光刻工艺光刻胶课件

集成电路工艺光刻1集成电路工艺光刻1光刻

1、基本描述和过程2、光刻胶3、显影4、文献2光刻

1、基本描述和过程2光刻

1、基本描述和过程2、光刻胶3、显影4、文献3光刻

1、基本描述和过程3光刻基本介绍光刻是通过一系列生产步骤，将晶圆表面薄膜的特定部分除去的工艺。在此之后，晶圆表面会留下带有微图形结构的薄膜。通过光刻工艺过程，最终在晶圆上保留的是特征图形部分。4光刻基本介绍光刻是通过一系列生产步骤，将晶圆表面薄膜的特定部光刻三要素Usedforpreparingthesubstrateofawaferforthesubsequentprocessingstage.Elements(三要素）1）Lightsource–light,X-ray,electronorionbeams–Ultraviolet(UV)lightwithawavelengthof250-450nmisusedforsiliconprocess2）Mask(掩模板）–achromiumpatternonalighttransparentsubstrate(glass).3)Resist（光刻胶）–sensitivetothelightsource,about1μmthick,appliedonthesiliconwaferoranotherdepositionlayer–positiveandnegativeresist5光刻三要素Usedforpreparingthesu光刻工艺流程6光刻工艺流程61、气相成底膜目的：增强硅片与光刻胶的黏附性底膜处理的步骤

1.硅片清洗不良的表面沾污会造成：光刻胶与硅片的黏附性差，可能会浮胶、钻蚀颗粒沾污会造成不平坦的涂布，光刻胶针孔

2.脱水烘焙使硅片表面呈干燥疏水性

3.底膜处理

HMDS作用：影响硅片表面形成疏水表面增强硅片与胶的结合力方法有：沉浸式，旋涂法和蒸汽法71、气相成底膜目的：增强硅片与光刻胶的黏附性72、旋转涂胶涂胶工艺的目的就是在晶圆表面建立薄的、均匀的、并且没有缺陷的光刻胶膜。旋转涂胶的四个基本步骤82、旋转涂胶涂胶工艺的目的就是在晶圆表面建立薄的、均匀的、并2、旋转涂胶常用涂胶法：静态旋转和动态喷洒静态涂胶：首先把光刻胶通过管道堆积在晶圆的中心，然后低速旋转使光刻胶铺开，再高速旋转甩掉多余的光刻胶，高速旋转时光刻胶中的溶剂会挥发一部分。92、旋转涂胶常用涂胶法：静态旋转和动态喷洒92、旋转涂胶

静态涂胶时的堆积量非常关键，量少了会导致负胶不均匀，量大了会导致晶圆边缘光刻胶的堆积甚至流到背面。102、旋转涂胶静态涂胶时的堆积量非常关键，量少了会导致2、旋转涂胶

动态喷洒：随着晶圆直径越来越大，静态涂胶已不能满足要求，动态喷洒是以低速旋转，目的是帮助光刻胶最初的扩散，用这种方法可以用较少量的光刻胶而达到更均匀的光刻胶膜，然后高速旋转完成最终要求薄而均匀的光刻胶膜。112、旋转涂胶动态喷洒：随着晶圆直径越来越大，静态涂胶2、旋转涂胶

涂胶的质量要求是：（1）膜厚符合设计的要求，同时膜厚要均匀，胶面上看不到干涉花纹；（2）胶层内无点缺陷（如针孔等）；（3）涂层表面无尘埃和碎屑等颗粒。122、旋转涂胶涂胶的质量要求是：（1）膜厚符合设计的要求，3、前烘目的：光刻胶中的溶剂部分挥发增强光刻胶的粘附性，光吸收及抗腐蚀能力缓和涂胶过程中光刻胶膜内产生的应力如果没有前烘，可能带来的问题有：光刻胶发黏，易受颗粒污染光刻胶来自旋转涂胶的内在应力将导致粘附性问题溶剂含量过高导致显影时由于溶解差异，而很难区分曝光和未曝光的光刻胶光刻胶散发的气体可能污染光学系统的透镜133、前烘目的：134、对准和曝光对准是把所需图形在晶圆表面上定位或对准，而曝光的目的是要是通过汞弧灯或其他辐射源将图形转移到光刻胶图层上。用尽可能短的时间使光刻胶充分感光，在显影后获得尽可能高的留膜率和近似垂直的光刻胶侧壁和可控的线宽。144、对准和曝光对准是把所需图形在晶圆表面上定位或对准，而曝光5、曝光后烘培

在曝光时由于驻波效应的存在，光刻胶侧壁会有不平整的现象，曝光后进行烘烤，可使感光与未感光边界处的高分子化合物重新分布，最后达到平衡，基本可以消除驻波效应。155、曝光后烘培在曝光时由于驻波效应的存在，光刻胶侧壁6、显影

显影就是用显影液溶解掉不需要的光刻胶，将掩膜版上的图形转移到光刻胶上。显影中可能出现的问题：显影不足：比正常线条要宽并且在侧面有斜坡不完全显影：在衬底上留下应去掉的光刻胶过显影：除去了太多的光刻胶，引起图形变窄和拙劣的外形166、显影显影就是用显影液溶解掉不需要的光刻胶，将掩膜版7、坚膜烘焙目的是通过溶液的蒸发来固化光刻胶，此处理提高了光刻胶对衬底的粘附性，为下一步工艺做好准备。正胶的坚膜烘焙温度约为120℃到140℃，这比软烘温度要高，但也不能太高，否则光刻胶就会流动从而破坏图形。177、坚膜烘焙178、显影检查目的是查找光刻胶中成形图形的缺陷显影检查用来检查光刻工艺的好坏，为光学光刻工艺生产人员提供用于纠正的信息188、显影检查目的是查找光刻胶中成形图形的缺陷18光刻

1、基本描述和过程2、光刻胶3、显影4、文献19光刻

1、基本描述和过程19光刻胶

定义:

