种基本成分：（参见教材P135） 聚合物聚合物 光刻胶中对光和能量敏感的物质；光刻胶中对光和能量敏感的物质； 溶剂溶剂 其作用是使胶具有一定的粘度，能均匀涂覆；其作用是使胶具有一定的粘度，能均匀涂覆； 光敏剂光敏剂 有时也称为增感剂；有时也称为增感剂； 添加剂添加剂 达到特定效果；达到特定效果；微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻

10、工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶2、光刻胶的参数、光刻胶的参数（1）感光度用于表征光刻胶感光性能的。用于表征光刻胶感光性能的。微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶2、光刻胶的参数、光刻胶的参数（2）分辨率指用某种光刻胶光刻时所能得到的光刻图形的最小尺寸。指用某种光刻胶光刻时所能得到的光刻图形的最小尺寸。它是表征光刻精度或清晰度能力的标志之一。它是表征光刻精度或清晰度能力的标志之一。分辨率通常以每毫米内能刻蚀出可分辨的最多线条数目来表示。分辨率通常以每毫米内能刻蚀出可分辨的最多线条数

11、目来表示。通常正胶的分辨率高于负胶。通常正胶的分辨率高于负胶。微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶2、光刻胶的参数、光刻胶的参数（3）抗蚀性在湿法刻蚀中，要求光刻胶能较长时间的经受酸、碱的浸蚀；在湿法刻蚀中，要求光刻胶能较长时间的经受酸、碱的浸蚀；在干法刻蚀中，要求光刻胶能较长时间的经受等离子体的作用。在干法刻蚀中，要求光刻胶能较长时间的经受等离子体的作用。微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶2、光刻胶的参数、光刻胶

12、的参数（4）粘附性光光刻刻胶胶与与衬衬底底（二二氧氧化化硅硅、金金属属等等）之之间间粘粘附附的的牢牢固固程程度度直直接接影影响响到到光刻的质量。光刻的质量。微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶2、光刻胶的参数、光刻胶的参数（5）针孔密度单单位位面面积积上上针针孔孔数数目目称称为为针针孔孔密密度度。光光刻刻胶胶膜膜上上的的针针孔孔在在刻刻蚀蚀过过程程中中会传递到衬底上，危害极大。会传递到衬底上，危害极大。光刻胶层越薄，针孔越多，但太厚了又降低光刻胶的分辨率。光刻胶层越薄，针孔越多，但太厚了又降低光刻胶的分辨

13、率。微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶2、光刻胶的参数、光刻胶的参数（6）留膜率留膜率是指曝光显影后的非溶性胶膜厚度与曝光前的胶膜厚度之比。留膜率是指曝光显影后的非溶性胶膜厚度与曝光前的胶膜厚度之比。刻刻蚀蚀时时起起掩掩蔽蔽作作用用的的是是显显影影后后非非溶溶性性的的胶胶膜膜，所所以以希希望望光光刻刻胶胶的的留留膜膜率越高越好。率越高越好。微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶3、正、负胶的比较、正、负胶的比较（1）

14、正、负胶和掩膜版极性的结合（参见教材P131和P132）掩模板的图形是由不透光的区域决定的在掩膜板上的图形是用相反的方式编码的微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶3、正、负胶的比较、正、负胶的比较（2）负胶负胶大多数由长链高分子有机物组成。负胶大多数由长链高分子有机物组成。例如：由顺聚异戊二烯、对辐照敏感的交联剂以及溶剂组成的负胶，响例如：由顺聚异戊二烯、对辐照敏感的交联剂以及溶剂组成的负胶，响应波长应波长330-430nm，胶膜厚度，胶膜厚度0.3-1m，显影液是有机溶剂如二甲苯，显影液是有机溶剂如二甲

15、苯等。曝光的顺聚异戊二烯在交联剂作用下交联，成为体形高分子并固化，等。曝光的顺聚异戊二烯在交联剂作用下交联，成为体形高分子并固化，不再溶于有机溶剂构成的显影液，而未曝光的长链高分子溶于显影液，不再溶于有机溶剂构成的显影液，而未曝光的长链高分子溶于显影液，显影时被去掉。显影时被去掉。微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶1、光刻胶的组成、分类、光刻胶的组成、分类（3）正胶当当前前常常用用的的正正胶胶由由以以下下物物质质组组成成的的：酚酚醛醛树树脂脂、光光敏敏剂剂邻邻重重氮氮醌醌和和溶溶剂剂二二甲甲氧氧基基乙乙

16、醛醛等等。响响应应波波长长330-430nm，胶胶膜膜厚厚1-3m，显显影影液液是是氢氢氧氧化化钠钠等等碱碱性性物物质质。曝曝光光的的光光刻刻胶胶光光分分解解后后易溶于显影液，未曝光的胶膜难溶于碱性显影液。易溶于显影液，未曝光的胶膜难溶于碱性显影液。微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶3、正胶、负胶的比较（、正胶、负胶的比较（*） 正胶正胶 负胶负胶 不不易氧化易氧化 易氧化而使光刻胶膜变薄易氧化而使光刻胶膜变薄 成本高成本高 成本低成本低 图形边缘整齐、陡直，无溶胀现象图形边缘整齐、陡直，无溶胀现象 易

17、易吸收显影液而溶涨吸收显影液而溶涨 分辨率更高分辨率更高 去胶较容易去胶较容易 抗蚀性强于正胶抗蚀性强于正胶 微电子工艺基础微电子工艺基础 26微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶4、电子抗蚀剂、电子抗蚀剂正正性性抗抗蚀蚀剂剂 在在电电子子束束辐辐射射下下发发生生胶胶联联反反应应，由由于于胶胶联联，分分子子变变大大变变复复杂，平均分子量增加。杂，平均分子量增加。负负性性抗抗蚀蚀剂剂 在在电电子子束束辐辐射射下下发发生生降降解解反反应应。由由于于降降解解，分分子子链链剪剪断断、变短，成为小分子。变短，成为小

18、分子。电电子子抗抗蚀蚀剂剂对对10-30kV10-30kV的的电电子子束束灵灵敏敏，常常用用的的正正性性抗抗蚀蚀剂剂有有PMMAPMMA（聚聚甲甲基基丙丙烯烯酸酸甲甲酯酯），分分辨辨率率可可达达10nm10nm；还还有有EBR-9EBR-9（丙丙烯烯酸酸盐盐基基类类），灵灵敏敏度度比比PMMAPMMA高高但最小分辨率只有但最小分辨率只有0.2m0.2m。微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶5、X-射线抗蚀剂射线抗蚀剂在电子抗蚀剂如在电子抗蚀剂如PMMA中加入铯、铊等，能增加抗蚀剂对中加入铯、铊等，能增加抗

