第四章 光刻.

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1、半导体光电器件制造技术半导体光电器件制造技术第四章第四章 光光 刻刻 4.1 光光 刻刻 胶的基本属性胶的基本属性 4.2 光光 刻刻 工工 艺艺 前言前言 4.3 光光 刻刻 中的中的 常常 见见 问问 题题 4.4 曝曝 光光 技技 术术 简简 介介前言前言光刻光刻是集成电路是集成电路(IC(IC :integrated :integrated circuit)circuit)工艺中的关键技术，其构想源工艺中的关键技术，其构想源于照相中复印技术，如果把掩膜版看成于照相中复印技术，如果把掩膜版看成照相的底片，那么光刻就相当于在晶片照相的底片，那么光刻就相当于在晶片表面上复印掩膜版图形。表面上

2、复印掩膜版图形。 自自19591959年美国科学家年美国科学家罗伯特罗伯特诺伊斯诺伊斯（集成电路之父，（集成电路之父，IntelIntel创始人之一）发明硅单片创始人之一）发明硅单片ICIC至今的至今的5050多年里，多年里，ICIC的集的集成度不断提高，器件的特征尺寸不断减小，这主要归功于成度不断提高，器件的特征尺寸不断减小，这主要归功于光刻技术光刻技术的进步。的进步。Robert Noyce 1927-1990前言前言 通常可用光刻次数及所需掩模的个数来表示某生产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工艺的难易程度，一个典型的硅集成电路工艺

3、包括15152525块掩膜版块掩膜版。硅片硅片ICIC制造工艺中，光刻占所有成本的制造工艺中，光刻占所有成本的35%35%。1um前言前言 光光刻是采用照相复印的刻是采用照相复印的方法，将事先制好的光刻版方法，将事先制好的光刻版上的图形精确地、重复地印上的图形精确地、重复地印在涂有感光胶的在涂有感光胶的SiO2层层或金或金属层属层上，然后利用光刻胶的上，然后利用光刻胶的选择性保护作用，对选择性保护作用，对SiO2层层或金属层或金属层进行选择性化学腐进行选择性化学腐蚀，从而在蚀，从而在SiO2 层层或金属层或金属层刻出与光刻版相应的图形。刻出与光刻版相应的图形。光刻示意图光刻示意图硅硅掩膜版掩膜

4、版感光胶感光胶氧化层氧化层硅硅感光胶感光胶氧化层氧化层硅硅氧化层氧化层前言前言平面晶体管制造工艺中的四次光刻平面晶体管制造工艺中的四次光刻硅硅氧化层氧化层氧化氧化一次光刻一次光刻基极基极基极扩散基极扩散发射极发射极二次光刻二次光刻发射极扩散发射极扩散四次光刻四次光刻金属金属铝蒸发铝蒸发三次光刻三次光刻前言前言1. 1. 光刻定义：光刻定义：光刻是一种图形复印和化学腐蚀相结合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。的精密表面加工技术。2. 2. 光刻目的：光刻目的：在二氧化硅或金属薄膜上面刻蚀出与掩膜版完全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

5、形转换成晶片上的器件结构，对应的几何图形，把掩模版上的图形转换成晶片上的器件结构， 从而实现选择性扩散和金属薄膜布线。从而实现选择性扩散和金属薄膜布线。3. 3. 光刻基本要求：光刻基本要求： 高分辨率高分辨率 高灵敏度高灵敏度 精密的套刻对准精密的套刻对准 低缺陷低缺陷前言前言 高灵敏度高灵敏度 灵敏度是指光刻胶感光的速度。在保证光刻质量的前提下，为了灵敏度是指光刻胶感光的速度。在保证光刻质量的前提下，为了提高产量，曝光时间越短越好，这就要求光刻胶具有高灵敏度。提高产量，曝光时间越短越好，这就要求光刻胶具有高灵敏度。 高分辨率高分辨率 分辨率是指将分辨率是指将晶片晶片上两个邻近的特征图形区分