光学曝光过程中，为了将掩模上的图形转移到圆片上，辐照必须作用在光敏物质上，该光敏物质必须通过光照，改变材料性质，使在完成光刻工艺后，达到转移图形的目的。该光敏物质称为光刻胶。它是一种对光敏感的有机化合物，它受紫外光曝光后，在显影液中的溶解度会发生变化。作用：

a、将掩膜板上的图形转移到晶圆表面顶层的光刻胶中；

b、在后续工序中，保护下面的材料（刻蚀或离子注入）。

20光刻胶

定义:202121光刻胶的组成

树脂：光刻胶树脂是一种惰性的聚合物基质，是用来将其它材料聚合在一起的粘合剂。光刻胶的粘附性、胶膜厚度等都是树脂给的。感光剂：感光剂是光刻胶的核心部分，它对光形式的辐射能特别在紫外区会发生反应。曝光时间、光源所发射光线的强度都根据感光剂的特性选择决定的。溶剂：光刻胶中容量最大的成分，感光剂和添加剂都是固态物质，为了方便均匀的涂覆，要将它们加入溶剂进行溶解，形成液态物质，且使之具有良好的流动性，可以通过旋转方式涂布在晶圆表面。添加剂：用以改变光刻胶的某些特性，如改善光刻胶发生反射而添加染色剂。

22光刻胶的组成

树脂：光刻胶树脂是一种惰性的聚合物基质，是用来光刻胶的组成23光刻胶的组成23光刻胶类型光刻胶根据其化学反应机理和显影原理，可分负性胶和正性胶两类。光照后形成不可溶物质的是负性胶；反之，原本对某些溶剂是不可溶的，经光照后变成可溶物质的即为正性胶。利用这种性能，将光刻胶作涂层，就能在硅片表面刻蚀所需的电路图形。正胶（PositivePhotoResist）：曝光前对显影液不可溶，而曝光后变成了可溶的，能得到与掩模板遮光区相同的图形。负胶（NegativePhotoResist）：反之。24光刻胶类型光刻胶根据其化学反应机理和显影原理，可分负性胶和正waferPR掩模板氧化膜曝光显影

正胶负胶25waferPR掩模板氧化膜曝光正光刻胶

受光辐射后聚合物发生变化，被辐射部分溶解，未被辐射部分保持不变。曝光时切断树脂聚合体主链和从链之间的联系，达到削弱聚合体的目的，所以曝光后光刻胶在随后的显影处理中溶解度升高，曝光后溶解度几乎是未曝光时的10倍；更高分辨率（无膨胀现象）在IC制造应用更为普遍；26正光刻胶

受光辐射后聚合物发生变化，被辐射部分溶解，未被辐射正光刻胶27正光刻胶27正胶IC主导28正胶IC主导28负光刻胶聚合物被辐射后不溶于显影剂，精度逊于正胶在负胶曝光时，产生大量的交联聚合，成为互相连接的大树脂分子，很难在显影液中溶解。从而负胶的曝光部分在显影后保留。而未曝光部分则在显影时去除。某种负胶中的加聚反应29负光刻胶聚合物被辐射后不溶于显影剂，精度逊于正胶某种负胶中的负胶30负胶30显影液不易进入正胶的未曝光部分，正胶光刻后线条不变形。显影液会使负胶膨胀，线条变宽。虽然烘烤后能收缩，但易变形。所以负胶不适合2.0微米以下工艺使用。正胶是ULSI的主要光刻胶。正胶的针孔密度低，但对衬低的粘附差，通常用HMDS作增粘处理。负胶对衬底粘附好，针孔密度较高。3.正胶耐化学腐蚀，是良好的掩蔽薄膜。两种光刻胶的性能31两种光刻胶的性能31两种光刻胶的性能32两种光刻胶的性能32两种光刻胶的性能

正胶优点分辨率高、对比度好缺点粘附性差、抗刻蚀能力差、高成本灵敏度曝光区域光刻胶完全溶解时所需的能量负胶优点良好的粘附能力和抗刻蚀能力、感光速度快缺点显影时发生变形和膨胀，导致其分辨率灵敏度保留曝光区域光刻胶原始厚度的50%所需的能量33两种光刻胶的性能

正胶优点分辨率高、对比度好缺点粘附性差、抗DUV深紫外光刻胶

传统DNQ胶的问题：1、对于<i线波长的光强烈吸收2、汞灯在DUV波段输出光强不如i线和g线，因此灵敏度不够3、量子效率提高有限（最大为1，一般0.3)原理：入射光子与PAG分子反应，产生酸分子，在后续的烘烤过程中，酸分子起催化剂作用，使曝光区域光刻胶改性总量子效率>>1，因此DUV胶的灵敏度有很大提高。g线、i线光刻胶灵敏度为100mJ/cm-2，DUV胶为20－40mJ/cm-2化学增强光刻胶PAG(photo-acidgenerator)34DUV深紫外光刻胶