19、蚀剂对X-射线的吸收射线的吸收能力，可以使之作为能力，可以使之作为X-射线抗蚀剂。射线抗蚀剂。微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺三、曝光、显影阶段三、曝光、显影阶段 1、表面准备、表面准备 2、涂光刻胶、涂光刻胶 3、前烘、前烘 4、对准和曝光、对准和曝光 5、显影、显影微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺 三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段1、表面准备、表面准备（1）微粒清除（2）保持衬底表面的憎水性（P144最下部分） 室内湿度保持在50%以下，并尽可能快地进

20、行光刻 把晶圆存储在干净的氮气净化过的干燥器 采用HF结尾的清洗工艺 脱水烘培 涂底胶（六甲基乙硅烷HMDS）（沉浸式或旋转式） 微电子工艺基础微电子工艺基础 Wafer Clean ProcessWafer Clean Process（新方法）（新方法）（新方法）（新方法）31微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶2、涂光刻胶、涂光刻胶要求：要求： 胶膜均匀（均匀性达到正负胶膜均匀（均匀性达到正负0.01微米的误差）微米的误差） 达到预期的厚度达到预期的厚度 与衬底薄膜粘附性好与衬底薄膜粘附性好 无灰尘和

21、夹杂物无灰尘和夹杂物 使用黄光或红光照明，防止光刻胶失效使用黄光或红光照明，防止光刻胶失效 微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶2、涂光刻胶、涂光刻胶（1）静态涂胶工艺在光刻胶被分散开之后，高速旋转还要持续一段时间以便使光刻胶干燥。在光刻胶被分散开之后，高速旋转还要持续一段时间以便使光刻胶干燥。微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶2、涂光刻胶、涂光刻胶 （1）静态涂胶工艺）静态涂胶工艺微电子工业基础微电子工业基础 第

22、第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶2、涂光刻胶、涂光刻胶 （1）静态涂胶工艺）静态涂胶工艺微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶2、涂光刻胶、涂光刻胶（2）动态喷洒 微电子工艺基础微电子工艺基础 光刻胶旋涂机光刻胶旋涂机光刻胶旋涂机光刻胶旋涂机光刻胶在旋转的圆片表面向外扩展光刻胶在旋转的圆片表面向外扩展圆片吸在真空卡盘上圆片吸在真空卡盘上低速旋转低速旋转 500 rpm缓变上升至缓变上升至 3000 - 7000 rpm37 微电子工艺基础微电子工

23、艺基础 实验室匀胶机实验室匀胶机实验室匀胶机实验室匀胶机38 微电子工艺基础微电子工艺基础 光刻胶旋涂机光刻胶旋涂机光刻胶旋涂机光刻胶旋涂机EBR: Edge bead removal边缘修复39 微电子工艺基础微电子工艺基础 硅片自动输送轨道系统；真空卡盘吸住硅片；胶盘硅片自动输送轨道系统；真空卡盘吸住硅片；胶盘排气系统；可控旋转马达；给胶管和给胶泵排气系统；可控旋转马达；给胶管和给胶泵边缘清洗（去边）边缘清洗（去边）40 微电子工艺基础微电子工艺基础 滴胶滴胶滴胶滴胶41 微电子工艺基础微电子工艺基础 光刻胶吸回光刻胶吸回光刻胶吸回光刻胶吸回42 微电子工艺基础微电子工艺基础 光刻胶旋涂光

24、刻胶旋涂光刻胶旋涂光刻胶旋涂43 微电子工艺基础微电子工艺基础 Photoresist Spin CoatingPhotoresist Spin Coating44 微电子工艺基础微电子工艺基础 Photoresist Spin CoatingPhotoresist Spin Coating45 微电子工艺基础微电子工艺基础 Edge Bead RemovalEdge Bead Removal（边缘修复）（边缘修复）（边缘修复）（边缘修复）46 微电子工艺基础微电子工艺基础 Edge Bead RemovalEdge Bead Removal47 微电子工艺基础微电子工艺基础 Ready Fo

25、r Soft BakeReady For Soft Bake（软烘焙）（软烘焙）（软烘焙）（软烘焙）48 微电子工艺基础微电子工艺基础 Optical Edge Bead RemovalOptical Edge Bead Removal（光学边缘修复）（光学边缘修复）（光学边缘修复）（光学边缘修复）49 微电子工艺基础微电子工艺基础 Developer Spin OffDeveloper Spin Off（甩掉显影剂）（甩掉显影剂）（甩掉显影剂）（甩掉显影剂）50 微电子工艺基础微电子工艺基础 51微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶

26、二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶3、前烘、前烘 （1）目的）目的 使胶膜体内的溶剂充分挥发使胶膜干燥使胶膜体内的溶剂充分挥发使胶膜干燥 增加胶膜和衬底的粘附性以及胶膜的耐磨性增加胶膜和衬底的粘附性以及胶膜的耐磨性微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶3、前烘、前烘 （2）方法（根据热传递的三种方式）方法（根据热传递的三种方式） 烘箱烘烤 热板处理 红外光照射 微电子工艺基础微电子工艺基础 光刻光刻光刻光刻2 2预烘预烘预烘预烘脱水烘焙脱水烘焙去除圆片表面的潮气去除圆片表面的潮气增强光刻胶与表面的黏附性增强光刻

27、胶与表面的黏附性通常大约通常大约100 C与底胶涂覆合并进行与底胶涂覆合并进行54 微电子工艺基础微电子工艺基础 光刻光刻光刻光刻2 2底胶涂覆底胶涂覆底胶涂覆底胶涂覆增强光刻胶增强光刻胶(PR)和圆片表面的黏附性和圆片表面的黏附性广泛使用广泛使用: Hexamethyldisilazane (HMDS)在在PR旋转涂覆前旋转涂覆前HMDS蒸气涂覆蒸气涂覆Usually performed in-situ with pre-bakePR涂覆前用冷却板冷却圆片涂覆前用冷却板冷却圆片55 微电子工艺基础微电子工艺基础 预烘和底胶蒸气涂覆预烘和底胶蒸气涂覆预烘和底胶蒸气涂覆预烘和底胶蒸气涂覆 脱水烘