6、开来的能力，即对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。度和清晰度的标志之一。 分辨率又可表示为每毫米内能刻蚀出等距可分辨的最多线条数。分辨率又可表示为每毫米内能刻蚀出等距可分辨的最多线条数。 如线宽和间距均为如线宽和间距均为1um, R为为500条。条。 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。的要求也越来越高。R= 1/2L （L为线条宽度）为线条宽度）前言前言 精密的套

7、刻对准精密的套刻对准 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。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很高。要求套刻误差在特征尺寸的1010左右。左右。l 通常人们用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。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（所谓特征尺寸（CD：characteristic dimension）是指设计的）是指设计的 线条宽度线条宽度,它标志了器件工艺的总体水平，是设

8、计规则的主它标志了器件工艺的总体水平，是设计规则的主 要要 部分。通常我们所说的部分。通常我们所说的0.13 m，0.09 m工艺指的是光刻技术工艺指的是光刻技术 所能达到最小线条的工艺。所能达到最小线条的工艺。前言前言光刻简介光刻简介 低缺陷低缺陷 光刻缺陷会使电路失效，因此应该尽量减少缺陷。光刻缺陷会使电路失效，因此应该尽量减少缺陷。n 光刻胶光刻胶n 掩膜版掩膜版n 光刻机光刻机4. 4. 光刻三要素：光刻三要素：4.1 4.1 光刻胶光刻胶二、光刻胶须具备的特征二、光刻胶须具备的特征1.1. 能方便的涂覆以形成连续的薄膜，并和衬底表面（能方便的涂覆以形成连续的薄膜，并和衬底表面（SiO

9、SiO2 2或金属或金属蒸发层）能很好地粘附；蒸发层）能很好地粘附；2.2. 分辨率高，图像线条清晰；分辨率高，图像线条清晰；3.3. 对一定波长的光（如紫外线），有较强的光敏性；对一定波长的光（如紫外线），有较强的光敏性；4.4. 对所用的腐蚀液有足够的抗蚀能力；对所用的腐蚀液有足够的抗蚀能力；5.5. 光照后，显影液对需溶物能够全部溶解，不留残渣；光照后，显影液对需溶物能够全部溶解，不留残渣；6.6. 性能稳定，即光刻胶不应有暗光反应。性能稳定，即光刻胶不应有暗光反应。 光刻胶又称光致抗蚀剂光刻胶又称光致抗蚀剂(Photo-Resist) (Photo-Resist) ，是光刻工艺的核心，

10、是光刻工艺的核心，其质量的优劣对光刻有很大的影响，所以必须选择和配置比较理想的其质量的优劣对光刻有很大的影响，所以必须选择和配置比较理想的光刻胶。光刻胶。一、光刻胶使用的目的一、光刻胶使用的目的1.1. 将掩膜版的图形转移到晶片表面的氧化层或金属蒸发层中；将掩膜版的图形转移到晶片表面的氧化层或金属蒸发层中；2.2. 在后续工艺（刻蚀、离子注入）中保护其下面的材料。在后续工艺（刻蚀、离子注入）中保护其下面的材料。4.1 4.1 光刻胶光刻胶1、正光刻胶正光刻胶n所谓正胶是指在光照下，胶所谓正胶是指在光照下，胶发生分解，变成可溶于显影发生分解，变成可溶于显影液的那类光刻胶。液的那类光刻胶。n正胶的

11、感光区域在显影时可正胶的感光区域在显影时可以溶解，而未感光区域在显以溶解，而未感光区域在显影时不溶解。因此，所形成影时不溶解。因此，所形成的光刻胶图形是掩模板图形的光刻胶图形是掩模板图形的正映像。的正映像。三、光刻胶的分类三、光刻胶的分类 根据光刻胶在曝光前后溶解特性的变化，可分为正光刻胶（正胶）根据光刻胶在曝光前后溶解特性的变化，可分为正光刻胶（正胶）和负光刻胶（负胶）。和负光刻胶（负胶）。4.1 4.1 光刻胶光刻胶2、负光刻胶、负光刻胶n所谓负胶是指在光照下，胶发生交联聚合反应，变成不溶于显所谓负胶是指在光照下，胶发生交联聚合反应，变成不溶于显影液的那类光刻胶。影液的那类光刻胶。n负胶的