芯片光刻全过程（清洗/预烘/涂覆/前烘/曝光/显影/刻蚀/去除）

Niepce的发明100多年后，即第二次天下大战期间才第一运用于制作印刷电路板，即在塑料板上制作铜线路。
到1961年光刻法被用于在Si上制作大量的眇小晶体管，当时分辨率5um，如今除可见光光刻之外，更涌现了X-ray和荷电粒子刻划等更高分辨率方法。

所谓光刻，根据维基百科的定义，这是半导体器件制造工艺中的一个主要步骤，该步骤利用曝光和显影在光刻胶层上刻画几何图形构造，然后通过刻蚀工艺将光掩模上的图形转移到所在衬底上。
这里所说的衬底不仅包含硅晶圆，还可以是其他金属层、介质层，例如玻璃、SOS中的蓝宝石。

光刻的基本事理是利用光致抗蚀剂（或称光刻胶）感光后因光化学反应而形成耐蚀性的特点，将掩模板上的图形刻制到被加工表面上。

光刻事理意图

光刻不是一个大略的过程，它要经历很多步骤：

光刻的工序

下面我们来详细先容一下光刻的工序：

一、洗濯硅片（Wafer Clean）

洗濯硅片的目的是去除污染物去除颗粒、减少针孔和其它毛病，提高光刻胶黏附性

基本步骤：化学洗濯——漂洗——烘干。

硅片经由不同工序加工后，其表面已受到严重沾污，一样平常讲硅片表面沾污大致可分在三类：

A. 有机杂质沾污： 可通过有机试剂的溶解浸染，结合超声波洗濯技能来

去除。

B. 颗粒沾污：利用物理的方法可采机器擦洗或超声波洗濯技能来去除粒径 ≥ 0.4 m颗粒，利用兆声波可去除 ≥ 0.2 m颗粒。

C. 金属离子沾污：必须采取化学的方法才能洗濯其沾污，硅片表面金属杂质沾污有两大类：

a. 一类是沾污离子或原子通过吸附分散附着在硅片表面。

b. 另一类是带正电的金属离子得到电子后面附着（尤如“电镀”）到硅片表面。

硅抛光片的化学洗濯目的就在于要去除这种沾污，一样平常可按下述办法进行洗濯去除沾污。

a. 利用强氧化剂使“电镀”附着到硅表面的金属离子、氧化成金属，溶解在洗濯液中或吸附在硅片表面。

b. 用无害的小直径强正离子（如H+）来替代吸附在硅片表面的金属离子，使之溶解于洗濯液中。

c. 用大量去离水进行超声波洗濯，以打消溶液中的金属离子。

自1970年美国RCA实验室提出的浸泡式RCA化学洗濯工艺得到了广泛运用，1978年RCA实验室又推出兆声洗濯工艺，近几年来以RCA洗濯理论为根本的各种洗濯技能不断被开拓出来，例如：美国FSI公司推出离心喷淋式化学洗濯技能、美国原CFM公司推出的Full-Flow systems封闭式溢流型洗濯技能、美国VERTEQ公司推出的介于浸泡与封闭式之间的化学洗濯技能（例Goldfinger Mach2洗濯系统）、美国SSEC公司的双面檫洗技能（例M3304 DSS洗濯系统）、 日本提出无药液的电介离子水洗濯技能（用电介超纯离子水洗濯）使抛光片表面清洁技能达到了新的水平、以HF / O3为根本的硅片化学洗濯技能。

二、预烘和底胶涂覆（Pre-bake and Primer Vapor）

由于光刻胶中含有溶剂，以是对付涂好光刻胶的硅片须要在80度旁边的。
硅片脱水烘焙能去除圆片表面的潮气、增强光刻胶与表面的黏附性、常日大约100 C。
这是与底胶涂覆合并进行的。