28、培脱水烘培56微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶4、对准和曝光、对准和曝光 （1）概述）概述对准和曝光对准和曝光(A&E)： （教材（教材P153最下）最下） 把所需图形在晶圆表面上定位或对准把所需图形在晶圆表面上定位或对准 通过曝光灯或其他辐射源将图形转移到光刻胶涂层上通过曝光灯或其他辐射源将图形转移到光刻胶涂层上光刻胶是光刻工艺的材料核心光刻胶是光刻工艺的材料核心 A&E则是光刻工艺的设备核心。则是光刻工艺的设备核心。微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工

29、艺 二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶4、对准和曝光、对准和曝光 （2）对准）对准对准原则：对准原则： （教材（教材P155最下面）最下面）第第一一个个掩掩膜膜版版的的对对准准是是把把掩掩膜膜版版上上的的y轴与晶圆上的平边成轴与晶圆上的平边成90度放置；度放置；后后续续的的掩掩膜膜版版都都用用对对准准标标记记与与上上一一层带有图形的掩膜对准。层带有图形的掩膜对准。微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶4、对准和曝光、对准和曝光 （2）对准）对准对准误差：对准误差： （教材（教材P155最下面）最下面）

30、 X或Y方向的平移； 转动微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶4、对准和曝光、对准和曝光 （3）曝光光源）曝光光源对图像的改进方法：对图像的改进方法： （见教材（见教材P155） 使用狭波或单一波长的曝光光源使用狭波或单一波长的曝光光源 准直平行光准直平行光 控制掩膜版和光刻胶之间的距离控制掩膜版和光刻胶之间的距离常见曝光源：常见曝光源： （见教材（见教材P155） 高压汞灯产生紫外光（高压汞灯产生紫外光（UV） 准分子激光器准分子激光器 电子束电子束 X射线射线微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8

31、8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶4、对准和曝光、对准和曝光 （4）曝光方法）曝光方法参见教材参见教材P154图图8.43 光学曝光光学曝光 A：接触式：接触式 B：接近式：接近式 C：投影式：投影式 D：步进式：步进式 非光学曝光非光学曝光 A：电子束：电子束 B：X射线射线微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶4、对准和曝光、对准和曝光 （4）曝光方法）曝光方法由于衍射极限的限制，在超大规模集成电路的生产上光学光刻已逐渐被由于衍射极限的限制，在超大规模集

32、成电路的生产上光学光刻已逐渐被电子束光刻，电子束光刻，X-射线光刻等新技术代替。但是光学光刻在对分辨率要求射线光刻等新技术代替。但是光学光刻在对分辨率要求不高的器件和电路上仍被普遍采用。不高的器件和电路上仍被普遍采用。微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶4、对准和曝光、对准和曝光 （4）曝光方法）曝光方法 光学曝光 A：接触式（教材：接触式（教材P156） 接接触触式式曝曝光光需需要要人人工工在在显显微微镜镜下下观观察察和和套套准准图图形形并并使使硅硅片片与与掩掩膜膜版版紧紧贴贴，光光刻刻精精度度受受到到

33、光光学学和和机机械械系系统统以以及及操操作作者者的的熟熟练练程程度度的的限制。限制。微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶4、对准和曝光、对准和曝光 （4）曝光方法）曝光方法 光学曝光 A：接触式（教材P156） 缺点：接触会损坏掩膜版和较软的光刻胶层；缺点：接触会损坏掩膜版和较软的光刻胶层； 掩膜版寿命低。掩膜版寿命低。接触式光刻机用于分立器件，低集成度和中度集成度的电路。接触式光刻机用于分立器件，低集成度和中度集成度的电路。 微电子工艺基础微电子工艺基础 接触式光刻机接触式光刻机接触式光刻机接触式光刻机

34、设备简单设备简单70年代中期前使年代中期前使 用用分辨率分辨率:有微米有微米 级的能力级的能力掩膜版和硅片直掩膜版和硅片直 接接触接接触,掩膜版掩膜版 寿命短寿命短65 微电子工艺基础微电子工艺基础 接触式光刻机66微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶4、对准和曝光、对准和曝光 （4）曝光方法）曝光方法 光学曝光 B：接近式（教材：接近式（教材P157） 接接近近式式光光刻刻是是分分辨辨率率和和缺缺陷陷密密度度的的权权衡衡。它它以以牺牺牲牲分分辨辨率率来来延延长长了了掩掩膜版的寿命。只有采用高度平行的光束

35、曝光来减少散射带来的影响。膜版的寿命。只有采用高度平行的光束曝光来减少散射带来的影响。接近式光刻是接触式光刻机的自然演变。有时也称软接触式。接近式光刻是接触式光刻机的自然演变。有时也称软接触式。 微电子工艺基础微电子工艺基础 接近式光刻机接近式光刻机接近式光刻机接近式光刻机距硅片表面距硅片表面 10微米微米无直接接触无直接接触更长的掩膜更长的掩膜 寿命寿命分辨率分辨率:3m68 微电子工艺基础微电子工艺基础 接近式光刻机接近式光刻机接近式光刻机接近式光刻机69微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶4、对准和

36、曝光、对准和曝光 （4）曝光方法）曝光方法 光学曝光 C：投影式：投影式微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶4、对准和曝光、对准和曝光 （4）曝光方法）曝光方法 光学曝光 C：投影式投影式曝光和接触式曝光相比有以下优点：投影式曝光和接触式曝光相比有以下优点：a 避免了掩膜版与硅片表面的摩擦，延长了掩膜版的寿命；避免了掩膜版与硅片表面的摩擦，延长了掩膜版的寿命；b 掩膜版的尺寸可以比实际尺寸大得多，克服了小图形制版的困难；掩膜版的尺寸可以比实际尺寸大得多，克服了小图形制版的困难；c 消除了掩膜版图形线宽过小

37、而产生的光衍射效应消除了掩膜版图形线宽过小而产生的光衍射效应投影式曝光的缺点：投影式曝光的缺点：a 光刻设备有许多镜头需要特制，设备复杂。光刻设备有许多镜头需要特制，设备复杂。 微电子工艺基础微电子工艺基础 投影光刻机（扫描型）投影光刻机（扫描型）投影光刻机（扫描型）投影光刻机（扫描型）72微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶4、对准和曝光、对准和曝光 （4）曝光方法）曝光方法 光学曝光 D：步进式（：步进式（P159）使使用用带带有有一一个个芯芯片片或或几几个个芯芯片片图图形形的的掩掩膜膜版版逐逐一一对