传统DNQ胶的问题：原理：入射光子与PADUV胶化学增强的基本原理要求对于环境和工艺参数控制严格，PEB温度控制在几分之一度。PAGINSOLINSOL聚合物长链酸INSOLINSOL聚合物长链SOLSOL聚合物长链酸SOLINSOL聚合物长链酸酸曝光曝光后烘烤（PEB）酸35DUV胶化学增强的基本原理要求对于环境和工艺参数控制严格，PEUVLithography—TheSuccessortoOpticalLithography?AbstractThispaperdiscussesthebasicconceptsandcurrentstateofdevelopmentofEUVlithography(EUVL),arelativelynewformoflithographythatusesextremeultraviolet(EUV)radiationwithawavelengthintherangeof10to14nanometer(nm)tocarryoutprojectionimaging.Currently,andforthelastseveraldecades,opticalprojectionlithographyhasbeenthelithographictechniqueusedinthehigh-volumemanufactureofintegratedcircuits.Itiswidelyanticipatedthatimprovementsinthistechnologywillallowittoremainthesemiconductorindustry’sworkhorsethroughthe100nmgenerationofdevices.However,sometimearoundtheyear2005,so-calledNext-GenerationLithographieswillberequired.EUVLisonesuchtechnologyvyingtobecomethesuccessortoopticallithography.36EUVLithography—TheSuccessorWhyEUVL?Inordertokeeppacewiththedemandfortheprintingofeversmallerfeatures,lithographytoolmanufacturershavefounditnecessarytograduallyreducethewavelengthofthelightusedforimagingandtodesignimagingsystemswitheverlargernumericalapertures.Thereasonsforthesechangescanbeunderstoodfromthefollowingequationsthatdescribetwoofthemostfundamentalcharacteristicsofanimagingsystem:itsresolution(RES)anddepthoffocus(DOF).TheseequationsareusuallyexpressedasRES=k1λ/NA(1a)andDOF=k2λ/(NA)2,(1b)whereλisthewavelengthoftheradiationusedtocarryouttheimaging,andNAisthenumericalapertureoftheimagingsystem(orcamera).TheseequationsshowthatbetterresolutioncanbeachievedbyreducingλandincreasingNA.37WhyEUVL?37Figure2:Theregionbetweenthelinesshowsthewavelengthandnumericalapertureofcamerassimultaneouslyhavingaresolutionof100nmorbetterandaDOFof0.5μmorbetter38Figure2:TheregionbetweentSourcesofEUVRadiationAnumberofsourcesofEUVradiationhavebeenusedtodateinthedevelopmentofEUVL.Radiationhasbeenobtainedfromavarietyoflaser-producedplasmasandfromthebendingmagnetsandtheundulatorsassociatedwithsynchrotrons.ResistsThemainproblemtobeconfrontedindevelopingasatisfactoryphotoresistforEUVListhestrongabsorptionofEUVradiationbyallmaterials.EUVresistswillmostlikelybestructuredsothatprintingoccursinaverythinimaginglayeratthesurfaceoftheresist.39SourcesofEUVRadiationResist1、灵敏度灵敏度的定义单位面积上入射的使光刻胶全部发生反应的最小光能量或最小电荷量（对电子束胶），称为光刻胶的灵敏度，记为S

，S

越小，则灵敏度越高。

通常负胶的灵敏度高于正胶。

灵敏度太低会影响生产效率，所以通常希望光刻胶有较高的灵敏度。但灵敏度太高会影响分辨率。

光刻胶的特性401、灵敏度通常负胶的灵敏度高2、分辨率

下面讨论分辨率与灵敏度的关系。当入射电子数为

N

时，由于随机涨落，实际入射的电子数在范围内。为保证出现最低剂量时不少于规定剂量的90%，也即。由此可得。因此对于小尺寸曝光区，必须满足

光刻工艺中影响分辨率的因素有：光源、曝光方式和光刻胶本身（包括灵敏度、对比度、颗粒的大小、显影时的溶胀、电子散射等）。通常正胶的分辨率要高于负胶。NN±%10£NN100min=N2minminminmin()10SWNqqNqWSS===412、分辨率下式中，Wmin

为最小尺寸，即分辨率。可见，若灵敏度越高（即S越小），则Wmin

就越大，分辨率就越差。minmin10qNqWSS==42式中，Wmin为最小尺寸，即分辨率。可见，若灵敏度越高（即3、对比度

对比度是图中对数坐标下对比度曲线的斜率，表示光刻胶区分掩模上亮区和暗区的能力的大小，即对剂量变化的敏感程度。灵敏度曲线越陡，D0与D100的间距就越小，则就越大，这样有助于得到清晰的图形轮廓和高的分辨率。一般光刻胶的对比度在0.9~2.0之间。对于亚微米图形，要求对比度大于1。

通常正胶的对比度要高于负胶。D0D100

对比度的定义为g433、对比度对

光进入光刻胶后，其强度按下式衰减

式中，α为光刻胶的光学吸收系数,单位为长度的倒数。设TR为光刻胶的厚度，则可定义光刻胶的光吸收率为

对比度与光刻胶厚度的关系是可见减薄胶膜厚度有利于提高对比度和分辨率。但是，光刻胶很薄时，台阶覆盖会变差，往往在为提高分辨率而降低胶的厚度时，要全面兼顾。

44光进入光刻胶后，其强度按下式衰减

一个与对比度有关的光刻胶性能指标是临界调制传输函数CMTF

，代表在光刻胶上获得能被分辨的图形所必须的最小调制传输函数，其定义为

利用对比度的公式，可得

CMTF的典型值为0.4。如果实像的MTF小于CMTF，则其图像就不能被分辨；如果实像的MTF大于CMTF，就有可能被分辨。

临界调制传输函数45一个与对比度有关的光刻胶性能指标是临界调制传输感光度：表征光刻胶对光线敏感程度的性能指标只有某一波长范围的光才能使光刻胶发生光化学反应。留膜率:定义：曝光显影后的非溶性胶膜厚度与曝光前的胶膜厚度之比.影响因素：胶自身性质；吸收特性在曝光波长下的吸收率a：a太大:仅胶顶部被曝光。a太小:需很长曝光时间。•光化学吸收率即曝光前后吸收率之差。•影响因素:胶自身性质光刻胶的性能指标46光刻胶的性能指标46光刻胶的性能指标粘附性：光刻胶与衬底之间粘附的牢固程度。影响因素：胶自身性质；衬底的性质及其表面状态。针孔密度：单位面积上的针孔数。影响因素：胶自身性质；环境洁净度。抗蚀性：能较长时间经受酸、碱的浸蚀和等离子体的作用。影响因素：胶自身性质；光刻工艺条件。性能稳定性：暗反应和存储性能退化。影响因素：胶自身性质和存储条件。47光刻胶的性能指标粘附性：光刻胶与衬底之间粘附的牢固程度。47光刻

1、基本描述和过程2、光刻胶3、显影4、文献48光刻

1、基本描述和过程48显影显影就是用显影液去除已曝光部分的光刻胶，在硅片上形成所需图形的过程。曝光部分的光刻胶与显影液作用并溶解于水，未曝光部分不与显影液作用并保持原状。显影液为碱性溶液，与光刻胶是一一对应的。49显影显影就是用显影液去除已曝光部分的光刻胶，在硅片上形成所需

