现代集成电路制造工艺原理
第七章 光刻
Photolithography
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光刻是IC制造业中最为重要的一道工艺, 占据了芯片制造中大约一半的步骤.光刻 占所有成本的35%通常可用光刻次数及所需掩模的个数来表示某生产 工艺的难易程度。 一个典型的硅集成电路工艺包括15-20块掩膜版
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集成电路的特征尺寸是否能够进一步 减小，也与光刻技术的进一步发展有密切的 关系。 通常人们用特征尺寸来评价一个集成 电路生产线的技术水平。所谓特征尺寸(CD:characteristic dimension) 是指设计的多晶硅栅长，它标志了器件工艺的总 体水平，是设计规则的主要部分。通常我们所说的0.13 m,0.09 m工艺就是 指的光刻技术所能达到最小线条的工艺。3
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光刻的定义光刻是一种图形复印和化学腐蚀相结合的精 密表面加工技术。用照相复印的方法将掩模 版上的图案转移到硅片表面的光刻胶上，以 。 实现后续的有选择刻蚀或注入掺杂光刻的目的：光刻的目的就是在二氧化硅或金属薄膜上面刻蚀出与掩膜版完全对应的几何图形，把掩模版 上的图形转换成晶圆上的器件结构,从而实现选择性扩 散和金属薄膜布线的目的。
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两次图形转移：掩模板图形转移到光刻胶层(光刻)
光刻胶层到晶圆层(刻蚀)5
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光刻的要求对光刻的基本要求： (1)高分辨率 (2)高灵敏度 (3)精密的套刻对准 (4)大尺寸硅片上的加工 (5)低缺陷
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1. 高分辨率分辨率是将硅片上两个邻近的特征图形区分开来的 能力，即对光刻工艺中可以达到的最小光刻图形尺 寸的一种描述，是光刻精度和清晰度的标志之一。 随着集成电路的集成度提高，加工的线条越来越细， 对分辨率的要求也越来越高。 通常以每毫米内能刻蚀出可分辨的最多线条数目来 表示。
R= 1/2L(线宽和线与线间空白宽度均为L)
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2.高灵敏度 灵敏度是指光刻胶感光的速度。为了提高 产量,要求光刻周期越短越好，这就要求曝 光时间越短越好，也就要求高灵敏度。 3.精密的套刻对准 集成电路制作需要十多次甚至几十次光 刻，每次光刻都要相互套准。 由于图形的特征尺寸在亚微米数量级上， 因此，对套刻要求很高。要求套刻误差 在特征尺寸的10%左右。8
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4.大尺寸硅片的加工 提高了经济效益 但是要在大面积的晶圆上实现均匀的胶膜涂覆， 均匀感光，均匀显影，比较困难 高温会引起晶圆的形变，需要对周围环境的温度 控制要求十分严格，否则会影响光刻质量 5.低缺陷 缺陷会使电路失效，因此应该尽量减少缺陷
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7.1 关于光致抗蚀剂光刻胶又称光致抗蚀剂(Photo-Resist) ,根 据光刻胶在曝光前后溶
解特性的变化，有
正光刻胶(Positive optical resist) 负光刻胶(Negative optical resist)
Resists are organic polymers that are spun onto wafers and prebaked to produce a film 0.5 - 1 m thick.
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正性光刻胶-Positive Optical Resist正胶的光化学性质是从抗 溶解到可溶性。 正胶曝光后显影时感光的 胶层溶解了。 现有VLSI工艺都采用正胶
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正胶机制曝光使感光材料 (PAC)中分子裂解， 被裂解的分子在显 影液中很易溶解， 从而与未曝光部分 形成强烈反差。
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负性光刻胶 Negative Optical resist
负胶的光学性能是从可溶 解性到不溶解性。 负胶在曝光后发生交链作 用形成网络结构，在显影 液中很少被溶解，而未被 曝光的部分充分溶解。
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小结：正性和负性光刻胶正性光刻胶受光或紫外线照射后感光的部分发 生光分解反应，可溶于显影液，未感光的部分显 影后仍然留在晶圆的表面 负性光刻胶的未感光部分溶于显影液中，而感 光部分显影后仍然留在基片表面。
正胶：曝光前不可溶，曝光后 负胶：曝光前
可溶
可溶，曝光后不可溶
光刻胶对大部分可见光敏感，对黄光不敏感。 因此光刻通常在黄光室(Yellow Room))内进行。14
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正光阻
負光阻
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负胶
正胶
IC主导
正胶分辨率高于负胶16
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光刻胶的组成材料光刻胶由4种成分组成： 树脂(聚合物材料) 感光剂 溶剂 添加剂(备选)
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树脂树脂是一种惰性的聚合物，包括碳、氢、氧的有机高 分子。用于把光刻胶中的不同材料聚在一起的粘合剂。 对负性胶，聚合物曝光后会由非聚合状态变为聚 合状态。在大多数负性胶里面，聚合物是聚异戊二烯类 型。是一种相互粘结的物质--抗刻蚀的物质，如图所 示。CH CH
CH×× × ×× × × × ×× 未聚合的
能量
双键CH (a)
聚合的
(b)
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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。邻位 ( 2 和 6 )
间位 ( 3 和 4 )对位( 4 )
间甲 酚
甲醛
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
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树脂
固体有机材料(胶膜的主体) UV曝光后发生光化学反应，溶解性质发生改变 正胶从不可溶到可溶 负胶从可溶到不可溶
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光刻胶中的感光剂是光刻胶材料中的光敏 成分。即对光能发生化学反应。 如果聚合物中不添加感光剂，那么它对光 的敏感性差，而且光谱范围较宽，添加特 定的感光剂后，可以增加感光灵敏度，而 且限制反应光的光谱范围，或者把反应光 限制在某一波长的光。