光刻培训

光刻胶的分类
1. 根据光刻胶按照如何响应紫外光的特性可以分为两类：负性光刻胶和 正性光刻胶。 负性光刻胶（Negative Photo Resist）：曝光区域发生交联，难 溶于显影液。特性：良好的粘附能力、良好的阻挡作用、感光速度快； 显影时发生变形和膨胀。所以只能用于2μm 的分辨率。 正性光刻胶（Positive Photo Resist）：曝光区域更加容易溶解 于显影液。特性：分辨率高、台阶覆盖好、对比度好；粘附性差、抗 刻蚀能力差。
2. 根据光刻胶能形成图形的最小光刻尺寸来分：传统光刻胶和化学放大 光刻胶。 传 统 光 刻 胶 。 适 用 于 I 线 （ 365nm ） 、 H 线 （ 405nm ） 和 G 线 （436nm），关键尺寸在0.35μm 及其以上。 化学放大光刻胶（ CAR ， Chemical Amplified Resist ）。适用于 深紫外线（DUV）波长的光刻胶，如KrF（248nm）和ArF（193nm）。
光刻基本知识
4. 光的干涉：波的本质是正弦曲线，任何形式的正弦波只要
具有相同的频率就能相互干涉，即相长相消：相位相同， 彼此相长；相位不同，彼此相消。在曝光的过程中，反射 光与折射光往往会发生干涉，从而降低了图形特征复制的 分辨率。
5. 调制传输函数（MTF, Modulation Transfer Function ）。 用于定义明暗对比度的参数。即分辨掩膜板上明暗图形的 能 力 ， 与 光 线 的 衍 射 效 应 密 切 相 关 。 MTF=(ImaxImin)/(Imax+Imin) ，好的调制传输函数，就会得到更加 陡直的光刻胶显影图形，即有高的分辨率。临界调制传输 函数（CMTF,Critical Modulation Transfer Function）。 主要表征光刻胶本身曝光对比度的参数。即光刻胶分辨透 射光线明暗的能力。一般来说光路系统的调制传输函数必 须大于光刻胶的临界调制传输函数，即MTF>CMTF。
光刻胶
光刻胶是一种有机化合物，受紫外曝光后，在显影溶 液中的溶解度会发生变化。晶片制造中所用的光刻胶通常 以液态涂在硅片表面，而后被干燥成胶膜。
光刻胶的物理特性参数：
1. 分辨率（resolution）。区别硅片表面相邻图形特征的能力。一般用 关键尺寸（CD，Critical Dimension）来衡量分辨率。形成的关键尺 寸越小，光刻胶的分辨率越好。 2. 对比度（Contrast）。指光刻胶从曝光区到非曝光区过渡的陡度。对 比度越好，形成图形的侧壁越陡峭，分辨率越好。 3. 敏感度（Sensitivity ）。光刻胶上产生一个良好的图形所需一定波 长光的最小能量值（或最小曝光量）。单位：毫焦/平方厘米或 mJ/cm2 。光刻胶的敏感性对于波长更短的深紫外光（ DUV ）、极深紫 外光（EUV）等尤为重要。 4. 粘滞性/黏度（Viscosity）。衡量光刻胶流动特性的参数。粘滞性随 着光刻胶中的溶剂的减少而增加；高的粘滞性会产生厚的光刻胶；越 小 的 粘 滞 性 ， 就 有 越 均 匀 的 光 刻 胶 厚 度 。 光 刻 胶 的 比 重 （ SG ， Specific Gravity）是衡量光刻胶的密度的指标。它与光刻胶中的固 体含量有关。较大的比重意味着光刻胶中含有更多的固体，粘滞性更 高、流动性更差。粘度的单位：泊（ poise ），光刻胶一般用厘泊 （cps，厘泊为1%泊）来度量。
光刻机的光源：