显影将曝光后的硅片放到显影液中。对于负胶，通过显影溶解掉未曝光区的胶膜；对于正胶，通过显影溶解掉曝光区的胶膜。几乎所有的正胶都使用碱性显影液。

显影过程中胶膜会发生膨胀。正胶的膨胀可以忽略，而负胶的膨胀则可能使图形尺寸发生变化。

显影过程对温度非常敏感。显影过程可影响胶的对比度，从而影响胶的剖面形状。50显影显影过程中胶膜会发生膨胀显影缺陷:显影过度:光刻胶太薄或者不均匀，显影时间太长，光刻胶质量太差（老化）显影不足:光刻胶太厚或者不均匀，显影时间太短，

显影剂性能太弱（老化）显影中的问题51显影缺陷:显影中的问题51负光刻胶显影当负性光刻胶经过曝光后，它会发生聚合，在聚合与未聚合之间有足够高的分辨率，从而在显影过程中聚合的区域只会失去很小部分光刻胶，而未聚合的区域则在显影过程中分解，但由于两个区域之间总是存在过渡区，过渡区是部分聚合的光刻胶，所以，显影结束后必须及时冲洗，使显影液很快稀释，保证过渡区不被显影，使显影后的图形得以完整。52负光刻胶显影52正光刻胶显影对于正性光刻胶，聚合与未聚合区域的溶解率约为1:4。这意味着在显影中总会从聚合的区域失去一些光刻胶。使用过度的显影液或显影时间过长都会导致光刻胶太薄而不能使用。正性光刻胶的显影工艺比负性光刻胶更为敏感，影响的因素有：软烘焙时间和温度、曝光度、显影液浓度、时间、温度以及显影方法。显影工艺参数由所有变量的测试来决定。显影液早期用水稀释的强碱溶液，如氢氧化钠，现在用四甲基氢氧化铵53正光刻胶显影53

显影剂温度和曝光关系与线宽变化的比较54显影剂温度和曝光关系与显影方式显影方式静态浸渍显影圆片静止显影液喷在圆片表面，依靠圆片表面张力使显影液停留在圆片上，圆片轻轻的转动，让显影液在圆片表面充分浸润，一段时间后，高速旋转将显影液甩掉。旋转喷雾显影圆片旋转由高压氮气将流经喷嘴的显影液打成微小的液珠喷射在圆片表面，数秒钟显影液就能均匀地覆盖在整个圆片表面。影响显影质量因素显影时间影响条宽控制精度显影液的温度影响显影的速率55显影方式显影方式55旋覆浸没显影56旋覆浸没显影56连续喷雾光刻胶显影57连续喷雾光刻胶显影57坚膜在显影过程中，显影液溶解掉了需要去除的那部分光刻胶膜，同时也使不需要去除的光刻胶膜软化，含有过多的水分，并且与基片的附着性变差，降低了后续刻蚀工艺的耐蚀性，必须经过一定温度和时间的烘烤，以挥发掉残留的显影液和水分，使胶膜致密坚固，进一步提高胶膜与基体表面的附着力和抗化学腐蚀性，减少刻蚀时所出现的钻蚀和针孔现象。烘焙温度太低，脱水和聚合不彻底，温度太高光刻胶容易变软甚至流动，所以温度的控制极为严格。58坚膜在显影过程中，显影液溶解掉了需要去除的那部分光刻胶

任何一次工艺过后都要进行检验，经检验合格的晶园流入下一道工艺，对显影检验不合格的晶园可以返工重新曝光、显影。工艺流程如图所示。显影检验的内容图形尺寸上的偏差，定位不准的图形，表面问题（光刻胶的污染、空洞、或划伤），以及污点和其他的表面不规则等。显影检查59显影检查59光刻