38、对准准、曝曝光光，然然后后移移动动到到下下一一个个曝曝光光场场，重重复复这这样的过程。样的过程。微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶4、对准和曝光、对准和曝光 （4）曝光方法）曝光方法 光学曝光 D：步进式（：步进式（P159）优点：a 由于每次曝光区域变小分辨率得以提高。由于每次曝光区域变小分辨率得以提高。b 这种掩膜版比全局掩膜版质量高，因此产生缺陷的数量就更小。这种掩膜版比全局掩膜版质量高，因此产生缺陷的数量就更小。生产关键：自动对准系统的实现。自动对准系统的实现。掩膜版：1:1掩膜版或掩膜版或51

39、0倍的掩膜版，倍的掩膜版，5倍最佳。倍最佳。 微电子工艺基础微电子工艺基础 75 微电子工艺基础微电子工艺基础 步进光刻机步进光刻机步进光刻机步进光刻机先进的先进的IC 中最流行的光刻设备中最流行的光刻设备高分辨率高分辨率0.25微米或以下微米或以下非常昂贵非常昂贵掩膜图形尺寸掩膜图形尺寸5X：10X能够得到更好的分辨率，但是，它的曝光时间是能够得到更好的分辨率，但是，它的曝光时间是5X的四倍。的四倍。曝光时间和分辨率折中的结果。曝光时间和分辨率折中的结果。76微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶4、对准

40、和曝光、对准和曝光 （4）曝光方法）曝光方法 电子束曝光电子束与光一样，它的能量也可以使光刻胶发生化学反应，使之感光。电子束与光一样，它的能量也可以使光刻胶发生化学反应，使之感光。 电电子子束束由由阴阴极极产产生生，它它在在阳阳极极正正电电场场的的加加速速下下获获得得很很大大的的能能量量。为为了了使使电电子子在在运运动动过过程程中中不不会会同同气气体体分分子子碰碰撞撞，整整个个电电子子束束曝曝光光系系统统必必须须是是高高真真空空的的。经经过过阳阳极极加加速速的的电电子子束束必必须须进进行行聚聚焦焦，电电子子束束的的聚聚焦焦采采用用电电场场或或磁磁场场组组成成的的透透镜镜来来实实现现，为为了了使

41、使电电子子束束聚聚焦焦得得很很好好，要要采采用用复复合合透透镜镜组来达到目的。组来达到目的。 微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶4、对准和曝光、对准和曝光 （4）曝光方法）曝光方法 电子束曝光为了获得某一曝光图形，必须使电子束依次打到图形中需要曝光的部分，即按图形扫描。为此，在电子束的通道中装上偏转板。偏转板上加电压，由电压来控制电子束的偏转。偏转板有两对，互相垂直，使其一个平面的X方向和Y方向都能扫描到。扫描时图形的某些部分是不要曝光的，因此还必须有控制电子束通断的装置。 微电子工业基础微电子工业基础

42、 第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶4、对准和曝光、对准和曝光 （4）曝光方法）曝光方法 电子束曝光微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺章光刻工艺 二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶二、光刻胶4、对准和曝光、对准和曝光 （4）曝光方法）曝光方法微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺 三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段4、对准和曝光、对准和曝光 （4）曝光方法）曝光方法 电子束曝光分类：分类：A：光栅扫描式：光栅扫描式B：矢

43、量扫描式：矢量扫描式微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺 三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段4、对准和曝光、对准和曝光 （4）曝光方法）曝光方法 X-射线曝光X-X-射射线线系系统统与与UVUV和和DUVDUV系系统统在在功功能能上上相相似似。是是一一束束电电子子束束在在高高真真空空中中轰轰击击靶靶使使其其辐辐射射X射射线线，在在X射射线线投投射射路路程程中中放放置置掩掩膜膜版版，透透过过掩掩膜膜版版的的X射射线照射到硅片表面感光胶上使之曝光。线照射到硅片表面感光胶上使之曝光。 微电子工业基础微电子工业基础 第第第

44、第8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺 三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段4、对准和曝光、对准和曝光 （4）曝光方法）曝光方法 X-射线曝光A A：材材料料的的形形变变小小，这这样样制制成成的的图图形形尺尺寸寸及及其其相相对对位位置置的的变变化化可可以忽略。以忽略。B B：要要求求掩掩膜膜衬衬底底材材料料透透X X光光能能力力强强，而而在在它它上上面面制制作作微微细细图图形形的的材料透材料透X X光能力差，这样在光刻胶上可获得分辨率高的光刻图形。光能力差，这样在光刻胶上可获得分辨率高的光刻图形。 X-X-射线曝光对掩膜版的要求：射线曝光对掩膜版的要求：

45、X-X-射线掩膜版射线掩膜版使用材料解决方案：使用材料解决方案：A A：衬底使用：衬底使用氮化硅、氮化硼、铍等对氮化硅、氮化硼、铍等对X X射线吸收较弱射线吸收较弱B B：图形材料使用：图形材料使用金金微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺 三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段4、对准和曝光、对准和曝光 （5）制版）制版 （教材（教材P185）制制版版就就是是将将器器件件与与电电路路的的结结构构（互互连连方方式式）的的设设计计图图形形转转移移到到掩掩膜版上。膜版上。先制作母版，再由母版翻印多套工作版，工作版也叫作光刻版

46、。先制作母版，再由母版翻印多套工作版，工作版也叫作光刻版。制制版版技技术术是是光光刻刻工工艺艺的的关关键键技技术术。一一种种产产品品生生产产时时光光刻刻几几次次就就有有几块版，这几块版彼此联系的版组合成一套版。几块版，这几块版彼此联系的版组合成一套版。 微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺 三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段4、对准和曝光、对准和曝光 （5）制版）制版 （教材（教材P185）空白版就是底版，由基片和（感光）薄膜组成。空白版就是底版，由基片和（感光）薄膜组成。空空白白版版有有多多种种，可可根根据据基基

47、片片上上的的感感光光薄薄膜膜来来划划分分不不同同的的空空白白版版，常常用的有超微粒干版、铬版、彩色版等。用的有超微粒干版、铬版、彩色版等。 铬铬版版 是是在在玻玻璃璃基基片片上上淀淀积积铬铬薄薄膜膜构构成成的的空空白白版版，铬铬薄薄膜膜常常采采用用溅溅射射或或真真空空蒸蒸镀镀的的方方法法淀淀积积。铬铬版版是是当当前前采采用用最最多多的的版版，这这种种光光刻刻版版的制作技术几乎与晶圆的制作技术几乎与晶圆- -图案复制操作一致。图案复制操作一致。微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺 三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段4