底胶涂覆增强光刻胶(PR)和圆片表面的黏附性。
广泛利用: (HMDS)六甲基二硅胺、在PR旋转涂覆前HMDS蒸气涂覆、PR涂覆前用冷却板冷却圆片。

预烘和底胶蒸气涂覆

三、光刻胶涂覆（Photoresist Coating）

光刻胶涂覆常日的步骤是在涂光刻胶之前，先在900-1100度湿氧化。
氧化层可以作为湿法刻蚀或B注入的膜版。
作为光刻工艺自身的第一步，一薄层的对紫外光敏感的有机高分子化合物，即常日所说的光刻胶，要涂在样品表面(SiO2)。
首先光刻胶被从容器中取出滴布到置于涂胶机中的样品表面，(由真空负压将样品固定在样品台上)，样品然后高速旋转，转速由胶粘度和希望胶厚度确定。
在这样的高速下，胶在离心力的浸染下向边缘流动。

涂胶工序是图形转换工艺中最初的也是主要的步骤。
涂胶的质量直接影响到所加工器件的毛病密度。
为了担保线宽的重复性和接下去的显影韶光，同一个样品的胶厚均匀性和不同样品间的胶厚同等性不应超过5nm(对付1.5um胶厚为0.3%)。

光刻胶的目标厚度的确定紧张考虑胶自身的化学特性以及所要复制图形中线条的及间隙的微细程度。
太厚胶会导致边缘覆盖或连通、小丘或田亘状胶貌、使成品率低落。
在MEMS中、胶厚(烤后)在0.5-2um之间，而对付分外微构造制造，胶厚度有时希望1cm量级。
在后者，旋转涂胶将被铸胶或等离子体胶聚合等方法取代。
常规光刻胶涂布工序的优化须要考虑滴胶速率、滴胶量、转速、环境温度和湿度等，这些成分的稳定性很主要。

在这里说一下，光刻胶的紧张身分有一种聚合物(树脂)、敏化剂和溶剂。
聚合物在被辐照时构造变革，溶剂使其能被甩胶并在样品表面形成薄膜，敏化剂掌握聚合相的化学反应。
不含有敏化剂的光刻胶有时称为单元或一元体系，而含有敏化剂使则称为二元体系。
溶剂或其它添加物常日不计入元数，由于它们不直接参与光刻胶的光化学反应。

根据性子的不一样，光刻胶可以分为正胶和负胶。

在工艺发展的早期，负胶一贯在光刻工艺中占主导地位，随着VLSI IC和2～5微米图形尺寸的涌现，负胶已不能知足哀求。
随后涌现了正胶，但正胶的缺陷是粘结能力差。

用正胶须要改变掩膜版的极性，这并不是大略的图形翻转。
由于用掩膜版和两种不同光刻胶结合，在晶园表面光刻得到的尺寸是不一样的，由于光在图形周围的衍射效应，使得用负胶和亮场掩膜版组合在光刻胶层上得到的图形尺寸要比掩膜版上的图形尺寸小。
用正胶和暗场掩膜版组合会使光刻胶层上的图形尺寸变大。

光刻胶涂覆

四、前烘（Soft Bake）

完成光刻胶的涂抹之后，须要进行软烘干操作，这一步骤也被称为前烘。
前烘能够蒸发光刻胶中的溶剂溶剂、能使涂覆的光刻胶更薄。

在液态的光刻胶中，溶剂身分占65％－85％。
虽然在甩胶之后，液态的光刻胶已经成为固态的薄膜，但仍有10％－30％的溶剂，随意马虎沾污灰尘。
通过在较高温度下进行烘培，可以使溶剂从光刻胶中挥发出来（前烘后溶剂含量降至5％旁边），从而降落了灰尘的沾污。
同时，这一步骤还可以减轻因高速旋转形成的薄膜应力，从而提高光刻胶 衬底上的附着性。

