集成电路制造技术与实践 课件 第9章 光刻工艺

第9章光刻工艺9.1光刻工艺的三要素9.2光刻工艺的重要性9.3光刻工艺流程9.4光刻分辨率9.5光刻机9.6曝光光源9.7光刻胶9.8光刻版9.9先进的光刻技术本章小结

9.1光刻工艺的三要素

光刻工艺是通过投影和曝光，将光刻版图形转移到光刻胶上的工艺过程。由光刻工艺确定的光刻胶图形仅仅是集成电路图形的印模，还需要通过刻蚀工艺，将光刻胶图形转移到晶圆表面组成集成电路的各个材料层。要完成光刻工艺，获得高分辨率的图形，必须借助光刻机、光刻版和光刻胶这三个要素。

1.光刻机

光刻机用于提供光刻工艺所必需的曝光光源，实现图形对准和曝光，是集成电路制造中最重要和最昂贵的设备。

光刻机的重要性体现在三个方面：一是光刻机决定了器件和集成电路的最小图形尺寸，即特征尺寸(criticaldimension，CD)；二是光刻机由工作台、光源和投影系统组成，仅投影系统就有数千块光学透镜，其技术难度是所有设备中最高的；三是光刻机的成本最高，一台先进的极紫外(EUV)光刻机售价高达10亿元人民币。

图9-1-1是荷兰阿斯麦尔公司制造的全球最先进的极紫外光刻机。图9-1-1ASML极紫外光刻机图片

2.光刻版

光刻版(Mask/Reticle)又称掩模版，是一块印制了集成电路版图图形的石英板，其作用是提供曝光所需要的图形。根据光刻机的不同类型，光刻版分为1∶1的Mask和4∶1或5∶1的Reticle，如图9-1-2所示。

光刻版的质量决定了器件和集成电路芯片的质量。若每块光刻版上图形成品率为90%，则采用6块光刻版工艺的管芯图形成品率为53%，采用10块光刻版工艺的管芯图形成品率为35%，采用15块光刻版工艺的管芯图形成品率为21%，最后的管芯成品率当然比图形成品率还要低。图9-1-2光刻版图片

3.光刻胶

光刻胶又称光致抗蚀剂(photoresist，PR)，其作用是通过光刻胶的感光化学反应(曝光工艺)和分解反应(显影工艺)，将光刻版图形暂时转移到光刻胶上。光刻胶分为正性光刻胶(简称正胶)和负性光刻胶(简称负胶)两类，正胶的分辨率高，负胶的分辨率低。

2019年，日本宣布对出口到韩国的半导体材料加强管制，其中就有用于先进工艺制程的高端光刻胶。

9.2光刻工艺的重要性

光刻工艺的重要性体现在以下几个方面。

1.光刻工艺决定了特征尺寸根据摩尔定律，集成电路的集成度每两年翻一番，特征尺寸每三年缩小70%。决定集成度每两年翻一番的关键是特征尺寸的不断缩小，而决定最小特征尺寸的关键就是光刻工艺。当前最先进的集成电路制造的工艺制程是3nm，单片集成度高达500多亿只晶体管/cm2。

2020年10月，华为海思推出了麒麟90005GSoC芯片，该芯片采用台积电(TSMC)最先进的5nm工艺制造而成，集成度为153亿只晶体管/cm2。同年，苹果公司推出了手机处理器A14，A14也采用5nm工艺制造而成，集成度为118亿只晶体管/cm2。

自1965年提出摩尔定律以来，提高集成电路芯片集成度最有效的方法就是不断减小特征尺寸。若要减小特征尺寸，则必须缩短曝光光源的波长。目前最小波长的光源是极紫外光，波长为13.5nm。

2.光刻工艺所用时间最长

图9-2-1是集成电路制造各工艺模块的结构示意图。由图921可见，光刻工艺模块与其他六个工艺模块都有直接的工艺流程联系。相比于其他工艺模块，光刻工艺模块占用的流程最多。另外，光刻工艺模块只能进行单晶圆操作，且工艺步骤繁多。因此，光刻工艺所用时间最长，占总制造时间的50%~60%。图9-2-1集成电路制造各工艺模块的结构示意图

3.光刻工艺成本最高

光刻工艺成本包括设备成本、材料成本和工艺成本。其中，设备成本包括光刻机、热处理设备、显影机等的成本，材料成本包括光刻版、光刻胶、显影液等的成本。一台ASMLNXE：3600D极紫外光刻机售价高达1.45亿美元，而台积电一条5nm工艺线需要15~20台极紫外光刻机。因此，光刻工艺成本最高，约占总制造成本的30%。

9.3光刻工艺流程

随着集成电路特征尺寸不断缩小，人们对光刻工艺精度的要求也越来越高。为了提高光刻工艺的精度，现代光刻工艺增加了预烘、前烘、后烘和坚膜等热处理工艺。光刻工艺流程包括清洗、预烘和打底膜、涂胶、前烘、对准、曝光、后烘、显影、坚膜、图形检查等10个步骤，如图9-3-1所示。图9-3-1光刻工艺步骤示意图