1、基本描述和过程2、光刻胶3、显影4、文献60光刻

1、基本描述和过程60高分辨率I-line正性光刻胶的制备及应用性能研究摘要：利用两种不同重均分子量的改性酚醛树脂（PF）与一种三个酯化度的四羟基二苯甲酮―重氮萘醌磺酸酯光敏剂（PAC）按比例配制，加入适量助剂优化感光性能，制备出一种应用于电子触屏加工领域的I-line正性光刻胶，其具有刻蚀精度高、工艺性能优良、单位成本较低等优势特点。试验方法正性光刻胶的制备将两种不同重均分子量PF与PGMEA溶剂按照质量比1∶5进行溶解，同时要求避光搅拌，待树脂充分溶解后，再加入3%～4%比例的4HBP-215DNQ和助剂（包括EDL、MIBK、HBP）等。持续避光搅拌一小时以上，无不溶沉淀即可，置于5℃以下冰箱冷藏，密封保存。61高分辨率I-line正性光刻胶的制备及应用性能研究摘要：结果与讨论酚醛树脂选型比较实验采用的是在间、对甲酚树脂基础上改性而成不同重均分子量的两种酚醛树脂，作为成膜材料。标记为1号树脂和2号树脂。1号树脂是使用普通加成缩合法合成的大分子量酚醛树脂，2号树脂采用两步法[4]合成了一种分子量小（MW＝2007）且分子量分布系数窄（D＝1.4）的酚醛树脂，分子量表征如图362结果与讨论62由图4可见，1号树脂样品刻蚀轮廓明显，但膜曝光部分没有被溶解完全，因其分子量较大，阻溶能力太强，弱碱显影性能不够理想；2号树脂样品分子量较小，阻溶能力不足，造成非曝光区域溶解，曝光轮廓边缘模糊；1、2号混合树脂曝光轮廓清晰，显影效果明显，不同分子量的树脂提高了曝光区与非曝光区的溶解速率反差，使得分辨率提高。63由图4可见，1号树脂样品刻蚀轮廓明显，但膜曝光部分没有被环保溶剂选型比较为了提高光刻胶的物理性能和安全性，本文筛选出几种涂料油墨行业常用的环保溶剂，如丙二醇甲醚醋酸酯（PGMEA）、乙二醇单乙醚等。此外，还可加入沸点较高的溶剂如N,N-二甲基甲酰胺（DMF）等[7]。分别用PGMEA与DMF作为溶剂，配制样品，对比前烘烤时间的情况，如表2所示由表2可知，PGMEA较DMF优先挥发完全，完成固化成膜过程，这与PGMEA沸点略低于DMF的规律相符。前烘烤时间上两者相差不大，因此在优先选择较为环保的PGMEA作溶剂同时，可以根据固体原料的溶解效率适当加入DMF作为辅助。64环保溶剂选型比较由表2可知，PGMEA较DMF优先挥发光敏剂分子结构选型比较实验所依据的是“PF-DNQ”体系光化学反应原理，其中DNQ的作用是促进曝光区域的溶解，抑制非曝光区域的溶解。使用一种含有三个酯化度的四羟基二苯甲酮-215重氮萘醌磺酸酯和一种全酯化的三羟基二苯甲酮-215重氮萘醌磺酸酯分别作为光敏剂配胶，显影效果对比如图6所示。65光敏剂分子结构选型比较65由图6可见，不同接枝母体结构的DNQ光敏剂在分辨率和感光性能上存在差异。光敏剂的酯化度越高，对树脂的溶解抑制性越强，胶的分辨率越高。在多于四个羟基后，分子的空间位阻对感光性能开始产生不利影响。另一方面，全酯化的光敏剂又存在难以溶解的问题。因此，提出利用二苯甲酮骨架结构制备出含有单个羟基并且由于空间位阻而未被酯化的光敏剂，这类含不饱和酯化度的光敏剂相对于全酯化的光敏剂，溶解抑制作用没有下降，保持了原有的高分辨率，而且感光性和溶解性更好。66由图6可见，不同接枝母体结构的DNQ光敏剂在分辨率和感光光敏剂（PAC）与助剂添加量比较光敏剂由于其较高的酯化度会造成本身溶解度的降低，其溶解性能和溶解效率是影响配制光刻胶效率的关键环节。以配方中光敏剂用量比例为1.0倍计，分别取用1.5倍、1.0倍、0.5倍和0.5倍含助剂（PAC/HBP＝3∶1）作为光敏剂进行样品配制，对比检测显影时间，结果如表3所示。67光敏剂（PAC）与助剂添加量比较67由表3可知，PAC用量越多，显影时间越短，是因为光反应原料浓度增加使曝光时能量吸收更为充分，显影效率随之提高。但制样中存在PAC溶解度偏低，不能完全溶解的情况。使用含助剂HBP的光敏剂PAC，能够起到溶解（曝光区域树脂膜）促进的作用，加快显影速度。结论1）成膜酚醛树脂的重均分子量应呈现两极化分布，利用不同分子量树脂的溶解速率反差，可以明显提高分辨率。2）根据固体原料溶解性能和前烘烤所需时间，优先选用常见的涂料环保溶剂PGMEA，其具有易得和成本低的优势。3）光敏剂接枝母体结构对“PF-DNQ”体系的光化学反应有明显影响，该体系所使用的接枝母体在感光性能上的最优指向是含三个酯化度的2,3,4,4’-四羟基二苯甲酮。4）使用助剂HBP可以有效减少溶解度低的光敏剂用量，提高固体原料溶解速率，并保持显影效率，能够显著降低单位成本。68由表3可知，PAC用量越多，显影时间越短，是因为光反应原参考文献69参考文献69集成电路工艺光刻70集成电路工艺光刻1光刻

1、基本描述和过程2、光刻胶3、显影4、文献71光刻

1、基本描述和过程2光刻

1、基本描述和过程2、光刻胶3、显影4、文献72光刻

1、基本描述和过程3光刻基本介绍光刻是通过一系列生产步骤，将晶圆表面薄膜的特定部分除去的工艺。在此之后，晶圆表面会留下带有微图形结构的薄膜。通过光刻工艺过程，最终在晶圆上保留的是特征图形部分。73光刻基本介绍光刻是通过一系列生产步骤，将晶圆表面薄膜的特定部光刻三要素Usedforpreparingthesubstrateofawaferforthesubsequentprocessingstage.Elements(三要素）1）Lightsource–light,X-ray,electronorionbeams–Ultraviolet(UV)lightwithawavelengthof250-450nmisusedforsiliconprocess2）Mask(掩模板）–achromiumpatternonalighttransparentsubstrate(glass).3)Resist（光刻胶）–sensitivetothelightsource,about1μmthick,appliedonthesiliconwaferoranotherdepositionlayer–positiveandnegativeresist74光刻三要素Usedforpreparingthesu光刻工艺流程75光刻工艺流程61、气相成底膜目的：增强硅片与光刻胶的黏附性底膜处理的步骤

1.硅片清洗不良的表面沾污会造成：光刻胶与硅片的黏附性差，可能会浮胶、钻蚀颗粒沾污会造成不平坦的涂布，光刻胶针孔

2.脱水烘焙使硅片表面呈干燥疏水性

3.底膜处理

HMDS作用：影响硅片表面形成疏水表面增强硅片与胶的结合力方法有：沉浸式，旋涂法和蒸汽法761、气相成底膜目的：增强硅片与光刻胶的黏附性72、旋转涂胶涂胶工艺的目的就是在晶圆表面建立薄的、均匀的、并且没有缺陷的光刻胶膜。旋转涂胶的四个基本步骤772、旋转涂胶涂胶工艺的目的就是在晶圆表面建立薄的、均匀的、并2、旋转涂胶常用涂胶法：静态旋转和动态喷洒静态涂胶：首先把光刻胶通过管道堆积在晶圆的中心，然后低速旋转使光刻胶铺开，再高速旋转甩掉多余的光刻胶，高速旋转时光刻胶中的溶剂会挥发一部分。782、旋转涂胶常用涂胶法：静态旋转和动态喷洒92、旋转涂胶

静态涂胶时的堆积量非常关键，量少了会导致负胶不均匀，量大了会导致晶圆边缘光刻胶的堆积甚至流到背面。792、旋转涂胶静态涂胶时的堆积量非常关键，量少了会导致2、旋转涂胶

