《微電子制造工藝技術》課件第7章

7.1圖形加工技術簡介7.2基本光刻工藝流程7.3光刻機和光刻版復習思考題基本光刻工藝是半導體工藝過程中非常重要的一道工序。光刻和制版，我們稱之為圖形加工技術，它是指在半導體基片表面，用圖形復印和腐蝕的辦法制備出合乎要求的薄膜圖形，以實現選擇擴散(或注入)、金屬膜布線或表面鈍化等目的，它決定著管芯的橫向結構圖形和尺寸，是影響分辨率以及半導器件成品率和質量的重要環(huán)節(jié)之一，在微細加工技術中被認為是核心的問題。7.1圖形加工技術簡介完整的光刻工藝應包括光刻和刻蝕兩部分，隨著集成電路生產在微細加工中的進一步細分，刻蝕又可獨立成為一個工序。

集成電路的集成度越來越高，特征尺寸越來越小，晶圓圓片面積越來越大，給光刻技術帶來了很高的難度。通常人們用特征尺寸來評價集成電路生產線的技術水平，如0.18μm、0.13μm、0.1μm等。特征尺寸越來越小，對光刻的要求更加精細。

圖形加工的精度主要受光掩膜的質量和精度、光致抗蝕劑的性能、圖形的形成方法及裝置精度、位置對準方法及腐蝕方法、控制精度等因素的影響。光刻工藝過程的目標有兩個：

(1)在晶圓表面建立盡力能接近設計規(guī)律中所要求尺寸的圖形；

(2)在晶圓表面正確定位圖形。整個電路圖形必須被正確地定位于晶圓表面，電路圖形上單獨的每一部分之間的相對位置也必須是正確的。

由于最終的圖形是用多個掩膜版按照特定的順序在晶圓表面一層一層疊加建立起來的，所以對圖形定位的要求很高，而光刻蝕工藝過程的變異在每一步都有可能發(fā)生，對特征圖形尺寸和缺陷水平的控制非常重要，也非常困難。光刻工藝也因此成為半導體過程中的一個主要的缺陷來源。光刻蝕工藝是和照相、蠟紙印刷比較接近的一種多步驟的圖形轉移過程。首先是在掩膜版上形成所需要的圖形，之后通過光刻工藝把所需要的圖形轉移到晶圓表面的每一層。每一次圖形轉移都是通過兩步來完成的：

(1)圖形被轉移到光刻膠層。光刻膠是和正常膠卷上所涂的物質比較相似的一種感光物質，曝光后會導致其自身性質和結構的變化。常用的光刻膠分為正膠和負膠兩類。光刻膠被曝光的部分由可溶性物質變成了非溶性物質，這種光刻膠類型被稱為負膠，這種化學變化稱為聚合(polymerization)。7.2基本光刻工藝流程相反，光刻膠被曝光的部分由非溶性物質變成了可溶性物質，這種光刻膠類型被稱為正膠。通過化學溶劑(顯影劑)把可以溶解的部分去掉，在光刻膠層就會留下對應掩膜版的圖形。

(2)第二次圖形轉移是從光刻膠層到晶圓層。當刻蝕劑把晶圓表面沒有被光刻膠蓋住的部分去掉的時候，圖形發(fā)生了轉移。光刻膠的化學性決定了它不會在化學刻蝕溶劑中溶解，它們是抗刻蝕的，因此稱為光致抗蝕劑。7.2.1光刻膠

光刻膠即光致抗蝕劑，是一種有機高分子化合物，主要由C、H等元素組成。它與低分子化合物相比，分子量很大，可以是幾百、幾千、幾萬以致幾十萬，沒有確定的數值，所以，它的分子量以平均分子量來描述，結構式常用[A]n表示，A表示一個單分子，n表示高分子化合物的聚合度。

根據其結構類型的不同，高分子化合物又分為線型和體型兩種。線型高分子化合物分子間的結合主要靠分子間的作用力；體型高分子化合物，其長鏈間的結合主要靠化學鍵，分子間作用力比化學鍵要弱得多，所以線型高分子化合物一般是可溶性的，而體型高分子化合物是難溶性的。不論線型或體型高分子化合物，其長鏈間的結合都比較松弛，它們之間的間隙相對來說都比較大，所以一些低分子化合物，如通常用的溶劑，很容易滲入其間，使線型長鏈分子間彼此分離而溶解，即使未能溶解，由于低分子的熱運動作用而滲入長鏈分子間，也會使它溶脹，對于體型高分子化合物，在低分子化合物的作用下，通常只發(fā)生溶脹，隨著溶脹時體積的變化，長鏈分子間的結合減弱，其抗蝕能力和機械性能相應降低。溶脹時體積的變化隨溶劑作用時間的長短和交鏈的強弱而有不同。但是，如果其內部存在可變因素(如雙鍵)的話，線型可以變?yōu)轶w型或另一種線型高分子化合物，一經變化，其物理、化學、機械性能等發(fā)生相應的變化，譬如，由可溶性變?yōu)椴豢扇苄曰蛴刹蝗苄宰優(yōu)榭扇苄浴．斎?，同時還必須有外界因素(如光、熱)的作用。在半導體制造中的光刻技術，就是利用光致抗蝕劑這樣內在的可變因素，在外界因素作用下，由可溶變?yōu)椴蝗?，或由不溶變?yōu)榭扇?，達到復印圖形的目的。