9.3.1清洗

硅晶圆清洗普遍采用RCA标准清洗法，该方法于1965年首创，至今仍被广泛使用。RCA清洗流程如下：首先用H2SO4

与H2O2

的混合液去除有机污染物，然后用HF与H2O的混合液去除自然氧化层，最后用HCl与H2O的混合液去除颗粒、金属等无机污染物，同时使硅晶圆表面钝化。

如图9-3-2所示，为保证清洗质量，无论是去除哪种污染物，都必须经历化学腐蚀、去离子水漂洗和甩干三个清洗步骤。图9-3-2清洗工艺流程示意图

9.3.2预烘和打底膜

清洗后的硅晶圆虽然经过了甩干，但表面仍有水分。这是因为硅晶圆的SiO2

表面具有亲水性，容易吸附空气中的水分。光刻胶具有疏水性，因此涂胶前应将硅晶圆表面的水分烘干。

预烘的目的就是去除硅晶圆表面的水汽，增强光刻胶与硅晶圆表面的黏附性，工艺温度约为100℃。

对于SiO2

薄膜表面的水分处理，现代集成电路制造中采用打底膜技术，其原理是在SiO2

薄膜表面涂一层HMDS(六甲基乙硅氮烷)，去掉SiO2

薄膜表面的OH-，增强光刻胶与SiO2

薄膜表面的黏附性。

9.3.3涂胶

涂覆光刻胶，简称涂胶。现代涂胶工艺采用旋涂方法，其原理是利用离心力的作用，将高速旋转的光刻胶均匀地涂覆在硅晶圆表面。

旋涂工艺如图9-3-3所示。用抽真空的方法将放置在旋转台(又称甩胶台)上的硅晶圆固定；通过光刻胶分发器喷嘴(PRdispensernozzle)，将光刻胶滴在硅晶圆中心，光刻胶的剂量可由分发器精确控制；启动旋转台，将光刻胶均匀地涂覆在硅晶圆表面。

如图9-3-4所示，涂胶厚度与光刻胶黏度和旋转台旋转速率密切相关。在相同旋转时间下，涂胶厚度与光刻胶黏度成正比，与旋转速率成反比。黏度越大，涂胶厚度越厚；旋转速率越高，涂胶厚度越薄。图9-3-3旋涂工艺示意图图图9-3-4涂胶厚度与光刻胶黏度和旋转速率的关系

9.3.4前烘

前烘又称软烘(softbake)，其工艺原理是通过高温热处理，促进光刻胶的溶剂充分挥发。

前烘的作用是使光刻胶干燥，便于进行后续的对准与曝光工艺。同时，前烘还可增强光刻胶与硅晶圆表面的黏附性，提高光刻胶的耐磨性。

影响前烘质量的工艺因素是前烘温度和前烘时间。若前烘不足(前烘温度太低或前烘时间太短)，则显影时光刻胶易浮胶，导致图形变形。如果前烘时间过长，则光刻胶的增感剂挥发，导致曝光时间增长，甚至显不出图形。如果前烘温度过高，则光刻胶的感光剂会提前发生化学反应，造成显影失败，不能形成光刻胶图形。

前烘不足也会影响光刻胶图形的分辨率，原因是过多的溶剂会造成光刻胶的曝光灵敏度下降。

如图9-3-5所示，前烘工艺可采用热板(hotplate)、对流烘箱(convectionoven)和微波炉(microwaveoven)等。热板加热中采用的是单晶圆加热方式，每片晶圆和每批晶圆的加热结果都很稳定；而且热板系统容易整合到晶圆轨道系统中，使光刻胶的涂覆、烘焙、显影和坚膜可在同一条生产线上进行。因此，现代集成电路制造均采用热板加热进行前烘、后烘和坚膜工艺。图9-3-5前烘方法

9.3.5对准

对准(alignment)工艺是将要曝光的光刻版图形与晶圆表面已形成的光刻图形精确对准，以保证集成电路的功能正确实现。每块光刻版图形仅仅是集成电路的一小部分，一个集成电路芯片的制造需要数块乃至数十块光刻版。集成电路的集成度越大，特征尺寸越小，需要的光刻版就越多，因此对准工艺尤为关键。

粗对准只需两个对准标记，一般选取晶圆上两个相距较远的对准标记。精对准则需要测量多个对准标记，一般至少是20个。通过对多个对准标记的定位，对准系统可计算出曝光时的准确位置，以实现极小的套刻误差。

先进光刻机要求有极高的对准精度(alignmentprecision，AP)，而对准精度与需要测量的对准标记数目(N)成正比，即测量的对准标记越多，对准精度越高。图9-3-6是光刻版上用于Stepper光刻机对准的套刻标记。图9-3-6光刻版上用于Stepper光刻机对准的套刻标记

9.3.6曝光

曝光是光刻工艺最关键的步骤，它决定了光刻的分辨率、留膜率、线宽控制等。曝光是指用光刻机的光源对光刻胶进行照射，使光刻胶发生光化学反应。曝光光源通常采用紫外光和深紫外光，目前最先进的曝光光源是极紫外光。

光源波长是曝光工艺的重要参数。波长取决于光源类型，而波长的选择则取决于特征尺寸的大小。波长基本决定了特征尺寸和光刻分辨率，波长越短，特征尺寸越小，光刻分辨率就越高。

曝光方式由光刻机决定。早期曝光方式有接触式、接近式和投影式，其光刻版图形是1×1的，即光刻版图形覆盖整个晶圆，一次曝光就可完成整个晶圆的图形。现代光刻曝光方式有步进重复投影曝光(Stepper)和步进扫描投影曝光(Scanner)两种，其光刻版图形是2×1~10×1，即一次曝光仅完成晶圆上一个或数个芯片图形，需要多次重复或扫描曝光才能完成整个晶圆图形。步进式曝光原理示意图如图9-3-7所示。图9-3-7步进式曝光原理示意图