动态喷洒：随着晶圆直径越来越大，静态涂胶已不能满足要求，动态喷洒是以低速旋转，目的是帮助光刻胶最初的扩散，用这种方法可以用较少量的光刻胶而达到更均匀的光刻胶膜，然后高速旋转完成最终要求薄而均匀的光刻胶膜。802、旋转涂胶动态喷洒：随着晶圆直径越来越大，静态涂胶2、旋转涂胶

涂胶的质量要求是：（1）膜厚符合设计的要求，同时膜厚要均匀，胶面上看不到干涉花纹；（2）胶层内无点缺陷（如针孔等）；（3）涂层表面无尘埃和碎屑等颗粒。812、旋转涂胶涂胶的质量要求是：（1）膜厚符合设计的要求，3、前烘目的：光刻胶中的溶剂部分挥发增强光刻胶的粘附性，光吸收及抗腐蚀能力缓和涂胶过程中光刻胶膜内产生的应力如果没有前烘，可能带来的问题有：光刻胶发黏，易受颗粒污染光刻胶来自旋转涂胶的内在应力将导致粘附性问题溶剂含量过高导致显影时由于溶解差异，而很难区分曝光和未曝光的光刻胶光刻胶散发的气体可能污染光学系统的透镜823、前烘目的：134、对准和曝光对准是把所需图形在晶圆表面上定位或对准，而曝光的目的是要是通过汞弧灯或其他辐射源将图形转移到光刻胶图层上。用尽可能短的时间使光刻胶充分感光，在显影后获得尽可能高的留膜率和近似垂直的光刻胶侧壁和可控的线宽。834、对准和曝光对准是把所需图形在晶圆表面上定位或对准，而曝光5、曝光后烘培

在曝光时由于驻波效应的存在，光刻胶侧壁会有不平整的现象，曝光后进行烘烤，可使感光与未感光边界处的高分子化合物重新分布，最后达到平衡，基本可以消除驻波效应。845、曝光后烘培在曝光时由于驻波效应的存在，光刻胶侧壁6、显影

显影就是用显影液溶解掉不需要的光刻胶，将掩膜版上的图形转移到光刻胶上。显影中可能出现的问题：显影不足：比正常线条要宽并且在侧面有斜坡不完全显影：在衬底上留下应去掉的光刻胶过显影：除去了太多的光刻胶，引起图形变窄和拙劣的外形856、显影显影就是用显影液溶解掉不需要的光刻胶，将掩膜版7、坚膜烘焙目的是通过溶液的蒸发来固化光刻胶，此处理提高了光刻胶对衬底的粘附性，为下一步工艺做好准备。正胶的坚膜烘焙温度约为120℃到140℃，这比软烘温度要高，但也不能太高，否则光刻胶就会流动从而破坏图形。867、坚膜烘焙178、显影检查目的是查找光刻胶中成形图形的缺陷显影检查用来检查光刻工艺的好坏，为光学光刻工艺生产人员提供用于纠正的信息878、显影检查目的是查找光刻胶中成形图形的缺陷18光刻

1、基本描述和过程2、光刻胶3、显影4、文献88光刻

1、基本描述和过程19光刻胶

定义:

光学曝光过程中，为了将掩模上的图形转移到圆片上，辐照必须作用在光敏物质上，该光敏物质必须通过光照，改变材料性质，使在完成光刻工艺后，达到转移图形的目的。该光敏物质称为光刻胶。它是一种对光敏感的有机化合物，它受紫外光曝光后，在显影液中的溶解度会发生变化。作用：

a、将掩膜板上的图形转移到晶圆表面顶层的光刻胶中；

b、在后续工序中，保护下面的材料（刻蚀或离子注入）。

89光刻胶

定义:209021光刻胶的组成

树脂：光刻胶树脂是一种惰性的聚合物基质，是用来将其它材料聚合在一起的粘合剂。光刻胶的粘附性、胶膜厚度等都是树脂给的。感光剂：感光剂是光刻胶的核心部分，它对光形式的辐射能特别在紫外区会发生反应。曝光时间、光源所发射光线的强度都根据感光剂的特性选择决定的。溶剂：光刻胶中容量最大的成分，感光剂和添加剂都是固态物质，为了方便均匀的涂覆，要将它们加入溶剂进行溶解，形成液态物质，且使之具有良好的流动性，可以通过旋转方式涂布在晶圆表面。添加剂：用以改变光刻胶的某些特性，如改善光刻胶发生反射而添加染色剂。

91光刻胶的组成

树脂：光刻胶树脂是一种惰性的聚合物基质，是用来光刻胶的组成92光刻胶的组成23光刻胶类型光刻胶根据其化学反应机理和显影原理，可分负性胶和正性胶两类。光照后形成不可溶物质的是负性胶；反之，原本对某些溶剂是不可溶的，经光照后变成可溶物质的即为正性胶。利用这种性能，将光刻胶作涂层，就能在硅片表面刻蚀所需的电路图形。正胶（PositivePhotoResist）：曝光前对显影液不可溶，而曝光后变成了可溶的，能得到与掩模板遮光区相同的图形。负胶（NegativePhotoResist）：反之。93光刻胶类型光刻胶根据其化学反应机理和显影原理，可分负性胶和正waferPR掩模板氧化膜曝光显影

正胶负胶94waferPR掩模板氧化膜曝光正光刻胶

受光辐射后聚合物发生变化，被辐射部分溶解，未被辐射部分保持不变。曝光时切断树脂聚合体主链和从链之间的联系，达到削弱聚合体的目的，所以曝光后光刻胶在随后的显影处理中溶解度升高，曝光后溶解度几乎是未曝光时的10倍；更高分辨率（无膨胀现象）在IC制造应用更为普遍；95正光刻胶