在前烘过程中，由于溶剂挥发，光刻胶厚度也会减薄，一样平常减薄的幅度为10％－20％旁边。

Baking Systems

四、对准（Alignment）

光刻对准技能是曝光前一个主要步骤作为光刻的三大核心技能之一，一样平常哀求对准精度为最细线宽尺寸的 1/7---1/10。
随着光刻分辨力的提高 ，对准精度哀求也越来越高 ，例如针对 45am线宽尺寸 ，对准精度哀求在5am 旁边。

受光刻分辨力提高的推动 ，对准技能也经历 迅速而多样的发展 。
从对准事理上及标记结 构分类 ，对准技能从早期的投影光刻中的几何成像对准办法 ，包括视频图像对准、双目显微镜对准等，一贯到后来的波带片对准办法 、干涉强度对准 、激光外差干涉以及莫尔条纹对准办法 。
从对准旗子暗记上分 ，紧张包括标记的显微图像对准 、基于光强信息的对准和基于相位信息对准。

对准法则是第一次光刻只是把掩膜版上的Y轴与晶园上的平边成90，如图所示。
接下来的掩膜版都用对准标记与上一层带有图形的掩膜对准。
对准标记是一个分外的图形（见图），分布在每个芯片图形的边缘。
经由光刻工艺对准标记就永久留在芯片表面，同时作为下一次对准利用。

对准方法包括：

a、预对准，通过硅片上的notch或者flat进行激光自动对准

b、通过对准标志，位于切割槽上。
其余层间对准，即套刻精度,担保图形与硅片上已经存在的图形之间的对准。

五、曝光（Exposure）

在这一步中，将利用特定波长的光对覆盖衬底的光刻胶进行选择性地照射。
光刻胶中的感光剂会发生光化学反应，从而使正光刻胶被照射区域（感光区域）、负光刻胶未被照射的区域（非感光区）化学身分发生变革。
这些化学身分发生变革的区域，不才一步的能够溶解于特定的显影液中。

在接管光照后，正性光刻胶中的感光剂DQ会发生光化学反应，变为乙烯酮，并进一步水解为茚并羧酸（Indene-Carboxylic-Acid, CA），羧酸在碱性溶剂中的溶解度比未感光部分的光刻胶赶过约100倍，产生的羧酸同时还会促进酚醛树脂的溶解。
利用感光与未感光光刻胶对碱性溶剂的不同溶解度，就可以进行掩膜图形的转移。

曝光方法：

a、打仗式曝光（Contact Printing）掩膜板直接与光刻胶层打仗。

b、靠近式曝光（Proximity Printing）掩膜板与光刻胶层的略微分开，大约为10～50m。

c、投影式曝光（Projection Printing）。
在掩膜板与光刻胶之间利用透镜聚拢光实现曝光。

d、步进式曝光(Stepper)

这里特殊说一下投影式曝光的分类：

曝光中最主要的两个参数是：

1.曝光能量（Energy）

2.焦距（Focus）

如果能量和焦距调度不好，就不能得到哀求的分辨率和大小的图形。
表现为图形的关键尺寸超出哀求的范围。

六、显影(development)

通过在曝光过程结束后加入显影液，正光刻胶的感光区、负光刻胶的非感光区，会溶解于显影液中。
这一步完成后，光刻胶层中的图形就可以显现出来。
为了提高分辨率，险些每一种光刻胶都有专门的显影液，以担保高质量的显影效果。

显影工序使将在曝光过程中形成的隐性图形成为光刻胶在与不在的显性图形，以作为下一步加工的膜版。
显影中进行的是选择性溶解的过程，最主要的是曝光区和未曝光区之间溶解率的比值(DR)。
商用正胶有大于1000的DR比，在曝光区溶解速率为3000nm/min，在未曝光区只有几nm/min。