9.3.7后烘

曝光后的热处理称为后烘(postexposurebake，PEB)，其作用是平衡驻波效应，平滑光刻胶侧面，最终提高光刻胶分辨率。

如图9-3-8所示，由于光折射效应，曝光窗口边缘处的光刻胶会产生交替的欠曝光和过曝光现象，这种现象称为驻波效应。驻波效应使显影后的光刻胶产生锯齿状的侧面，降低了光刻胶分辨率。图9-3-8光刻胶曝光后形成的驻波效应示意图

9.3.8显影

显影的原理是利用显影液将曝光的正性光刻胶(正胶)或未曝光的负性光刻胶(负胶)溶解掉，保留未曝光的正胶或曝光的负胶。正性光刻胶曝光与显影示意图如图9-3-9所示。

正胶显影液是强碱性溶液，优点是仅需去离子水就可清洗显影后的晶圆。早期正胶显影液常采用水稀释的NaOH或KOH，这种显影液含可动离子Na+或K+，会严重影响器件与集成电路的可靠性。

现代集成电路制造中的正胶显影液普遍采用有机化合物TMAH(四甲基氢氧化铵水溶液，(CH3)4NOH)，其最大的优点是不含可动离子Na+或K+。

显影工艺有三个基本步骤，即显影、漂洗和甩干，如图9-3-10所示。图9-3-9正性光刻胶曝光与显影示意图图9-3-10显影工艺的三个基本步骤

现代显影工艺采用连续喷雾(continuousspray)显影和旋涂浸没(puddle)显影，这两种显影工艺都是单晶圆工艺。图9-3-11是旋涂浸没显影设备示意图。

显影是化学过程，因而对温度非常敏感。高温显影速率快，可缩短显影时间，但易导致过度显影。低温显影速率慢，需增加显影时间，容易导致显影不足。图9-3-11旋涂浸没显影设备示意图

影响显影效果的主要因素有曝光时间、前烘温度与时间、胶膜厚度、显影液浓度、显影温度和显影时间。

若显影时间太短，则残留的光刻胶会阻挡刻蚀工艺对SiO2或金属的腐蚀，形成“小岛”。若显影时间太长，则光刻胶会出现软化、膨胀、钻蚀、浮胶等现象，使光刻胶图形边缘被破坏，降低光刻分辨率。

图9-3-12是显影后光刻胶的剖面示意图。除了图9-3-12(a)是正常显影剖面，其他剖面形状都是不正常的，需要去除光刻胶返工，重新进行光刻工艺。图9-3-12显影后光刻胶的剖面示意图

9.3.9坚膜

坚膜的原理是通过高温处理，蒸发掉光刻胶残留的有机溶剂，使光刻胶硬化，提高光刻胶抗刻蚀和抗离子注入的能力，并增强光刻胶在晶圆表面的附着力。

坚膜温度由光刻胶类型、黏度和厚度等决定。通常正胶坚膜温度约130℃，负胶坚膜温度约150℃，坚膜时间为1～2min。

若坚膜不足(温度过低，时间过短)，则光刻胶不能充分聚合，黏附性变差，刻蚀时光刻胶易出现浮胶、钻蚀等现象，影响刻蚀效果。若坚膜过度(温度过高，时间过长)，则光刻胶产生流动，造成分辨率变差，甚至光刻胶会发生翘曲和剥落。不同坚膜下的光刻胶剖面如图9-3-13所示。若坚膜温度高于300℃，光刻胶会发生分解，最终失去抗刻蚀和抗离子注入的能力。图9-3-13不同坚膜下的光刻胶剖面

9.3.10图形检查

图形检查(patterninspection)是光刻工艺的最后步骤，刻蚀工艺和离子注入工艺开始前必须对光刻胶图形进行检查。若光刻胶图形出现问题，剥去光刻胶，可以重新开始光刻。而刻蚀形成的图形和离子注入形成的掺杂则是永久性的，即刻蚀和离子注入以后就不能再返工了。若光刻胶图形出现错误而没有被发现，就会导致整批晶圆报废。

在现代集成电路制造中，常采用光学显微镜和SEM(扫描电子显微镜)等自动进行图形检查。

9.4光刻分辨率

9.4.1光刻分辨率的表示方法1.每毫米最多可容纳的线条数如图9-4-1所示，若可清晰分辨的最小线条宽度为L，线条间隔也是L，则分辨率R可表示为图9-4-1最小线条宽度和线条间隔示意图

2.光刻图形的最小尺寸

光刻分辨率通常用最小线条宽度直接表示，单位是μm或nm。

因为栅极尺寸决定了SiCMOS器件及其集成电路的性能，所以栅极尺寸就是光刻图形的最小尺寸，即特征尺寸。

9.4.2光刻分辨率的影响因素

1.数值孔径

光刻机透镜收集衍射光的能力称为数值孔径，用NA(numericalaperture)表示。NA越大，收集衍射光的能力越强，产生的图形就越尖锐、清晰。NA除了与透镜半径密切相关，还与透镜的焦深相关，其关系如下：