48、、对准和曝光、对准和曝光 （5）制版）制版 （教材（教材P185）使用光学照相方法制母版，再复印光刻版。光学制版分辨率受衍射极限使用光学照相方法制母版，再复印光刻版。光学制版分辨率受衍射极限限制。限制。 光学制版总图绘制总图绘制绘分图绘分图初缩初缩精缩精缩复印复印光学制版的步骤：微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺 三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段4、对准和曝光、对准和曝光 （5）制版）制版 （教材（教材P185）电子束制版电子束制版 采用计算机绘图将图形采用计算机绘图将图形X-Y数据化，用图形发生器按这些数数据

49、化，用图形发生器按这些数据由电子束在空白版上扫描，直接制备出母版；或者先制备据由电子束在空白版上扫描，直接制备出母版；或者先制备10倍的中间倍的中间版，再步进重复（精缩）制出母版。版，再步进重复（精缩）制出母版。 电子束制版 微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺 三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段4、对准和曝光、对准和曝光 （5）制版）制版 （教材（教材P185）A A：图形符合设计要求，尺寸准确，不发生变形；：图形符合设计要求，尺寸准确，不发生变形；B B：一套母版的各个分版之间应一一套准；：一套母版的各个分版之

50、间应一一套准；C C：版黑白反差应大；版黑白反差应大；D D：图形边缘光滑陡直，无毛刺，过渡小。：图形边缘光滑陡直，无毛刺，过渡小。E E：版面光洁，针孔、小岛，以及划痕少。：版面光洁，针孔、小岛，以及划痕少。 掩膜版的质量要求 微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺 三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段5、显影、显影 （1）概述）概述 （教材（教材P164）晶晶圆圆在在完完成成对对准准和和曝曝光光后后，器器件件或或电电路路的的图图案案被被以以曝曝光光和和未未曝曝光光区区域域的的形形式式记记录录在光刻胶上，但还未出现应

51、有的图形。在光刻胶上，但还未出现应有的图形。微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺 三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段5、显影、显影 （2）显影化学品）显影化学品 （教材（教材P165）微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺 三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段5、显影、显影 （3）显影方法）显影方法 （教材（教材P165） 湿法显影 微电子工艺基础微电子工艺基础 Development: ImmersionDevelopment: Imme

52、rsion（沉浸显影）（沉浸显影）（沉浸显影）（沉浸显影）显影漂洗旋转干燥92 微电子工艺基础微电子工艺基础 93 微电子工艺基础微电子工艺基础 94微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺 三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段三、曝光显影阶段5、显影、显影 （3）显影方法）显影方法 （教材（教材P165） 干法显影（等离子体显影，通常是氧）干干法法氧氧等等离离子子体体显显影影要要求求光光刻刻胶胶化化学学物物的的曝曝光光部部分分或或未未曝曝光光部部分分二二者者之之一一易于被氧等离子体驱除，更确切的说，图案部分从表面氧化掉。易于被氧等离子

53、体驱除，更确切的说，图案部分从表面氧化掉。微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺四、刻蚀、去胶阶段四、刻蚀、去胶阶段 1、后烘、后烘 2、刻蚀、刻蚀 3、光刻胶去除、光刻胶去除微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段1、后烘、后烘（1）目的 去除显影液和水分，使胶膜坚固去除显影液和水分，使胶膜坚固 使胶膜进一步聚合而提高胶膜抗刻蚀能力使胶膜进一步聚合而提高胶膜抗刻蚀能力 提高胶膜粘附性提高胶膜粘附性微电子工业基础微电子工业基础 第第第第

54、8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段1、后烘、后烘（2）方法与前烘方法大致相同。与前烘方法大致相同。例如：例如：采用对流炉的后烘温度是采用对流炉的后烘温度是130度度200度，时间度，时间30分钟。分钟。微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段2、刻蚀、刻蚀（1）定义和目的把把显显影影后后的的光光刻刻胶胶微微图图形形下下层层材材料料的的裸裸露露部部分分去去掉掉，将将光光刻刻胶胶图形转移到下层材料上去的工艺叫

55、作刻蚀。图形转移到下层材料上去的工艺叫作刻蚀。微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段2、刻蚀、刻蚀（2）刻蚀的要求 保真保真 最好是各向异性腐蚀，侧向腐蚀小最好是各向异性腐蚀，侧向腐蚀小 选择比高选择比高 均匀性好均匀性好 清洁清洁 在胶膜掩蔽下，去除窗口薄膜物质（如SiO2，Al等）要求：微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段2、刻蚀、刻蚀（2）刻蚀的要求选择比的定义

56、：选择比的定义：微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段2、刻蚀、刻蚀（3）刻蚀常见问题不完全刻蚀：微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段2、刻蚀、刻蚀（3）刻蚀常见问题 过刻蚀和底切在从最外表面刻蚀到表层底部的过程中刻蚀也会在最外表面进行。结果会在侧边形成一个斜面，这种作用因在光刻胶边缘下被刻蚀，所以称为低切微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章章章章 光刻工艺

57、光刻工艺光刻工艺光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段2、刻蚀、刻蚀（3）刻蚀常见问题 各向同性刻蚀微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段2、刻蚀、刻蚀（4）刻蚀的分类参见教材图参见教材图9.21刻蚀。刻蚀。湿法刻蚀类：湿法刻蚀类： 沉浸沉浸 喷射喷射干法刻蚀类：干法刻蚀类： 等离子体（桶形、平面）等离子体（桶形、平面） 离子轰击离子轰击 反应离子刻蚀（反应离子刻蚀（RIE）微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光

58、刻工艺光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段2、刻蚀、刻蚀（5）湿法刻蚀湿湿法法刻刻蚀蚀是是化化学学腐腐蚀蚀，在在腐腐蚀蚀液液中中通通过过化化学学反反应应去去除除窗窗口口薄薄膜膜，得得到薄膜图形。到薄膜图形。由由于于加加工工线线条条变变细细而而使使腐腐蚀蚀效效果果差差，因因此此湿湿法法腐腐蚀蚀用用于于特特征征图图形形尺尺寸大于寸大于3微米的产品，低于此水平时，使用干法刻蚀。微米的产品，低于此水平时，使用干法刻蚀。微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶

