*1第8章光刻工藝概述8.1光刻技術的開展8.2光刻工藝流程8.3光刻技術

*28.1光刻技術的開展8.1.1集成電路制造工藝流程回憶2、將硅片進行拋光以除去硅片外表的劃傷和其它雜質，制備成一片近乎完整的硅襯底片。1、將一個純度為99.9999%的硅單晶棒切成硅片。

*38.1光刻技術的開展3、將硅片進行化學處理以便制備可以控制晶體管電流的源區和漏區。在硅片上涂上一層稱為感光膠的光敏性材料膜。

*48.1光刻技術的開展4、對涂有感光膠的硅片，用分步重復曝光機的設備，通過掩膜板進行重復曝光。它能將芯片圖形分步重復的曝光在整個硅片上。這種重復曝光過程與復印負性照片的過程相似。在顯影過程中曝過光的區域感光膠留了下來，未曝過光的膠層被去除掉了。

*58.1光刻技術的開展５、摻雜雜質的原子如硼、砷等可以用注入技術來摻雜入硅原子中去，然后用熱退火的方法使注入離子“活化〞。感光膠層能阻擋雜質離子的注入，離子注入后的膠層可以用移膠的方法把它去掉，當要在硅片的其它區域摻雜別的雜質時，可以重復使用離子注入工藝。在隨后的幾道工藝中，還會屢次用圖形制備工藝〔光刻工藝〕，但感光膠層這時可用作腐蝕掩膜用。

*68.1光刻技術的開展6、下一步是制備晶體管的柵極、淀積SiO2層并使之圖形化〔形成柵氧化層〕之后淀積多晶硅和重摻雜多晶硅層，形成多晶硅柵。多晶硅柵對源區和漏區之間流動的電流起到象水龍頭那樣的“開〞和“關〞的作用。

*78.1光刻技術的開展7、制備工藝的其它局部是將晶體管的柵極、源極、漏極之間和對其它元件、對外部的連線用金屬膜作連線將它們連起來。二氧化硅層是一種介質層，也是一種絕緣層，是用化學汽淀積(CVD)方法形成的，在CVD方法中所含某種材料的原子與淀積的受熱硅片的外表發生反響，形成某種材料的固體薄膜。PVD又稱濺射技術，是氣體離子受電場加速并轟擊靶材，使它的原子脫離靶材并濺落和積累在硅片上。

*88.1光刻技術的開展8、第3、4和5步工藝會反復屢次使用，使SiO2層、金屬層和其它材料層形成圖形，以往成完整的電路設計。金屬層〔通常是鋁和銅〕是用CVD或PVD方法淀積的，經曝光光刻、腐蝕等工藝后形成薄的金屬連線。對于復雜的芯片有時還要求用多金屬層和通常所稱的通孔進行垂直連線來形成復雜的芯片連線。

*98.1光刻技術的開展9、對于圖形矩陣的硅片進行適當的切割、壓焊，即成了封裝好的芯片。引出適合的電學外引線。

*108.1光刻技術的開展8.1.2光刻技術根本原理光刻是現代IC制造業的基石，它能在硅片襯底上印制出亞微米尺寸的圖形。

根本原理：將對光敏感的光刻膠旋涂在晶圓上，在外表形成一層薄膜，同時使用光刻版，版上包含著所要制作的特定層的圖形信息，光源透過光刻版照射到光刻膠上，使得光刻膠選擇性的曝光；接著對光刻膠顯影，于是就完成了從版到硅片的圖形轉移。另外，剩余的光刻膠可以在下面的過程中，刻蝕或離子技術中，充當掩蔽層。

*118.1光刻技術的開展超大規模集成電路及SoC對光刻技術的要求高分辨率隨著集成電路集成度的不斷提高，加工的線條越來越精細。在保證一定成品率前提下刻蝕出的最細光刻線條稱為特征尺寸，特征尺寸反映了光刻水平的上下，同時也是集成電路生產線水平的重要標志。

*128.1光刻技術的開展高靈敏度的光刻膠

光刻膠的靈敏度通常是指光刻膠的感光速度。在集成電路工藝中，為了提高產品產量，希望曝光速度越快越好。

*138.1光刻技術的開展低缺陷一般集成電路的加工需要幾十步甚至上百步工序，而在其中光刻大概要占10~20次，每次光刻都要盡量防止缺陷。對大尺寸晶圓的加工大尺寸的晶圓對光刻技術要求更為苛刻。