式中，n

是光传输媒介的折射率，r0

是透镜半径，D

是透镜焦深(光刻版与透镜的距离)。

通常，光传输媒介是空气，n

为1，因此式(9-4-2)可简化为

影响光刻分辨率的主要因素有光刻机、光刻胶和光刻版，其中光刻机是决定性因素。具体来讲，光刻分辨率R

由曝光光源波长、透镜的数值孔径等因素决定，其表达式是

式中，k1

为工艺因子，λ

为曝光光源波长，NA是透镜的数值孔径，R

的单位是μm或nm。式(9-4-4)也称瑞利公式。

2.光衍射

如图942所示，穿过光刻版透明窗口的光在窗口边缘产生了干涉图形，得到的是模糊的图像，这就是光衍射现象。波长越短，衍射越弱。图9-4-2光穿过光刻版透明窗口产生的衍射现象示意图

如图9-4-3所示，若在光刻版和硅晶圆表面光刻胶之间放置一块直径较大的光学透镜，将衍射光收集并集中于光刻版透明窗口内，则可增强投影到光刻胶上的图像，从而提高光刻分辨率。图9-4-1最小线条宽度和线条间隔示意图图9-4-3利用透镜收集衍射光

9.4.3提高光刻分辨率的措施

提高光刻分辨率的措施包括：提高数值孔径NA、减小曝光光源波长λ和减小工艺因子k1。

1.提高数值孔径NA

提高NA的方法有两种，即增大透镜半径和减小透镜焦深。用增大透镜半径来提高NA的方法简单有效，但成本更昂贵、制造更难。一个典型的光刻机投影物镜重约500kg，其包括约30块光学透镜，约60个光学平面，最大透镜直径约1m。投影物镜及其光学结构示意图如图9-4-4所示。图9-4-4投影物镜及其光学结构示意图

提高NA的创新案例：193nm浸入式光刻技术

由式(9-4-2)可知，NA除与透镜半径和透镜焦深有关，还与光传输媒介的折射率成正比，折射率越大，NA越大。

2002年，台积电的林本坚博士提出了浸入式光刻(immersionlithography)。浸入式光刻的原理是，在曝光镜头和晶圆之间填充折射率大于1的水或其他液体来替换空气，从而提高NA，如图9-4-5所示。

193nm的光束透过水介质，就能等效缩短至134nm，这使193nm光源应用的工艺制程由90nm延续到了10nm，不仅大大提高了光刻分辨率，同时还节约了新光源及配套技术的开发成本。图9-4-5浸入式光刻示意图

2.减小曝光光源波长λ

提高光刻分辨率的另一个有效途径是不断减小曝光光源波长。从G线(436nm)和I线(365nm)的紫外光源，到248nm和193nm的深紫外光源，再到当今最先进的13.5nm极紫外(EUV)光源，波长不断缩短，光刻分辨率不断提高。

减小光源波长看似简单，但一直都面临诸多挑战。例如，当研究开发一种更短波长的曝光光源时，必须同时研究开发与新光源配套的光刻机、光刻版、光刻胶等设备技术以及相应的光刻工艺技术。表9-4-1是4代曝光光源的波长及应用的特征尺寸，其中第三代光源的193nm浸入式光刻技术将摩尔定律由90nm工艺制程延续到10nm以下工艺制程。

3.减小工艺因子k1

减小k1

的方法最多，包括移相掩模(phaseshiftmask，PSM)、光学临近修正(opticalproximitycorrection，OPC)、离轴照明(off-axisillumination，OAI)、双重图形技术(doublepatterningtechnology，DPT)和三重图形技术(triplepatterningtechnology，TPT)等。

1)PSM

图9-4-6是PSM的结构示意图，在光刻版透明窗口交替涂覆一层被称为移相器的透明介质。图9-4-6PSM的结构示意图

PSM的原理是光通过该移相器后产生了与邻近未涂覆移相器的透明窗口相差180°的相位。两束相位差为180°的光发生干涉，消除了透明窗口边缘的光衍射，从而达到了提高光刻分辨率的目的，如图9-4-7所示。图9-4-7常规掩模(版)与PSM光刻图形对比示意图

2)OPC

当特征尺寸小于曝光波长时，曝光显影后的图形会严重失真变形，以至于失去图形功能。OPC的原理是通过改变光刻版图形边缘的形状或添加额外的多边形，来修正光刻衍射产生的图像失真或偏差，如图9-4-8所示。

图9-4-9是利用OPC技术提高光刻分辨率的实例图片。由图9-4-9可见，采用

OPC技术的光刻图形清晰、完整。图9-4-8OPC技术原理示意图图9-4-9OPC实例

3)OAI

图9-4-10(a)是传统的轴式照明系统，图9-4-10(b)是离轴照明系统。如图9-4-10(b)所示，OAI技术的原理是，点光源入射光线偏离透镜主光轴，使光线以一定的角度透过光刻版。此时只有两束衍射光(0，+1)被投影透镜收集，并在晶圆表面成像。离轴入射使光栅间距更小，从而获得更高的分辨率。图9-4-10(b)也称单极离轴照明，因为入射光来源于光圈的单孔。图9-4-10OAI技术原理示意图