1.負膠和正膠

1)負膠

光刻膠在曝光前，對某些溶劑是可溶的，曝光后硬化成不可溶解的物質，這一類光刻膠稱負型光致抗蝕劑即負膠。

負膠曝光時光致抗蝕劑結構的變化方式，又有兩種典型的情況。一種是利用抗蝕劑分子本身的感光性官能團(如雙鍵)進行交鏈反應形成三維的網狀結構，如常用的聚肉桂酸系光致抗蝕劑，它是由樹脂、增感劑、穩(wěn)定劑和溶劑等組合而成，其中的聚乙烯醇肉桂酸酯的光聚合反應如下：它的感光波長在230～340nm范圍內，最大吸收峰在320nm左右，如果使用通常的曝光光源(如水銀燈)，就不能得到充分的感度，必須添加適當的增感劑，使感光波長范圍向長波(340～480nm)方向擴展。

另一種是利用交聯劑(又稱架橋劑)進行交聯形成三維的網狀結構。聚烴類－雙疊氮系光致抗蝕劑屬于這一類，它由聚烴類樹脂(如環(huán)化橡膠)、交聯劑和增感劑溶于適當的溶劑中配制而成。這種抗蝕劑粘附力強、耐腐蝕、容易使用、價格便宜，所以一出現就成為光致抗蝕劑的主流。

2)正膠

曝光前對某些溶劑是不可溶的，曝光后是可溶的，這類抗蝕劑稱為正型光致抗蝕劑，即正膠。

正膠由光分解劑和堿性可溶的線型酚醛樹脂及溶劑，經過特殊的加工精制而成。其中光分解劑常用苯醌雙疊氮化物或萘醌雙疊氮化物，如國產701正型光致抗蝕劑等。

曝光后可溶于有機或無機堿性水溶液，未曝光部分被保留下來，得到與掩膜相同的圖形。

正膠的顯影速度受溫度影響比負膠大，需要把顯影液的溫度控制在一個很窄的范圍內，此外，粘附性和耐腐蝕性都比負膠差，但分辨率強，線條邊沿很好，在光刻膠中占有重要地位。

3)光刻膠的配制

光刻膠的性能好壞與其配制有關。配制的原則是光刻膠既有良好的抗蝕力，又要有較高的分辨率，但兩者是相互矛盾的，抗蝕力強的膠要厚，但是光刻膠變厚，其分辨率就下降了。因此配制光刻膠時要使兩者兼顧為好。

負性膠配制材料如下：

聚乙烯醇肉桂酸脂10g

5%～l0%

5-硝基苊1g

0.25%～1%

環(huán)已酮l00ml90%～95%正性膠配制材料如下：

重氮荼醌磺酸脂0.2g

酚醛樹脂0.04g

環(huán)氧樹脂0.02g

乙醇乙醚4ml

配制光刻膠是在暗室中操作的，如果是自制光刻膠，一定要將配制好的光刻膠靜置一段時間再進行過濾，把一些難溶的微小顆粒過濾掉。過濾后的光刻膠裝在棕色玻璃瓶中，外加黑色厚紙包裹置于暗室中。如果是商品膠，也應好好保存，避免造成漏光或暗反應使膠失效。

2.電子束和X射線抗蝕劑

電子束和X射線抗蝕劑也有正型和負型兩種，但與上述比較，電子束和X射線曝光所產生的光化學反應要復雜得多，不可能用反應式具體地表示出每種高聚物的化學變化。

電子束曝光的基本原理，是當電子束照射光致抗蝕時，將產生二次、三次電子，由于激勵抗蝕分子等原因而失去能量，漸漸地成為低能電子。組成光致抗蝕劑的原子為C、H、O等，這些原子的電離勢大約為幾十至幾百eV。因此，當這些電子(包括二次、三次電子)的能量低至幾十電子伏特時，將強烈地誘導化學反應，引起不溶或可溶性的變化。此外，在電子束電子失去能量的過程中，還會產生多種離子和原子團(化學自由基)，它們都有強烈的反應性能，也會引起多種化學反應。同樣，X射線曝光時，X射線本身并不能直接引起抗蝕劑的化學反應，它的能量是消耗的光電子放射過程而產生低能電子束上。正是這些低能電子使抗蝕劑的分子離化，并激勵產生化學反應，使抗蝕劑分子間的結合鍵解離，或鍵合成高分子，在某些顯影液中變成易溶或不溶。因此，X射線抗蝕劑和電子束抗蝕劑沒有本質的區(qū)別。由于電子束的電子能量高達幾千至幾萬eV，X射線的光子能量也在1keV以上，因此用于光刻時，可以利用到比光激發(fā)時更高的激發(fā)狀態(tài)，有多種化學變化可供利用，幾乎全部的高聚物被照射后都會引起鍵合或分解。這樣從原則上講，一般光致抗蝕劑都可用作電子束或X射線抗蝕劑。然而，電子束或X射線與抗蝕劑相互作用所產生的低能電子的數量比作為光致抗蝕劑使用時的光子數量要少得多。因此，對許多抗蝕劑來說，感度(靈敏度)并不很高。由于感度或分辨率等方面的限制，比較適用的抗蝕劑為數極少，特別是X射線抗蝕劑。表7-1和表7-2分別列出了一些電子束和X射線抗蝕劑，供參考。表7-1電子束抗蝕劑表7-2用于X射線曝光的抗蝕劑