*148.1光刻技術的開展精密的套刻對準因為最終的圖形是用多個掩膜版按照特定的順序在晶圓外表一層一層疊加建立起來的。圖形定位的要求就好似是一幢建筑物每一層之間所要求的正確對準。如果每一次的定位不準，將會導致整個電路失效。

*15PMOSFETNMOSFETCrosssectionofCMOSinverterTopviewofCMOSinverterThemaskinglayersdeterminetheaccuracybywhichsubsequentprocessescanbeperformed.Thephotoresistmaskpatternpreparesindividuallayersforproperplacement,orientation,andsizeofstructurestobeetchedorimplanted.Smallsizesandlowtolerancesdonotprovidemuchroomforerror.

*168.2根本光刻工藝流程圖形轉移通過兩步完成。首先，圖形被轉移到光刻膠層。光刻膠經過曝光后自身性質和結構發生變化〔由原來的可溶性物質變為非可溶性物質，或者相反〕。再通過化學溶劑〔顯影劑〕把可以溶解的局部去掉，在光刻層下就會留下一個孔，而這個孔就是和掩膜版不透光的局部相對應

*178.2根本光刻工藝流程其次，把圖形從光刻膠層轉移到晶圓上。這一步是通過不同的刻蝕方法把晶圓上沒有被光刻膠保護的局部的薄膜層去掉。這時圖形轉移就徹底完成了。如下圖。

*184:1Reticle1:1Mask投影掩模版(Reticle):石英板，包含了在晶圓上重復生成的圖形。由一個晶體管或多個晶體管組成。光掩模版〔Mask〕，也是石英板，包含了對于整塊硅片某一工藝層上所有晶體管加工信息。

*19LinewidthSpaceThicknessSubstratePhotoresist

*208.2根本光刻工藝流程如果掩膜版的圖形是由不透光的區域決定的，稱其為亮場掩膜版；而在一個暗場掩膜版中，掩膜版上的圖形是用相反的方式編碼的，如果按照同樣的步驟，就會在晶圓外表留下凸起的圖形〔？〕。暗場掩膜版主要用來制作反刻金屬互聯線。

*21亮場掩模版和暗場掩模版Simulationofcontactholes(positiveresistlithography)Simulationofmetalinterconnectlines(positiveresistlithography)ClearFieldMaskDarkFieldMask

*228.2根本光刻工藝流程剛剛介紹了對光有負效應的光刻膠，稱為負膠。同樣還有對光有正效應的光刻膠，稱為正膠。用正膠和亮場掩膜版在晶圓外表建立凸起圖形的情況如下圖。右圖顯示了用不同極性的掩膜版和不同極性的光刻膠相結合而產生的結果。通常是根據尺寸控制的要求和缺陷保護的要求來選擇光刻膠和掩膜版極性的。

*23UltravioletlightIslandAreasexposedtolightbecomecrosslinkedandresistthedeveloperchemical.Resultingpatternaftertheresistisdeveloped.WindowExposedareaofphotoresistShadowonphotoresistChromeislandonglassmaskSiliconsubstratePhotoresistOxidePhotoresistOxideSiliconsubstrate負性光刻

*24正性光刻photoresistsiliconsubstrateoxideoxidesiliconsubstratephotoresistUltravioletlightIslandAreasexposedtolightaredissolved.Resultingpatternaftertheresistisdeveloped.ShadowonphotoresistExposedareaofphotoresistChromeislandonglassmaskWindowSiliconsubstratePhotoresistOxidePhotoresistOxideSiliconsubstrate

*25正性光刻和負性光刻的區別負性光刻：產生和掩模版相反的圖形正性光刻：產生和掩模版相同的圖形DesiredphotoresiststructuretobeprintedonwaferWindowSubstrateIslandofphotoresistQuartzChromeIslandMaskpatternrequiredwhenusingnegativephotoresist(oppositeofintendedstructure)Maskpatternrequiredwhenusingpositivephotoresist(sameasintendedstructure)

*268.2根本光刻工藝流程八步根本的光刻工藝

*278)Developinspect5)Post-exposurebake6)Develop7)HardbakeUVLightMask

4)AlignmentandExposureResist2)Spincoat3)Softbake1)VaporprimeHMDS

*28光刻軌道系統

*298.3光刻技術8.3.1外表準備為確保光刻膠能和晶圓外表很好粘結，必須進行外表處理，包括三個階段：微粒去除、脫水和涂底膠。

*308.3光刻技術微粒去除雖然光刻前的每一步工藝〔氧化、摻雜等〕都是在清潔區域完成的，但晶圓外表有可能吸附一些顆粒狀的污染物，所以必須給以去除。微粒去除方法見以下圖