4)多重图形技术

多重图形技术的原理是，将光刻版的复杂图形分解为N个简单的图形，通过多次叠加曝光显影，最终获得高分辨率的清晰图形。多重图形技术可将k1

因子降低为k1/N，N

是图形化次数。

图9-4-11是双重图形技术的原理示意图，该技术将复杂图形分解为两个简单图形，进行两次曝光，最后得到了清晰的曝光图形。图9-4-11DPT原理示意图

图9-4-12是DPT技术的LELE(litho-etch-litho-etch，光刻刻蚀光刻刻蚀)工艺流程。第一次光刻和第一次刻蚀将图形1刻蚀在硬掩模介质1上，第二次光刻和第二次刻蚀也将图形2刻蚀在相同的硬掩模介质1上，最终在硅晶圆上形成双倍密度的图形。图9-4-12LELE工艺流程

图9-4-13是DPT技术的自对准双重图形化(selfaligneddoublepatterning，SADP)

工艺流程，即一次光刻和刻蚀工艺形成轴心图形，在轴心图形侧壁形成侧墙，去除轴心图形(即牺牲层)后形成最终图形。图9-4-13SADP工艺流程图

9.5光刻机

9.5.1接触式光刻机接触式光刻机(contactaligner)是20世纪六七十年代小规模集成电路(SSI)时代应用的第一代光刻机，其光刻版与光刻胶紧密接触，如图9-5-1所示。接触式光刻机的优点是分辨率高，因为光刻版与光刻胶紧密接触，曝光时不会产生光的衍射。接触式光刻机的缺点是颗粒污染物会划伤光刻版，造成光刻版寿命大大缩短。颗粒污染物也使光刻胶产生缺陷，影响光刻胶图形的完整性。另外，光刻版与晶圆的紧密接触，会使光刻机的对准较为困难。图9-5-1接触式光刻机原理示意图

9.5.2接近式光刻机

为解决接触式光刻机存在的问题，20世纪70年代开发了第二代接近式光刻机(proximityaligner)，其光刻版与光刻胶有10～50μm的间距，如图9-5-2所示。

接近式光刻机的优点是光刻版寿命大大增加，光刻胶缺陷也大为减少。接近式光刻机的缺点是有较严重的光衍射，导致光刻分辨率降低，仅能曝光2~3μm特征尺寸的图形。图9-5-2接近式光刻机原理示意图

9.5.3投影式光刻机

为同时解决接触式光刻机和接近式光刻机存在的问题，开发了第三代投影式光刻机(projectionaligner)，其原理是在光刻版与光刻胶之间放置光学透镜，将光刻版图形通过透镜投影到光刻胶上，如图9-5-3所示。

由于采用了多组透镜，投影式光刻机的分辨率大大提升，在现代集成电路生产中被广泛使用。投影式光刻机采用1×1光刻版(Mask)，光刻时只需一次曝光就可完成整个晶圆图形的曝光。

当特征尺寸缩小到亚微米时，投影式光刻机面临两个挑战：一是亚微米级1×1图形尺寸光刻版的制造越来越困难；二是亚微米特征尺寸对应直径200mm(约8英寸)的硅晶圆，曝光时需要相应尺寸的稳定平行光场，而大尺寸稳定平行光场和更大尺寸透镜的制作都是巨大的挑战。图9-5-3投影式光刻机原理示意图

9.5.4步进重复光刻机

如图9-5-4所示，步进重复光刻机(step-and-repeatlithographicsystem，Stepper)的原理是通过缩小透镜，将光刻版的2～10倍图形缩小投影到光刻胶上，每次仅曝光一个或几个裸片(Die)图形，分步重复曝光，直到整个晶圆图形完全曝光。Stepper的曝光场是一个或几个裸片图形，一次完成曝光，重复进行。

Stepper的优点有三个：一是采用2X~10X光刻版，掩模图形制作难度大为减小，提高了光刻版的精度和良品率；二是投影到光刻胶的图形被缩小了2~10倍，光刻版的尘埃和缺陷也同样缩小了2~10倍，芯片可靠性大大提高；三是光刻版尺寸大大缩小，曝光的光场尺寸也大大缩小，光场稳定性大为提高。图9-5-4步进重复光刻机原理示意图

9.5.5步进扫描光刻机

虽然Stepper的优点有很多，但每次曝光的最大曝光区域面积较小，影响了曝光效率。因此，人们在Stepper的基础上开发了步进扫描光刻机(step-and-scanlithographicsystem，Scanner)。

如图955所示，Scanner的原理是连续移动光刻版承载台，使一条狭缝式曝光带同时扫过光刻版和晶圆上的光刻胶，即通过扫描的方式对光刻胶进行曝光。一次扫描曝光完成后，晶圆就会步进到下一个曝光区域，重复扫描过程。使用6英寸(约150mm)投影光刻版的Scanner，其标准曝光场尺寸是26mm×33mm。

Scanner的最大优点是增大了曝光场，相同的光刻版可放置更多芯片图形，进而减少了步进次数，提高了曝光效率。另一个优点是，扫描过程中通过调节聚焦，可对光刻胶的平整度变化进行调整，改善了CD均匀性。图9-5-5步进重复与步进扫描曝光方式与曝光场对比

9.6曝光光源

曝光光源有两个重要参数：一是波长，它决定了光刻的分辨率，也决定了与之相配套的光刻胶、显影液乃至光刻版等材料与工艺；二是光强度，它决定了曝光时间，也决定了光刻工艺乃至整个工艺的生产效率。