光刻是光源发出的光通过掩膜板和透镜系统照射到光刻胶的特定 部分并使之曝光，以实现图形的复制和转移。波长越小、得到的图形 分辨率越高。曝光光源的另外一个重要参数就是光的强度。光强定义 为单位面积上的功率（mW/cm2），该光强应在光刻胶表面测量。光强 也可以被定义为能量：单位面积上的光亮或亮度。曝光能量（剂量） ＝曝光强度×曝光时间，单位：毫焦每平方厘米（mJ/cm2）。 常见光源有：汞灯和准分子激光。另外，在先进或某些特殊场合 也会用到其他曝光手段，如X 射线、电子束和粒子束等。 汞灯（Mercury Lamp）：波长处于240nm～500nm 之间的紫外辐 射光谱，在使用汞灯作光源时，需要利用一套滤波器去除不需要的波 长和红外波长。主要波长为： I 线（ 365nm ）、 H 线（ 405nm ）和 G 线 （436nm），关键尺寸在0.35μm及其以上。 准分子激光（Excimer Laser）：常见的准分子激光光源为248nm 的KrF（用于关键尺寸大于 0.13μm 的图形）和 193nm的ArF（用于关 键尺寸大于0.08μm 的图形）。
光刻基本知识
6. 数值孔径（NA, Numerical Aperture）。透镜收集衍射光（聚光）的 能力。一般来说NA 大小为0.5－0.85。提高数值孔径的方法：提高介 质折射率n，采用水代替空气；增大透镜的半径； 7. 分辨率（Resolution）。区分临近最小尺寸图形的能力。提高分辨率 的方法：减小光源的波长、采用高分辨率的光刻胶、增大透镜半径、 采用高折射率的介质，即采用浸入式光刻技术、优化光学棱镜系统以 提高k（0.4-0.7）值（k 是标志工艺水平的参数）； 8. 焦深（DOF，Depth of Focus ）。表示焦点周围的范围，在该范围内 图像连续地保持清晰。焦深是焦点上面和下面的范围，焦深应该穿越 整个光刻胶层的上下表面，这样才能够保证光刻胶完全曝光。增大焦 深的方法：增大光源的波长、采用小的数值孔径、利用CMP 进行表面 平坦化。由于前两种方法会降低分辨率，而分辨率是芯片制造所努力 提升的重要参数，因此我们需要在看上去相互矛盾的两个方面做出某 种平衡。一般在保证基本的焦深要求下不降低分辨率，即以分辨率为 主。所以，现在一般采用CMP平坦化技术保证足够的焦深。
表面处理
晶圆容易吸附潮气到它的表面。光刻胶黏附要求要严 格的干燥表面，所以在涂胶之前要进行脱水烘焙和黏 附剂的涂覆。脱水烘焙的温度通常在140度到200度之 间。有时还要用到黏附剂，黏附剂通常使用HMDS（六 甲基二硅胺脘）。表面处理的主要作用是提高光刻胶 与衬底之间的粘附力，使之在显影过程中光刻胶不会 被液态显影液渗透。
是否要使用黏附剂要根据图形大小、衬底及光刻胶的种类来 决定，HMDS 可以用浸泡、喷雾和气相方法来涂覆。
旋转涂胶（Spin-on PR Coating）
滴胶——加速旋转——甩胶——溶剂挥发
旋转涂胶（Spin-on PR Coating） 方法：
a、静态涂胶（Static）：衬底片静止时，滴胶、加速旋转、甩胶、挥发 溶剂； b 、 动 态 （ Dynamic ） ： 低 速 旋 转 （ 500rpm ） 、 滴 胶 、 加 速 旋 转 （≥3000rpm）、甩胶、挥发溶剂。
涂胶工艺标准配置
AZ 1500
手动涂胶（4英寸基片向下兼容，7000 rpm） 热板（250 C）
前烘（软烘）
目的是蒸发掉胶中的有机溶剂成分，使晶圆表面的胶固化 （除去溶剂 4-7% ，胶厚大约减少 25% ）；增强黏附性；释 放光刻胶膜内的应力；防止光刻胶玷污设备；。
AZ 1500 — 100 C，50 s
光刻基本知识
光学基础：
1.光的反射：光射到任何表面时都会发生反射。在曝光时， 入射光可能会在衬底表面发生反射，使不希望衬曝光的光 刻胶被曝光，从而造成图形复制的偏差。如反射过强，需 要用抗反射涂层来改善。 2.光的折射：光通过一种透明介质进入到另入到另一种透明 介质的时候，发生方向的改变。 3.光的衍射：光在传播过程中遇到障碍物（小孔或者轮廓分 明的边缘）时，会发生光传播路线的改变。曝光的时候， 掩膜板上有尺寸很小的图形而且间距很窄。衍射会使光部 分发散，导致光刻胶上不需要曝光的区域被曝光。衍射现 象会造成分辨率的下降。
光刻基本工艺流程
旋转涂胶 对准和曝光 显影
清洗 衬底清洗烘干（Cleaning and Pre-Baking）