59、阶段2、刻蚀、刻蚀（5）湿法刻蚀 特点 A：湿法腐蚀的产物必须是气体或可溶于腐蚀液的物质。：湿法腐蚀的产物必须是气体或可溶于腐蚀液的物质。B：一般说来，反应总伴随着放热和放气。：一般说来，反应总伴随着放热和放气。优点：A：工艺简单，无需复杂设备，选择比高；：工艺简单，无需复杂设备，选择比高；B：均匀性好：均匀性好缺点：A：各向同性腐蚀；：各向同性腐蚀；B：分辨率低，自动化难：分辨率低，自动化难微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段2、刻蚀、刻蚀（5）湿法刻蚀 硅湿法刻蚀 刻蚀液：刻

60、蚀液：硝酸和硝酸和HF酸的混合水溶液。酸的混合水溶液。微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段2、刻蚀、刻蚀（5）湿法刻蚀 二氧化硅湿法刻蚀 刻蚀液：刻蚀液：氢氟酸缓冲液：氢氟酸缓冲液： 49%HF：NH3F：H2O=3ml：6g：10ml微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段2、刻蚀、刻蚀（5）湿法刻蚀 铝膜湿法刻蚀 （教材P175最下）因此常使用刻蚀液：因此常使用刻蚀

61、液：对对于于铝铝和和铝铝合合金金有有选选择择性性的的刻刻蚀蚀溶溶液液是是85%的的浓浓磷磷酸酸，但但是是副副产产物物氢氢气气泡泡可可能能会导致桥接或雪球。会导致桥接或雪球。磷酸磷酸:硝酸硝酸:醋酸醋酸:水水=16:1:1:2微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段2、刻蚀、刻蚀（6）干法刻蚀湿法刻蚀的局限性： （P177最上方） 湿法刻蚀局限于湿法刻蚀局限于3微米以上的图案尺寸微米以上的图案尺寸 湿法刻蚀为各向同性刻蚀导致边侧形成斜坡湿法刻蚀为各向同性刻蚀导致边侧形成斜坡 湿法刻蚀要

62、求冲洗和干燥步骤湿法刻蚀要求冲洗和干燥步骤 液体化学品有毒害液体化学品有毒害 湿法工艺有潜在的污染湿法工艺有潜在的污染 光刻胶黏合力的失效导致底切光刻胶黏合力的失效导致底切 微电子工艺基础微电子工艺基础 8.2 8.2 二氧化硅和硅的干法刻蚀二氧化硅和硅的干法刻蚀 在ULSI工艺中对二氧化硅的刻蚀通常是在含有氟化碳的等离子体中进行。早期刻蚀使用的气体为四氟化碳(CF4)，现在使用比较广泛的反应气体有CHF3，C2F6，SF6和C2F8，其目的都是用来提供碳原子及氟原子与SiO2进行反应。 CF4的反应为：使用CF4对SiO2进行刻蚀时，刻蚀完SiO2之后，会继续对硅进行刻蚀。 为了解决这一问题

63、，在CF4等离子体中通常加入一些附加的气体成份，这些附加的气体成份可以影响刻蚀速度、刻蚀的选择性、均匀性和刻蚀后图形边缘的剖面效果。112 微电子工艺基础微电子工艺基础 在使用CF4对硅和SiO2进行等离子刻蚀时，氟与SiO2反应的同时，还与CFx原子团(x3)结合而消耗掉，造成氟原子的稳态浓度比较低，刻蚀速率较慢。 如果加入适量的氧气，氧气也同样被电离，氧可与CFx原子团反应，造成CFx原子团耗尽，减少了氟原子的消耗，使F/C原子比增加，加快SiO2刻蚀速度。 在氧组分达到临界值之后，继续增加氧的组分，由于氟原子浓度被氧冲淡，刻蚀速度下降。 刻蚀硅时，临界氧组分只有12%，氧组分继续增加，刻

64、蚀速率下降比SiO2更快。这是由于氧原子倾向于吸附在Si的表面上，阻挡了氟原子加入反应。随着更多氧的吸附，对Si的刻蚀影响进一步增加。 对硅的刻蚀速度最大时，其氧气的组分要小于刻蚀SiO2的情况。一、加入适量的氧气113 微电子工艺基础微电子工艺基础 在CF4等离子体中加入氢气，随氢组分增加：二、加入适量的氢气SiO2的刻蚀速度缓慢减小，持续到氢的组分达到40%；Si的刻蚀速度迅速减小，当氢的组分大于40%时，对Si的刻蚀停止。在CF4等离子体中加入适量的氢气，可以增强SiO2/Si刻蚀的选择性。114 微电子工艺基础微电子工艺基础 如果F/C比较高(添加氧气)，其影响倾向于加快刻蚀。如果F/

65、C比较低(添加氢气)，刻蚀过程倾向于形成高分子聚合物薄膜。在CF4等离子体中添加气体成份，影响等离子体内F/C原子比。目前集成电路的干法刻蚀工艺中，通常用CHF3等离子体进行SiO2的刻蚀，加入少量氧来提高刻蚀速度。115 微电子工艺基础微电子工艺基础 8.3 8.3 Si3N4的干法刻蚀的干法刻蚀 在ULSI工艺中，Si3N4的用途主要有两种： 一是在SiO2层上面，通过LPCVD淀积Si3N4，做为氧化或扩散的掩蔽层，不成为器件的组成部分。可以使用CF4等离子刻蚀。 另一种是通过PECVD淀积Si3N4做为器件保护层。这层Si3N4在经过光刻和干法刻蚀之后， Si3N4下面的金属化层露出来

66、，形成器件的压焊点，然后进行测试和封装。可以使用CF4-O2等离子体进行刻蚀。 实际上用于刻蚀SiO2的方法，都可以用来刻蚀Si3N4 。由于Si-N键的结合能介于Si-O键与Si-Si键之间，所以Si3N4的刻蚀速度在刻蚀SiO2和刻蚀Si之间。因此，Si3N4/ SiO2 的刻蚀选择性比较差。116 微电子工艺基础微电子工艺基础 8.4 8.4 多晶硅与金属硅化物的干法刻蚀多晶硅与金属硅化物的干法刻蚀 集成电路中一般采用polycide（多晶硅/难熔金属硅化物）多层栅结构，也称多晶硅化金属。 在MOSFET中，栅极的尺寸控制是决定性能的关键，对刻蚀的各向异性和选择性的要求都很高。 由于多晶