受光辐射后聚合物发生变化，被辐射部分溶解，未被辐射正光刻胶96正光刻胶27正胶IC主导97正胶IC主导28负光刻胶聚合物被辐射后不溶于显影剂，精度逊于正胶在负胶曝光时，产生大量的交联聚合，成为互相连接的大树脂分子，很难在显影液中溶解。从而负胶的曝光部分在显影后保留。而未曝光部分则在显影时去除。某种负胶中的加聚反应98负光刻胶聚合物被辐射后不溶于显影剂，精度逊于正胶某种负胶中的负胶99负胶30显影液不易进入正胶的未曝光部分，正胶光刻后线条不变形。显影液会使负胶膨胀，线条变宽。虽然烘烤后能收缩，但易变形。所以负胶不适合2.0微米以下工艺使用。正胶是ULSI的主要光刻胶。正胶的针孔密度低，但对衬低的粘附差，通常用HMDS作增粘处理。负胶对衬底粘附好，针孔密度较高。3.正胶耐化学腐蚀，是良好的掩蔽薄膜。两种光刻胶的性能100两种光刻胶的性能31两种光刻胶的性能101两种光刻胶的性能32两种光刻胶的性能

正胶优点分辨率高、对比度好缺点粘附性差、抗刻蚀能力差、高成本灵敏度曝光区域光刻胶完全溶解时所需的能量负胶优点良好的粘附能力和抗刻蚀能力、感光速度快缺点显影时发生变形和膨胀，导致其分辨率灵敏度保留曝光区域光刻胶原始厚度的50%所需的能量102两种光刻胶的性能

正胶优点分辨率高、对比度好缺点粘附性差、抗DUV深紫外光刻胶

传统DNQ胶的问题：1、对于<i线波长的光强烈吸收2、汞灯在DUV波段输出光强不如i线和g线，因此灵敏度不够3、量子效率提高有限（最大为1，一般0.3)原理：入射光子与PAG分子反应，产生酸分子，在后续的烘烤过程中，酸分子起催化剂作用，使曝光区域光刻胶改性总量子效率>>1，因此DUV胶的灵敏度有很大提高。g线、i线光刻胶灵敏度为100mJ/cm-2，DUV胶为20－40mJ/cm-2化学增强光刻胶PAG(photo-acidgenerator)103DUV深紫外光刻胶

传统DNQ胶的问题：原理：入射光子与PADUV胶化学增强的基本原理要求对于环境和工艺参数控制严格，PEB温度控制在几分之一度。PAGINSOLINSOL聚合物长链酸INSOLINSOL聚合物长链SOLSOL聚合物长链酸SOLINSOL聚合物长链酸酸曝光曝光后烘烤（PEB）酸104DUV胶化学增强的基本原理要求对于环境和工艺参数控制严格，PEUVLithography—TheSuccessortoOpticalLithography?AbstractThispaperdiscussesthebasicconceptsandcurrentstateofdevelopmentofEUVlithography(EUVL),arelativelynewformoflithographythatusesextremeultraviolet(EUV)radiationwithawavelengthintherangeof10to14nanometer(nm)tocarryoutprojectionimaging.Currently,andforthelastseveraldecades,opticalprojectionlithographyhasbeenthelithographictechniqueusedinthehigh-volumemanufactureofintegratedcircuits.Itiswidelyanticipatedthatimprovementsinthistechnologywillallowittoremainthesemiconductorindustry’sworkhorsethroughthe100nmgenerationofdevices.However,sometimearoundtheyear2005,so-calledNext-GenerationLithographieswillberequired.EUVLisonesuchtechnologyvyingtobecomethesuccessortoopticallithography.105EUVLithography—TheSuccessorWhyEUVL?Inordertokeeppacewiththedemandfortheprintingofeversmallerfeatures,lithographytoolmanufacturershavefounditnecessarytograduallyreducethewavelengthofthelightusedforimagingandtodesignimagingsystemswitheverlargernumericalapertures.Thereasonsforthesechangescanbeunderstoodfromthefollowingequationsthatdescribetwoofthemostfundamentalcharacteristicsofanimagingsystem:itsresolution(RES)anddepthoffocus(DOF).TheseequationsareusuallyexpressedasRES=k1λ/NA(1a)andDOF=k2λ/(NA)2,(1b)whereλisthewavelengthoftheradiationusedtocarryouttheimaging,andNAisthenumericalapertureoftheimagingsystem(orcamera).TheseequationsshowthatbetterresolutioncanbeachievedbyreducingλandincreasingNA.106WhyEUVL?37Figure2:Theregionbetweenthelinesshowsthewavelengthandnumericalapertureofcamerassimultaneouslyhavingaresolutionof100nmorbetterandaDOFof0.5μmorbetter107Figure2:TheregionbetweentSourcesofEUVRadiationAnumberofsourcesofEUVradiationhavebeenusedtodateinthedevelopmentofEUVL.Radiationhasbeenobtainedfromavarietyoflaser-producedplasmasandfromthebendingmagnetsandtheundulatorsassociatedwithsynchrotrons.ResistsThemainproblemtobeconfrontedindevelopingasatisfactoryphotoresistforEUVListhestrongabsorptionofEUVradiationbyallmaterials.EUVresistswillmostlikelybestructuredsothatprintingoccursinaverythinimaginglayeratthesurfaceoftheresist.108SourcesofEUVRadiationResist1、灵敏度灵敏度的定义单位面积上入射的使光刻胶全部发生反应的最小光能量或最小电荷量（对电子束胶），称为光刻胶的灵敏度，记为S

，S

越小，则灵敏度越高。

通常负胶的灵敏度高于正胶。

灵敏度太低会影响生产效率，所以通常希望光刻胶有较高的灵敏度。但灵敏度太高会影响分辨率。

光刻胶的特性1091、灵敏度通常负胶的灵敏度高2、分辨率

下面讨论分辨率与灵敏度的关系。当入射电子数为

N

时，由于随机涨落，实际入射的电子数在范围内。为保证出现最低剂量时不少于规定剂量的90%，也即。由此可得。因此对于小尺寸曝光区，必须满足

光刻工艺中影响分辨率的因素有：光源、曝光方式和光刻胶本身（包括灵敏度、对比度、颗粒的大小、显影时的溶胀、电子散射等）。通常正胶的分辨率要高于负胶。NN±%10£NN100min=N2minminminmin()10SWNqqNqWSS===1102、分辨率下式中，Wmin