方法：湿法清洗＋去离子水冲洗＋脱水烘焙（热板 150-250℃,1-2分钟，必要时氮气保护） 目的： a 、除去表面的污染物（颗粒、有机物、工艺 残余、可动离子）； b 、除去水蒸气，使基底表面由亲水 性变为疏水性。
胶液未涂满衬底

涂胶前静止时间过长 匀胶机转速或加速度 过高 基片或胶中有颗粒
滴胶量不足
匀胶加速度不合适
针孔
Hale Waihona Puke Baidu
中心漩涡图案
旋涂时间过长
光刻胶里有小颗粒 或气泡 基片上有小颗粒
胶膜常见问题2
如衬底图形台面过高，要考虑 到在台面上的光刻胶要薄与实 际希望的匀胶厚度（这会影响 到后步工艺） 匀胶后在衬底边缘处会形成较 厚的边（这会影响到光刻的图 形精度）。可在涂胶过程中加 入去边及背喷工艺 光表面反射对图形的影响 ( 反 射切口效应)
前烘（软烘）注意事项
3、掩膜板的损伤和污染 掩膜板是光刻复制图形的基准和蓝本，掩膜板上的任何缺陷都会对 最终图形精度产生严重的影响。所以掩膜板必须保持“完美”。 使用掩膜板存在许多损伤来源：掩膜板掉铬；表面擦伤，需要轻拿 轻放；另外，不能用手触摸掩膜板；严防灰尘颗粒，在掩膜板盒打开的 情况下，不准进出光刻间等。
光刻基本知识
掩膜板/光罩
1、掩膜板的分类： (1) 光掩膜板（ Photo Mask ）包含了整 个衬底片的芯片图形特征，进行 1 ： 1 图形复制。该掩膜板用于接近式光刻 和扫描对准投影机中; (2)投影掩膜板（Reticle）。只包含衬 底片上的一部分图形（例如四个芯 片），一般为缩小比例（一般为 4 ： 1）。需要步进重复来完成整个硅片的 图形复制。 投影掩膜板的优点：投影掩膜板的 特征尺寸较大（4×），掩膜板制造更 加容易；掩膜板上的缺陷会缩小转移 到硅片上，对图形复制的危害减小； 使曝光的均匀度提高。
光刻工艺技术培训
微结构国家实验室微加工中心
二〇一二年三月
光刻培训流程
理论培训
上机培训 上机实习
目
录
光刻基本知识 基本工艺流程及常见问题
光刻基本知识
光刻是什么？
光刻的本质是把制作在掩膜版上 的图形复制到以后要进行刻蚀和离 子注入的衬底上。其原理与照相相 似，不同的是基片或衬底与光刻胶 代替了照相底片与感光涂层。 要得到良好的光刻图形，要求光 刻机具有高的分辨率、光刻胶具有 高的光学敏感性、准确地对准和低 的缺陷密度。
LED光刻版
2、掩膜板的制造： 掩膜板的基材一般为熔融石英（ quartz ），这种材料对深紫外光 （DUV，KrF-248nm，ArF-193nm）具有高的光学透射，而且具有非常低的 温度膨胀和低的内部缺陷。 掩膜板的掩蔽层一般为铬（Cr）。在基材上面溅射一层铬，铬层的 厚度一般为800-1000埃。
5. 粘附性（Adherence ）：表征光刻胶粘着于衬底的强度。光刻胶的粘 附性不足会导致硅片表面的图形变形。光刻胶的粘附性必须经受住后 续工艺（刻蚀、离子注入等）。 6. 抗蚀性（Anti-etching）。光刻胶必须保持它的粘附性，在后续的刻 蚀工序中保护衬底表面。耐热稳定性、抗刻蚀能力和抗离子轰击能力。 7. 表面张力（Surface Tension ）。液体中将表面分子拉向液体主体内 的分子间吸引力。光刻胶应该具有比较小的表面张力，使光刻胶具有 良好的流动性和覆盖。 8. 存储和传送（Storage and Transmission）。能量（光和热）可以激 活光刻胶。应该存储在密闭、低温、不透光的盒中。同时必须规定光 刻胶的闲臵期限和存贮温度环境。一旦超过存储时间或较高的温度范 围，负胶会发生交联，正胶会发生感光延迟。
决定光刻胶涂胶厚度的关键参数：
光刻胶的黏度（Viscosity）：黏度越低，光刻胶的厚度越薄； 旋转速度，速度越快，厚度越薄；
影响光刻胶厚度均匀性的参数：
旋转加速度，加速越快越均匀；与旋转加速的时间点有关。
胶膜常见问题1
表面出现气泡
滴胶时滴管中有气泡
中心圆晕
托盘不合适
放射状条纹