*31Resistliftoff

*328.3光刻技術脫水烘焙經過清潔處理后的晶圓外表可能會含有一定的水分〔親水性外表〕，所以必須脫水烘焙使其到達清潔枯燥〔憎水性外表〕，以便增加光刻膠和晶圓外表的黏附能力。

*338.3光刻技術保持憎水性外表通常通過下面兩種方法：一是保持室內溫度在50℃以下，并且在晶圓完成前一步工藝之后盡可能快的進行涂膠。另一種方法是把晶圓存儲在用枯燥并且干凈的氮氣凈化過的枯燥器中。

*348.3光刻技術除此之外，通過加熱也可以使晶圓外表恢復到憎水外表。有三種溫度范圍：150～200℃〔低溫〕，此時晶圓外表會被蒸發。到了400℃〔中溫〕時，與晶圓外表結合較松的水分子會離開。當超過750℃〔高溫〕時，晶圓外表從化學性質上講恢復到了憎水性條件。通常采用低溫烘焙，原因是操作簡單。

*358.3光刻技術涂底膠涂底膠的目的是進一步保證光刻膠和晶圓外表的粘結能力。底膠的選擇必須保證一個很好的黏附和平滑的外表。底膠的作用是從化學上把晶圓外表的水分子系在一起，因此增加了外表的黏附能力。方法有：沉浸式旋轉式蒸汽式各有優缺點，使用時根據具體情況選擇。

*368.3光刻技術一般的材料：六甲基乙硅氮烷〔hexa-methyl-disilazane,簡稱HMDS〕。以SiO2為例，HDMS的作用是去掉其外表的-OH基。HMDS首先與外表的水反響，生成氣態的NH3和O2,形成脫水外表，然后在加熱的情況下和O2反響，形成三甲基甲硅烷〔Si[CH3]3〕的氧化物，附著在SiO2外表，形成疏水外表

*378.3光刻技術六甲基二硅亞胺HMDS反響機理SiO2SiO2OHOH＋(CH3)3SiNHSi(CH3)3O-Si(CH3)3O-Si(CH3)3+NH3

*38ProcessSummary:晶圓放置在真空工藝腔內大致5ml光刻膠慢速旋轉~500rpm逐漸增至~3000to5000rpm注意控制:timespeedthicknessuniformityparticlesanddefectsVacuumchuckSpindleconnectedtospinmotorTovacuumpumpPhotoresistdispenser

*39WaferExhaustHotplateChambercoverProcessSummary:在帶有抽氣的密閉腔內去濕烘焙六甲基二硅胺脘(HMDS)清洗并干燥硅片表面Temp~200to250

CTime~60sec.

*408.3光刻技術8.3.2涂光刻膠目的是在晶圓外表建立薄而均勻并且沒有缺陷的光刻膠膜。要做到這一點必須用精良的設備和嚴格的工藝控制才能到達。厚度：0.5～1.5μm，均勻性：±0.01μm常用方法：旋轉涂膠法分手動，半自動，全自動

*418.3光刻技術靜態涂膠工藝首先把光刻膠通過管道堆積在晶圓的中心，堆積量由晶圓大小和光刻膠的類型決定，堆積量非常關鍵，量少了會導致涂膠不均勻，量大了會導致晶圓邊緣光刻膠的堆積甚至流到反面。

*428.3光刻技術靜態旋轉工藝光刻膠膜的最終厚度是由光刻膠的粘度、旋轉速度、外表張力和光刻膠的枯燥性來決定的。

*438.3光刻技術光刻膠覆蓋

*448.3光刻技術動態噴灑隨著晶圓直徑越來越大，靜態涂膠已不能滿足要求，動態噴灑是晶圓以500rpm的速度低速旋轉，其目的是幫助光刻膠最初的擴散，用這種方法可以用較少量的光刻膠而到達更均勻的光刻膠膜。待擴散后旋轉器加速完成最終要求薄而均勻的光刻膠膜。

*458.3光刻技術

*468.3光刻技術自動旋轉器自動系統如下圖，包含了晶圓外表處理、涂底膠和涂光刻膠的全部過程，標準的系統配置就是一條流水線。