为最小尺寸，即分辨率。可见，若灵敏度越高（即S越小），则Wmin

就越大，分辨率就越差。minmin10qNqWSS==111式中，Wmin为最小尺寸，即分辨率。可见，若灵敏度越高（即3、对比度

对比度是图中对数坐标下对比度曲线的斜率，表示光刻胶区分掩模上亮区和暗区的能力的大小，即对剂量变化的敏感程度。灵敏度曲线越陡，D0与D100的间距就越小，则就越大，这样有助于得到清晰的图形轮廓和高的分辨率。一般光刻胶的对比度在0.9~2.0之间。对于亚微米图形，要求对比度大于1。

通常正胶的对比度要高于负胶。D0D100

对比度的定义为g1123、对比度对

光进入光刻胶后，其强度按下式衰减

式中，α为光刻胶的光学吸收系数,单位为长度的倒数。设TR为光刻胶的厚度，则可定义光刻胶的光吸收率为

对比度与光刻胶厚度的关系是可见减薄胶膜厚度有利于提高对比度和分辨率。但是，光刻胶很薄时，台阶覆盖会变差，往往在为提高分辨率而降低胶的厚度时，要全面兼顾。

113光进入光刻胶后，其强度按下式衰减

一个与对比度有关的光刻胶性能指标是临界调制传输函数CMTF

，代表在光刻胶上获得能被分辨的图形所必须的最小调制传输函数，其定义为

利用对比度的公式，可得

CMTF的典型值为0.4。如果实像的MTF小于CMTF，则其图像就不能被分辨；如果实像的MTF大于CMTF，就有可能被分辨。

临界调制传输函数114一个与对比度有关的光刻胶性能指标是临界调制传输感光度：表征光刻胶对光线敏感程度的性能指标只有某一波长范围的光才能使光刻胶发生光化学反应。留膜率:定义：曝光显影后的非溶性胶膜厚度与曝光前的胶膜厚度之比.影响因素：胶自身性质；吸收特性在曝光波长下的吸收率a：a太大:仅胶顶部被曝光。a太小:需很长曝光时间。•光化学吸收率即曝光前后吸收率之差。•影响因素:胶自身性质光刻胶的性能指标115光刻胶的性能指标46光刻胶的性能指标粘附性：光刻胶与衬底之间粘附的牢固程度。影响因素：胶自身性质；衬底的性质及其表面状态。针孔密度：单位面积上的针孔数。影响因素：胶自身性质；环境洁净度。抗蚀性：能较长时间经受酸、碱的浸蚀和等离子体的作用。影响因素：胶自身性质；光刻工艺条件。性能稳定性：暗反应和存储性能退化。影响因素：胶自身性质和存储条件。116光刻胶的性能指标粘附性：光刻胶与衬底之间粘附的牢固程度。47光刻

1、基本描述和过程2、光刻胶3、显影4、文献117光刻

1、基本描述和过程48显影显影就是用显影液去除已曝光部分的光刻胶，在硅片上形成所需图形的过程。曝光部分的光刻胶与显影液作用并溶解于水，未曝光部分不与显影液作用并保持原状。显影液为碱性溶液，与光刻胶是一一对应的。118显影显影就是用显影液去除已曝光部分的光刻胶，在硅片上形成所需

显影将曝光后的硅片放到显影液中。对于负胶，通过显影溶解掉未曝光区的胶膜；对于正胶，通过显影溶解掉曝光区的胶膜。几乎所有的正胶都使用碱性显影液。

显影过程中胶膜会发生膨胀。正胶的膨胀可以忽略，而负胶的膨胀则可能使图形尺寸发生变化。

显影过程对温度非常敏感。显影过程可影响胶的对比度，从而影响胶的剖面形状。119显影显影过程中胶膜会发生膨胀显影缺陷:显影过度:光刻胶太薄或者不均匀，显影时间太长，光刻胶质量太差（老化）显影不足:光刻胶太厚或者不均匀，显影时间太短，

显影剂性能太弱（老化）显影中的问题120显影缺陷:显影中的问题51负光刻胶显影当负性光刻胶经过曝光后，它会发生聚合，在聚合与未聚合之间有足够高的分辨率，从而在显影过程中聚合的区域只会失去很小部分光刻胶，而未聚合的区域则在显影过程中分解，但由于两个区域之间总是存在过渡区，过渡区是部分聚合的光刻胶，所以，显影结束后必须及时冲洗，使显影液很快稀释，保证过渡区不被显影，使显影后的图形得以完整。121负光刻胶显影52正光刻胶显影对于正性光刻胶，聚合与未聚合区域的溶解率约为1:4。这意味着在显影中总会从聚合的区域失去一些光刻胶。使用过度的显影液或显影时间过长都会导致光刻胶太薄而不能使用。正性光刻胶的显影工艺比负性光刻胶更为敏感，影响的因素有：软烘焙时间和温度、曝光度、显影液浓度、时间、温度以及显影方法。显影工艺参数由所有变量的测试来决定。显影液早期用水稀释的强碱溶液，如氢氧化钠，现在用四甲基氢氧化铵122正光刻胶显影53

显影剂温度和曝光关系与线宽变化的比较123显影剂温度和曝光关系与显影方式显影方式静态浸渍显影圆片静止显影液喷在圆片表面，依靠圆片表面张力使显影液停留在圆片上，圆片轻轻的转动，让显影液在圆片表面充分浸润，一段时间后，高速旋转将显影液甩掉。旋转喷雾显影圆片旋转由高压氮气将流经喷嘴的显影液打成微小的液珠喷射在圆片表面，数秒钟显影液就能均匀地覆盖在整个圆片表面。影响显影质量因素显影时间影响条宽控制精度显影液的温度影响显影的速率124显影方式显影方式55旋覆浸没显影125旋覆浸没显影56连续喷雾光刻胶显影126连续喷雾光刻胶显影57坚