67、硅的刻蚀速度比金属硅化物的刻蚀速度快得多，会造成金属硅化物下方的多晶硅被刻蚀，导致多晶硅化金属对SiO2的附着力下降。 对多晶硅化金属的各向异性刻蚀通常需要分两步进行。首先是对多晶硅上方的金属硅化物进行刻蚀；当上层的金属硅化物完成刻蚀之后，开始刻蚀多晶硅。117 微电子工艺基础微电子工艺基础 目前广泛应用的金属硅化物是WSi2和TiSi2。 对于刻蚀WSi2和TiSi2的情况，氟原子及氯原子都可以与两者反应形成挥发性的化合物(如WF4和WCl4)。 CF4，SF6，Cl2及HCl都可以做为刻蚀金属硅化物的反应气体。 一、刻蚀金属硅化物118 微电子工艺基础微电子工艺基础 采用氟化物等离子体刻蚀

68、多晶硅为各向同性刻蚀，因此，使用氯化物的等离子体对多晶硅进行各向异性的刻蚀。在多晶硅的各向异性刻蚀中主要的反应气体有Cl2，HCl以及SiCl4。 使用Cl2和Cl2-Ar等离子体反应离子刻蚀未掺杂的多晶硅，刻蚀的各向异性度A约为1，而反应离子刻蚀重掺杂的n型多晶硅时，出现了横向刻蚀现象。 使用氯化物的等离子体对多晶硅进行刻蚀，刻蚀对多晶硅/SiO2具有很好的选择性。这样就可以通过过刻来彻底除去多晶硅，不会对下方的二氧化硅造成太大的伤害。溴化物的气体也可以用于多晶硅的各向异性刻蚀。二、刻蚀多晶硅119 微电子工艺基础微电子工艺基础 8.5 8.5 铝及铝合金的干法刻蚀铝及铝合金的干法刻蚀 纯铝

69、的刻蚀比铝合金容易。在刻蚀之前，必须用溅射或化学还原法除去自然氧化层(约30) 。新鲜Al可自发地与Cl或Cl2反应，形成准挥发性的AlCl3。 由于硅可用含氯等离子体刻蚀，A1-Si合金也可在含氯气体中刻蚀，形成挥发性的氯化物。对Al-Cu合金的刻蚀，由于铜不容易形成挥发性卤化物，故刻蚀之后，有含铜的残余物留在硅片上。用高能离子轰击可以去除这类物质，或者用湿法化学处理清除。 金属铝或者合金对SiO2的刻蚀选择性很好，但是由于氯也能刻蚀硅和多晶硅，故铝对硅和多晶硅的选择性较差。 干法刻蚀铝所遇到的另一个问题是刻蚀之后的侵蚀现象。空气中的湿气和含氯的残存物反应，形成HCl，使铝层受到腐蚀。最好的

70、方法是在刻蚀之后，随即在碳氟化合物中将残留氯化物转变为无反应的氟化物。120 微电子工艺基础微电子工艺基础 8.6 8.6 其他材料的干法刻蚀其他材料的干法刻蚀 钼(Mo)、钽(Ta)、钨(W)和钛(Ti)这些金属能形成挥发性氟化物，故可以在含氟的刻蚀剂中进行刻蚀。对SiO2有较高的选择性，但对Si不能进行选择刻蚀。 可在含氯气体中刻蚀包括Cr、Au从和Pt等金属。Au和Pt常用溅射法刻蚀。Cr和V(钒)能形成挥发性很强的氯氧化合物，因此，这两种金属可在氧气及含氯的混合气体中刻蚀， 刻蚀速率强烈地依赖于金属膜的淀积条件和淀积方法。121微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章章章章 光刻

71、工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段2、刻蚀、刻蚀（6）干法刻蚀 等离子体刻蚀（P177）使用气体和等离子体能量来进行化学反应的化学工艺。使用气体和等离子体能量来进行化学反应的化学工艺。原理： 真真空空度度在在1-10-2托托，二二氧氧化化硅硅、氮氮化化硅硅、多多晶晶硅硅的的腐腐蚀蚀气气体体为为氟氟化化物物（如如CF4），高高频频电电场场将将CF4和和氧氧气气的的混混合合气气激激发发成成等等离离子子体体状状态态，在在等等离离子子体体中中的的活活性性物物F、CF等等，与与薄薄膜膜发发生生化化学学反反应应，生成物（生成物（挥发性成分挥发性成

72、分）被真空泵排除。）被真空泵排除。微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段2、刻蚀、刻蚀（6）干法刻蚀 等离子体刻蚀（P178）A：桶形刻蚀机：桶形刻蚀机缺点：刻刻蚀蚀离离子子的的无无方方向向性性，导致各向同性刻蚀。导致各向同性刻蚀。微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段2、刻蚀、刻蚀（6）干法刻蚀 等离子体刻蚀（P178）B：改进的桶形刻蚀机解决方案：用用带带孔孔的的金

73、金属属圆圆桶桶把把晶晶圆圆与与离离子子体体隔隔离开以保护晶圆免于辐射。离开以保护晶圆免于辐射。高高能能等等离离子子体体场场导导致致电电荷荷在在晶晶圆圆表表面面积累。积累。微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段2、刻蚀、刻蚀（6）干法刻蚀 等离子体刻蚀（P178）C：平面等离子体刻蚀机优点：与与桶桶形形刻刻蚀蚀系系统统相相比比更更具具有有方方向向性性，各向异性刻蚀，可得到几乎垂直的边。各向异性刻蚀，可得到几乎垂直的边。有极性的等离子体系统更精确。有极性的等离子体系统更精确。微电子工业

74、基础微电子工业基础 第第第第8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段2、刻蚀、刻蚀（6）干法刻蚀 离子束刻蚀（P181）离子束刻蚀属于物理刻蚀工艺。离子束刻蚀属于物理刻蚀工艺。高高能能电电子子将将氩氩原原子子离离子子化化成成为为带带正正电电荷荷的的高高能能状状态态，氩氩离离子子加加速速向向硅硅片片运运动动轰轰击击硅硅片。片。优点：刻刻蚀蚀非非常常有有方方向向性性（各各向向异异性性），导致良好的小开口区域的精密度。导致良好的小开口区域的精密度。缺点：选择性差，特别对于光刻胶层。缺点：选择性差，特别对于光刻胶层。微电子工业基