现在有二种显影方法，一是湿显影，他在IC和微加工中正广泛利用，另一种是干显影。

a、整盒硅片浸没式显影（Batch Development）。

缺陷：显影液花费很大；显影的均匀性差；

b、连续喷雾显影（Continuous Spray Development）/自动旋转显影（Auto-rotation Development）。
一个或多个喷嘴喷洒显影液在硅片表面，同时硅片低速旋转（100～500rpm）。
喷嘴喷雾模式和硅片旋转速率是实现硅片间溶 解率和均匀性的可重复性的关键调节参数。

c、水坑（旋覆浸没）式显影（Puddle Development）。
喷覆足够（不能太多，最小化背面湿度）的显影液到硅片表面，并形成水坑形状（显影液的流动保持较低，以减少边缘显影速率的变 化）。
硅片固定或逐步旋转。
一样平常采取多次旋覆显影液：第一次涂覆、保持10～30秒、去除；第二次涂覆、保持、去除。
然后用去离子水冲洗（去除硅片两面的 所有化学品）并旋转甩干。
优点：显影液用量少；硅片显影均匀；最小化了温度梯度。

显影液：

a、正性光刻胶的显影液。
正胶的显影液位碱性水溶液。
KOH和NaOH由于会带来可 动离子污染（MIC，Movable Ion Contamination），以是在IC制造中一样平常不用。
最普通的正胶显影液是四甲基氢氧化铵（TMAH）（标准当量浓度为0.26，温度 15～250C）。
在I线光刻胶曝光中会天生羧酸，TMAH显影液中的碱与酸中和使曝光的光刻胶溶解于显影液，而未曝光的光刻胶没有影响；在化学放大光刻 胶（CAR，Chemical Amplified Resist）中包含的酚醛树脂以PHS形式存在。
CAR中的PAG产生的酸会去除PHS中的保护基团（t-BOC），从而使PHS快速溶解于TMAH显 影液中。
全体显影过程中，TMAH没有同PHS发生反应。

b、负性光刻胶的显影液。
二甲苯。
洗濯液为乙酸丁脂或乙醇、三氯乙烯。

显影中的常见问题：

a、显影不完备（Incomplete Development）。
表面还残留有光刻胶。
显影液不敷造成；

b、显影不足（Under Development）。
显影的侧壁不垂直，由显影韶光不敷造成；

c、过度显影（Over Development）。
靠近表面的光刻胶被显影液过度溶解，形成台阶。
显影韶光太长。

六、坚膜 （Hard Bake）

刻胶显影完成后，图形就基本确定，不过还须要使光刻胶的性子更为稳定。
硬烘干可以达到这个目的，这一步骤也被称为坚膜。
在这过程中，利用高温处理，可以撤除光刻胶中剩余的溶剂、增强光刻胶对硅片表面的附着力，同时提高光刻胶在随后刻蚀和离子注入过程中的抗蚀性能力。
其余，高温下光刻胶将软化，形成类似玻璃体在高温下的熔融状态。
这会使光刻胶表面在表面张力浸染下调皮化，并使光刻胶层中的毛病（如针孔）减少，这样改动光刻胶图形的边缘轮廓。

用O2等离子体对样品整体处理，以打消显影后可能的非望残留叫de-scumming。
特殊是负胶但也包括正胶，在显影后会在原来胶-基板界面处残留聚合物薄层，这个问题在构造小于1um或大深-宽比的构造中更为严重。
当然在De-scumming过程中留胶厚度也会降落，但是影响不会太大。

末了，在刻蚀或镀膜之前须要硬烤以去除残留的显影液和水，并退火以改进由于显影过程渗透和膨胀导致的界面接合状况。
同时提高胶的硬度和提高抗刻蚀性。
硬烤温度一样平常高达120度以上，韶光也在20分旁边。
紧张的限定是温度过高会使图形边缘变差以及刻蚀后难以去除。