9.6.1紫外光源

紫外光源主要由高压汞灯提供。如图9-6-1所示，高压汞灯可提供两个波长的光源，分别是365nm的I线和436nm的G线。

G线的分辨率是0.5μm，应用于0.5μm工艺制程。I线的波长较G线短，可应用于0.35μm工艺。图9-6-1高压汞灯产生的紫外光谱

9.6.2深紫外光源

深紫外光源主要由准分子激光器提供。准分子激光器光源产生的原理是，当不稳定的准分子分解成两个组成原子时，激发态发生衰减，同时发射出激光。与高压汞灯不同，准分子激光器可提供稳定、高强度的单色光。

目前用于光学曝光的深紫外光源，包括波长为248nm的KrF(氟化氪)和波长为193nm的ArF(氟化氩)。

248nm光源的光刻分辨率是0.25μm，应用于0.25μm、0.18μm和0.13μm三个工艺制程。

193nm光源应用于0.13μm和90nm工艺制程，但193nm浸入式光刻技术使其应用延续到10nm制程，也使摩尔定律延续了六七代，193nm浸入式光刻机成为应用最广的光刻机。

由于193nm浸入式光刻机可用于14nm及更先进的工艺制程，ASML于2023年3延续到10nm制程，也使摩尔定律延续了六七代，193nm浸入式光刻机成为应用最广的光刻机。月宣布限制DUV浸入式光刻机出口中国，包括TWINSCANNXT2000i和TWINSCANNXT2050i。2023年3月31日，日本对6大类23项先进半导体制造设备追加出口管制，其中4项涉及DUV光刻机。中国光刻机技术的发展任重道远。

9.6.3极紫外光源

两束独立的脉冲激光以50000次每秒的频率轰击快速运动的锡(Sn)滴，锡滴受激发辐射出13.5nm极紫外(extremeultra-violet，EUV)光，多层反射透镜收集极紫外光，汇聚成极紫外光源，如图9-6-2所示。图9-6-2极紫外光产生原理示意图

9.7光刻胶

光刻胶(photoresist，PR)又称光致抗蚀剂或光罩，是临时涂覆在晶圆表面的光敏感有机材料。光刻胶只对紫外光敏感，对可见光不敏感。光刻胶应具有两个基本性质：一是对特定紫外光具有光敏感性；二是显影后的光刻胶应具有抗刻蚀和抗离子注入特性。

9.7.1光刻胶的特性

光刻胶在曝光时会发生化学分解或聚合反应，这些反应使其在显影液中的溶解度发生变化，从而实现将光刻版的图形转移到光刻胶上。根据化学反应特性，光刻胶分为正性光刻胶和负性光刻胶，简称正胶和负胶。正性光刻胶形成的图形与光刻版图形一致，负性光刻胶形成的图形与光刻版图形相反，如图9-7-1所示。图9-7-1正胶与负胶光刻图形对比示意图

1.正性光刻胶的特性

曝光时受光照的正胶发生分解反应，由大分子分解为小分子。显影时受光照的正胶被显影液溶解；未受光照的正胶不溶解，留下后形成光刻版的光刻胶图形。

由于显影时正胶不吸收显影液，正胶体积不膨胀，正胶图形不变，因而正胶分辨率高。

2.负性光刻胶的特性

曝光时受光照的负胶发生聚合反应，由小分子变为不易溶解的大分子。显影时未受光照的负胶被显影液溶解；而受光照的负胶不被显影液溶解，形成与光刻版图形相反的光刻胶图形。

负胶在显影时容易吸收显影液，使得负胶“膨胀”，造成负胶图形膨胀，难以形成精细线条，因而负胶的分辨率低，现代集成电路制造工艺已不采用负胶。

9.7.2光刻胶的基本组成

1.聚合物

聚合物是有机高分子树脂材料，其作用是将光刻胶黏附在晶圆表面，并使光刻胶具备抗刻蚀和抗离子注入的特性。正胶最常见的聚合物是酚甲醛或酚醛树脂，负胶最常见的聚合物是聚异戊二烯橡胶。

正胶的聚合物曝光时由不可溶树脂变成可溶的小分子，而负胶的聚合物曝光时由可溶结构变成更大的不可溶的交联聚合物。

2.感光剂

感光剂(photoactivecompound，PAC)是光刻胶的核心关键材料，对特定波长的光非常敏感，曝光时发生光化学反应，并控制和调整光刻胶的显影特性。

正胶感光剂未曝光时是一种溶解抑制剂，交联在聚合物中，显影时抑制光刻胶的溶解。一旦曝光，正胶的感光剂发生分解，破坏聚合物的交联结构，显影时被溶解。

负胶感光剂是含有N3

的有机分子，感光时分解出N2，形成有助于交联橡胶分子的自由基。该自由基使曝光的负胶聚合物聚合成更大的聚合物，使光刻胶具有较强的抗刻蚀和抗离子注入能力。

3.溶剂(solvent)

溶剂的作用是调整光刻胶的黏度，便于涂胶工艺，占光刻胶的75%~90%。溶剂只改变光刻胶黏度，对光刻胶化学特性没有影响。

正胶的溶剂通常是醋酸盐类，负胶的溶剂通常是丙酮、二甲苯等有机溶剂。

4.添加剂

添加剂用来控制和改变光刻胶的化学特性或光响应特性。例如，能增加光刻胶的感光范围、提高光刻胶光灵敏度的增感剂，能降低光刻胶的反射率、提高光刻胶分辨率的染料，都属于添加剂。添加剂是专有化学品，其成分和组分通常不公开，以保障竞争力。