75、础微电子工业基础 第第第第8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段2、刻蚀、刻蚀（6）干法刻蚀 反应离子刻蚀（P181）结合等离子体刻蚀和离子束刻蚀的优点。结合等离子体刻蚀和离子束刻蚀的优点。在在系系统统上上与与等等离离子子体体刻刻蚀蚀系系统统相相似似，但但具具有有粒粒子子打打磨磨能能力。力。微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段3、去胶、去胶（1）湿法去胶湿湿法法化化学学液液在在前前线线工工艺艺中中较较受受

76、欢欢迎迎，因因为为表表面面和和MOS栅栅极极暴暴露露并并易易于于受受等等离离子子体损伤。体损伤。氧气等离子体去除光刻胶层的使用正在增加，它主要用于后线工艺中。氧气等离子体去除光刻胶层的使用正在增加，它主要用于后线工艺中。微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段3、去胶、去胶（1）湿法去胶光刻胶去除剂的分类：光刻胶去除剂的分类： 综合去除剂；综合去除剂； 正胶和负胶专用去除剂；正胶和负胶专用去除剂；光刻胶去除剂的应用方向：光刻胶去除剂的应用方向： 表面无金属；表面无金属； 表面有金属；

77、表面有金属；微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段3、去胶、去胶（1）湿法去胶无金属有金属微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段3、去胶、去胶（1）湿法去胶湿法去胶的优点： 工艺成熟工艺成熟 成本有效性好成本有效性好 可有效去除金属离子可有效去除金属离子 属低温工艺，并且免受损伤性辐射属低温工艺，并且免受损伤性辐射微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章章章章 光

78、刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段3、去胶、去胶（1）湿法去胶 无金属表面的湿法去胶机理：氧化机理：氧化去胶方式：硫酸和氧化剂（过氧化氢、硝酸）的溶液。微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段3、去胶、去胶（1）湿法去胶 有金属表面的湿法去胶去胶剂： 酚有机去除剂酚有机去除剂 溶剂胺去除剂溶剂胺去除剂金金属属易易受受侵侵蚀蚀或或氧氧化化，因因此此从从金金属属表表面面去去除除光光刻刻胶胶是是一一个个比比较较困困难难的工作。（

79、教材的工作。（教材P183）微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段3、去胶、去胶（2）干法去胶（灰化）原原理理：在在去去胶胶机机中中通通入入O2，O2被被等等离离子子化化，其其中中的的活活性性物物质质O与与光光刻刻胶胶发发生生化化学学反反应应，胶胶是是有有机机物物，被被氧氧化化生生成成H2O、CO、CO2等等气气体体，被被真真空空泵泵排排除除。（教材（教材P184）微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶

80、段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段3、去胶、去胶（2）干法去胶（灰化）（见教材P184）优点：消除了液体槽和对化学品的操作缺点：对于金属离子的去除没有效果，有一定的辐射损伤主流方案：主流方案： 湿法和干法相结合的方法。湿法和干法相结合的方法。微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺 四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段四、刻蚀去胶阶段3、去胶、去胶（3）离子注入等离子体刻蚀后的去胶（见教材P184）离离子子注注入入后后导导致致强强烈烈的的光光刻刻胶胶聚聚合合并并使使表表层层硬硬化化，这这使使得得光光刻刻胶胶的的去去除除变变得得困困难。难

81、。解决方案：用干法工艺去除和减少光刻胶，然后再加以湿法工艺。用干法工艺去除和减少光刻胶，然后再加以湿法工艺。 微电子工艺基础微电子工艺基础 图解光刻十步法图解光刻十步法137 微电子工艺基础微电子工艺基础 1 1、清洗硅片、清洗硅片、清洗硅片、清洗硅片 Wafer CleanWafer Clean138 微电子工艺基础微电子工艺基础 2 2、预烘和底胶涂覆、预烘和底胶涂覆、预烘和底胶涂覆、预烘和底胶涂覆 Pre-bake and Primer VaporPre-bake and Primer Vapor139 微电子工艺基础微电子工艺基础 3 3、光刻胶涂覆、光刻胶涂覆、光刻胶涂覆、光刻胶涂覆

82、 Photoresist CoatingPhotoresist Coating140 微电子工艺基础微电子工艺基础 4 4、前烘、前烘、前烘、前烘 Soft BakeSoft Bake141 微电子工艺基础微电子工艺基础 5 5、对准、对准、对准、对准 AlignmentAlignment142 微电子工艺基础微电子工艺基础 6 6、曝光、曝光、曝光、曝光ExposureExposure143 微电子工艺基础微电子工艺基础 7 7、后烘、后烘、后烘、后烘 Post Exposure BakePost Exposure Bake144 微电子工艺基础微电子工艺基础 8 8、显影、显影、显影、显影

83、 DevelopmentDevelopment145 微电子工艺基础微电子工艺基础 9 9、坚膜、坚膜、坚膜、坚膜 Hard BakeHard Bake146 微电子工艺基础微电子工艺基础 1010、图形检测、图形检测、图形检测、图形检测 Pattern InspectionPattern Inspection147 微电子工艺基础微电子工艺基础 148 微电子工艺基础微电子工艺基础 149 微电子工艺基础微电子工艺基础 150微电子工业基础微电子工业基础 第第第第8 8章章章章 光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺 五、作业题五、作业题五、作业题五、作业题（1）什么叫做光刻，光刻有何目的？）什么

84、叫做光刻，光刻有何目的？（2）光刻技术的图形转移分为哪两个阶段？光刻技术的图形转移分为哪两个阶段？（3）列出光刻工艺的十个步骤，并简述每一步的目的。列出光刻工艺的十个步骤，并简述每一步的目的。（4）光刻胶的分类，谈谈正胶和负胶的区别。）光刻胶的分类，谈谈正胶和负胶的区别。（5）掩膜版的对准法则，说明对准误差有哪些？）掩膜版的对准法则，说明对准误差有哪些？（6）描述并比较接触式光刻、接近式、投影式、步进式）描述并比较接触式光刻、接近式、投影式、步进式 和电子束光刻。和电子束光刻。（7）刻蚀的方法分类，刻蚀常见有哪些问题？）刻蚀的方法分类，刻蚀常见有哪些问题？（8）湿法刻蚀的特点；说明二氧化硅和铝膜的湿法刻蚀方法。）湿法刻蚀的特点；说明二氧化硅和铝膜的湿法刻蚀方法。（9）描述等离子体刻蚀和干法去胶的原理）描述等离子体刻蚀和干法去胶的原理 微电子工艺基础微电子工艺基础 152