方法：热板，100～1300C（略高于玻璃化温度Tg），1～2分钟。

目的：

a、完备蒸发掉光刻胶里面的溶剂（以免在污染后续的离子注入环境，例如DNQ酚醛树脂 光刻胶中的氮会引起光刻胶局部爆裂）；

b、坚膜，以提高光刻胶在离子注入或刻蚀中保护下表面的能力；

c、进一步增强光刻胶与硅片表面之间的黏附性；

d、进 一步减少驻波效应（Standing Wave Effect）。

常见问题：

a、烘烤不敷（Underbake）。
减弱光刻胶的强度（抗刻蚀能力和离子注入中 的阻挡能力）；降落针孔添补能力（Gapfill Capability for the needle hole）；降落与基底的黏附能力。

b、烘烤过度（Overbake）。
引起光刻胶的流动，使图形精度降落，分辨率变差。
其余还可以用深紫外线（DUV，Deep Ultra-Violet）坚膜。
使正性光刻胶树脂发生交联形成一层薄的表面硬壳，增加光刻胶的热稳定性。
在后面的等离子刻蚀和离子注入（125～2000C）工艺中减少因光刻胶高温流动而引起分辨率的降落。

七、刻蚀或离子注入

刻蚀（英语：etching）是半导体器件制造中利用化学路子选择性地移除沉积层特定部分的工艺。
刻蚀对付器件的电学性能十分主要。
如果刻蚀过程中涌现失落误，将造成难以规复的硅片报废，因此必须进行严格的工艺流程掌握。
半导体器件的每一层都会经历多个刻蚀步骤。

刻蚀一样平常分为电子束刻蚀和光刻，光刻对材料的平整度哀求很高，因此，须要很高的清洁度。
但是，对付电子束刻蚀，由于电子的波长极短，因此分辨率与光刻比较要好的多。
由于不须要掩模板，因此对平整度的哀求不高，但是电子束刻蚀很慢，而且设备昂贵。

对付大多数刻蚀步骤，晶圆上层的部分位置都会通过“罩”予以保护，这种罩不能被刻蚀，这样就能对层上的特定部分进行选择性地移除。
在有的情形中，罩的材料为光阻性的，这和光刻中利用的事理类似。
而在其他情形中，刻蚀罩须要耐受某些化学物质，氮化硅就可以用来制造这样的“罩”。

离子注入是一种将特定离子在电场里加速，然后嵌入到另一固体材料之中的技能手段。
利用这个技能可以改变固体材料的物理化学性子，现在已经广泛运用于半导体器件制造和某些材料科学研究。
离子注入可以导致核转变，或改变某些固体材料的晶体构造。

八、光刻胶的去除

光刻胶的紧张功能是在全体区域进行化学或机器处理工艺时，保护光刻胶下的衬底部分。
以是当以上工艺结束之后，光刻胶应全部去除，这一步骤简称去胶。
只有那些高温稳定的光刻胶，例如光敏感聚酰亚胺，可以作为中间介质或缓冲涂层而留在器件上。

为避免对被处理表面的任何损伤，应该利用低温下温和的化学方法。
超声波的运用也可以增强剥离效能。
由于有堕落问题、一些已知的剥离液不能浸染与铝等金属表面；在此情形下、臭氧或氧等离子体(灰化)是首先采取的。
这些等离子体同样成功地作为非铝表面的光刻交剥离剂，但是，器件表面的破坏仍是要办理的问题。

刻蚀或离子注入之后，已经不再须要光刻胶作保护层，可以将其撤除。
去胶的方法分类如下：

湿法去胶

有机溶剂去胶：利用有机溶剂撤除光刻胶

无机溶剂：通过利用一些无机溶剂，将光刻胶这种有机物中的碳元素氧化为二氧化碳，进而而将其撤除

干法去胶：利用等离子体将光刻胶剥除

除了这些紧张的工艺以外，还常常采取一些赞助过程，比如进行大面积的均匀堕落来减小衬底的厚度，或者去除边缘不屈均的过程等等。
一样平常在生产半导体芯片或者其它元件时，一个衬底须要多次重复光刻。

以上是光刻的步骤，特此网络给大家，希望示正。