9.7.3光刻胶的感光和显影机理

1.正胶

图9-7-2是紫外光I线光刻时最常用的重氮萘醌(DNQ)正胶的分子结构。其中，聚合物树脂基体是偏甲氧基酚醛树脂(N)，感光剂是重氮醌(DQ)，溶剂是二甲苯和醋酸盐。

DNQ正胶的光分解机理和显影机理如图9-7-3所示。受光照后，重氮萘醌的偏甲氧基酚醛树脂(N)分解为乙烯酮，乙烯酮遇水形成羧酸。羧酸与碱性的显影液反应生成羧酸盐，羧酸盐可溶于水，从而被溶解掉。图9-7-2DNQ的分子结构图9-7-3DNQ正胶的光分解机理和显影机理

化学放大光刻胶主要由主链聚合物(backbonepolymer)、PAG、刻蚀阻挡基团(etchingbarrier)、酸根(acidicgroup)、保护基团(protectinggroup)、溶剂等组成。图9-7-4是IBM第一代248nmCAR(商品名是APEX)的光催化反应示意图。图9-7-4IBM第一代CAR光催化反应示意图

2.负胶

负胶主要由聚合物单体、光敏剂和溶剂构成。负胶的原理是，光敏剂产生自由基，引发单体小分子聚合交联形成大分子，使可溶性变为不溶性，从而实现图形从光刻版转移到光刻胶上。

由于负胶的光刻分辨率较低，不能用于1.5μm及以下的细线条图形，因此现代集成电路制造的光刻工艺已不采用负胶。

9.7.4光刻胶的性能参数

1.光刻胶的对比度

如图9-7-5所示，对比度是指光刻胶从曝光区向非曝光区过渡的陡度，代表着只适用于光刻版透光区规定范围内的光刻胶的能量。对比度越大，光刻后的线条边缘越陡，且正胶对比度大于负胶。

光刻胶对比度的表达式如下：

式中，D0

是开始光化学反应的曝光剂量，D100

是所有光刻胶完全去除需要的最低曝光剂量。曲线斜率越大，对比度越大。图9-7-5理想光刻胶的对比度曲线

2.光刻胶的光敏度

光敏度是指光刻胶完全曝光所需的最小曝光量，其表达式为

式中，E

是最小曝光量(lx·s，勒克斯·秒)，n

是比例系数。

光敏度S

是光刻胶对光的敏感程度的表征，最小曝光量越小，光敏度越高，负胶的S大于正胶。

3.光刻胶的抗蚀能力

光刻胶的抗蚀能力是指光刻胶耐酸碱腐蚀或耐等离子体刻蚀的程度。光刻胶对不同的刻蚀工艺(或离子注入工艺)有不同的抗刻蚀(或抗注入)能力。

由于曝光显影后是有机高分子树脂，光刻胶对无机腐蚀液的湿法刻蚀的抗蚀能力较强，但对等离子体的干法刻蚀的抗蚀能力较差。相对于正胶，负胶是交联度更高的树脂，因此负胶的抗蚀能力大于正胶。

光刻胶抗蚀能力与光刻分辨率成反比，抗蚀能力越强，分辨率越低。因此，在光刻胶特性的选择上，应综合考虑抗蚀能力与分辨率的矛盾。

9.7.5光刻胶工艺仿真

光刻胶的膜厚度、曝光剂量、显影时间等参数都会影响光刻工艺的效果，通过改变这些参数可以分析光刻工艺后光刻胶膜图形的变化规律，加深对光刻工艺的理解。

采用Silvaco软件来对光刻工艺进行模拟实验，使用AZ1350J正性光刻胶，I线曝光光源。

仿真实验步骤如下：

(1)打开Silvaco软件中的DeckBuild程序运行窗口，并调入基本模拟程序，如图9-7-6所示。图9-7-6Silvaco软件中DeckBuild程序运行窗口及基本模拟程序

(2)进行改变光刻胶膜厚度的工艺模拟：设置曝光剂量为240mJ/cm2，显影时间为60s，光刻胶膜厚度分别为0.3μm、0.8μm、2.0μm；运行程序，并利用Tonyplot模块输出不同光刻胶膜厚度时光刻胶膜图形的变化特点和规律。

(3)进行改变曝光剂量的工艺模拟：设置光刻胶膜厚度为0.8μm，显影时间为60s，曝光剂量分别为50mJ/cm2、80mJ/cm2、240mJ/cm2；运行程序，并利用Tonyplot模块输出不同曝光剂量时光刻胶膜图形的变化特点和规律。

(4)进行改变显影时间的工艺模拟：设置光刻胶膜厚度为0.8μm，曝光剂量为240mJ/cm2，显影时间分别为10s、60s、200s；运行程序，并利用Tonyplot模块输出不同显影时间时光刻胶膜图形的变化特点和规律。

9.8光刻版

9.8.1光刻版的结构光刻版是光刻工艺的三要素之一，也是影响光刻分辨率的主要因素。光刻版的结构如图9-8-1所示。

图9-8-1光刻版的结构示意图

1.基板材料

光刻版基板材料作为透光窗口，要求透光度高，热膨胀系数与掩模材料匹配。现代光刻版的基板材料是熔融石英(fusedsilica)，对深紫外光有很高的透射率，具有很低的热膨胀系数和较少的内部缺陷，而低膨胀意味着光刻版在温度改变时掩模尺寸是相对稳定的，这对光刻图形的分辨率和质量极为重要。

2.掩模材料

光刻版的图形是用不透光的材料制作的，故称掩模。现代光刻版掩模材料通常采用金属铬(chromium，Cr)，俗称铬版，它具有针孔少、强度高、分辨率高等优点。

3.抗反射层

为提高光刻分辨率，防止曝光时掩模对光反射引起衍射，光刻版还要通过溅射淀积一层氧化铬(Cr2O3)，以作为抗反射层。

4.保护膜

为杜绝灰尘和微小颗粒的污染，现代光刻版采用了透明保护膜。如图9-8-1所示，保护膜被紧绷在一个密封框架上，距掩模版上方5~10mm。保护膜是乙酸硝基氯苯和聚酯碳氟化物，对曝光光线是透明的，厚度为0.7~12μm。

9.8.2光刻版的分类

按照光刻版图形尺寸与版图设计图形尺寸的比例不同，光刻版分为光掩模版(Mask)和投影光刻版(Reticle)两类。

光掩模版包含了整个硅片的芯片图形特征，进行1∶1图形复制。这种掩模版用于早期的接触式、接近式和投影式光刻机。

投影光刻版只包含晶圆一小部分图形，图形比例一般为4∶1或5∶1，是152mm×152mm(约6英寸×6英寸)的正方形，用于Stepper和Scanner的曝光。

投影光刻版的优点：

①图形尺寸较大，制造更加容易；

②缺陷或尘埃会缩小数倍，提高了工艺可靠性；

③分步对焦，提高了曝光均匀性。

9.9先进的光刻技术

光刻技术不断更新换代的核心是光刻分辨率的不断提高。根据光刻分辨率的瑞利公式，提高光刻分辨率的措施有减小曝光光源波长、增大光刻机透镜数值孔径NA、减小工艺因子k1。

9.9.1193nm浸入式光刻技术

193nmArF激光器光源对应的极限工艺制程是90nm，下一个曝光光源应该是157nmF2激光器光源。然而，传统石英光学透镜和石英光刻版基板会强烈地吸收157nm光，这使得157nm光刻技术难以应用于大规模生产。

2002年，台积电的林本坚提出了193nm浸入式光刻技术，将工艺制程由90nm工艺制程延续到10nm工艺制程。

数值孔径NA与光传输媒介的折射率成正比，在光刻机曝光镜头与晶圆之间填充折射率大于1的水或其他液体代替空气作为光传输的媒介，数值孔径NA将得到有效提升，如图9-9-1所示。水对光的折射率是1.44，透过水介质的193nm光就能等效缩短至134nm。图9-9-1以空气为媒介的干式光刻和以水为媒介的浸入式光刻示意图

9.9.2极紫外光刻技术

极紫外光刻技术是最先进的光刻技术，其光源波长为13.5nm。极紫外光刻技术的特性是分辨率极高，主要应用于10nm及以下工艺制程。

EUV光刻机由光源、真空腔室(传输EUV光)、光刻版、多层反射镜阵列、晶圆机台和晶圆装载台等组成。极紫外光刻机结构示意图如图9-9-2所示。图9-9-2极紫外光刻机结构示意图

1.曝光原理

如图9-9-3所示，EUV光经由周期性多层Mo/Si薄膜反射镜组成的聚焦系统入射到反射光刻版上，反射出的EUV光再通过周期性多层Mo/Si薄膜反射镜组成的非球面反射光学投影系统，将EUV反射光刻版的图形成像到光刻胶中，最终形成集成电路所需要的光刻图形。图9-9-3EUV光刻机曝光原理示意

2.光刻版

EUV光的波长仅为13.5nm，属于软X射线，传统光刻版的石英基板甚至空气都对其有强烈的吸收。因此，EUV光刻版只能采用与EUV曝光反射透镜相同的光学反射层传递光刻版图形信息。EUV光刻版结构示意图如图9-9-4所示。

EUV光刻版基板采用对EUV光吸收小、热导率高、低热膨胀的材料，如硅晶圆。EUV光刻版传递图形信息的反射层是40个堆叠周期的Mo/Si双分子层，对极紫外光的反射率可达65%。

EUV光刻版的EUV光吸收层沉积于Mo/Si多层反射层上，材料为TiN，厚度多为100nm，对极紫外光的吸收率可接近100%。图9-9-4EUV光刻版结构示意图

9.9.3纳米压印光刻(NIL)技术

1995年，美国普林斯顿大学的周郁(StephenY.Chou)首次提出了纳米压印光刻(nanoimprintlithography，NIL)技术。该技术以高温和高压的方式，利用纳米尺寸图形的掩模版(又称压模)在涂有高分子材料的硅晶圆上压印复制出等比例的纳米图案。

1.技术原理与技术特性

NIL技术的原理是将刻有纳米图形的掩模版压印到涂有高分子聚合物膜的硅晶圆上，形成聚合物纳米图形，通过加热或紫外光照使聚合物图形固化。

NIL技术的特点是高分辨率、低成本，目前最小压印图形尺寸小于5nm，因此NIL技术是EUV光刻技术潜在的竞争者。但NIL技术要应用到更先进的工艺制程，必须解决掩模版缺陷、图形重叠、成品率和数千到数万个掩模版管理等关键问题。一个掩模版只能使用约10000次，也就是100个晶圆的图形