3．對光致抗蝕劑性能的要求

光致抗蝕劑應具有分辨能力高，感度高，粘附性、耐腐蝕性、成膜性和致密性好，針孔密度小且穩(wěn)定，顯影后無殘渣，易去除干凈等特點。

光刻膠的選擇是一個復雜的程序，主要的決定因素是晶圓表面對尺寸的要求。光刻膠首先必須具有產生所要求尺寸的能力；在刻蝕過程中還必須能阻隔刻蝕，且一定不能有針孔存在；必須能和晶圓表面很好地粘結，否則圖形會扭曲。以上這些因素，連同工藝緯度和階梯覆蓋度，都是工藝工程師在選擇光刻膠時的考慮要素。具體來說，光刻膠的表現要素包括以下幾點：

(1)分辨力。在光刻膠層能夠產生圖形的最小尺寸作為光刻膠分辨力的參考，產生的線條越小，分辨力越強?？偟膩碚f，越細的線寬需要越薄的光刻膠膜來產生，然而，要實現阻隔刻蝕的功能并且不能有針孔，光刻膠膜又必須足夠厚，光刻膠的選擇是這兩個目標的權衡。描述這一特性的參數是縱橫比?？v橫比是光刻膠厚度與圖形打開尺寸的比值。由于正膠比負膠的縱橫比高，也就是說，對于一個設定的圖形尺寸開口，正膠的光刻膠層可以更厚。

(2)粘結能力。作為刻蝕阻擋層，光刻膠層必須和晶圓表面黏結得很好，才能夠忠實地把光刻膠層圖形轉移到晶圓表面層，通常負膠比正膠有更強的黏結能力。黏結能力的指標稱為粘度，大多數光刻膠生產商用在光刻膠中轉動風向標的方法測量黏度。

(3)光刻膠曝光速度、靈敏度和曝光源。曝光速度越快，在光刻蝕區(qū)域晶圓的加工速度就越大，負膠通常需5～15s時間曝光，正膠較慢，其曝光時間為負膠的3～4倍。

光刻膠靈敏度是通過能夠使基本的反應開始所需要的能量總和來衡量的，單位為mJ/cm2。能夠和光刻膠反應的那些特定的波長稱為光刻膠的光譜反應特征。

在光刻蝕工藝中所用的不同曝光源，實際上都是電磁能量，如可見光、紅外光、紫外光等。普通的正膠和負膠會和光譜中UV和DUV的部分反應。

(4)工藝寬容度。每一步工藝步驟都有它的內部變異。光刻膠對工藝變異容忍度用工藝緯度描述。容忍性越強，工藝緯度越寬，在晶圓表面達到所需尺寸的可能性越大。

(5)針孔。針孔是光刻膠層尺寸非常小的空穴。針孔是有害的，因為它可以允許刻蝕劑滲過光刻膠層進而在晶圓表面層刻蝕出小孔。針孔是在涂膠工藝中有環(huán)境中的微粒污染物造成的，或者由光刻膠層結構上的空穴造成的。光刻膠層越厚，針孔越少，但它卻降低了分辨力，光刻膠厚度選擇過程中需權衡這兩個因素的影響。正膠的縱橫比更高，所以正膠可以用更厚的光刻膠膜達到想要的圖形尺寸，而且針孔更少。

(6)微粒和污染水平。光刻膠必須在微粒含量、鈉和微量金屬雜質及水含量方面達到嚴格的標準要求。

(7)階梯覆蓋度。晶圓在進行光刻工藝之前，晶圓表面已經有了很多的層。隨著晶圓生產工藝的進行，晶圓表面得到了更多的層。光刻膠要能起到阻隔刻蝕的作用，必須在以前層上面保持足夠膜厚。光刻膠用足夠厚的膜覆蓋晶圓表面層的能力是一個非常重要的參數。

(8)熱流程。光刻工藝過程中有兩個加熱的過程：軟烘焙和硬烘焙。工藝師通過高溫烘焙，盡可能使光刻膠黏結能力達到最大化。但光刻膠作為像塑料一樣的物質，加熱會變軟和流動，對最終的圖形尺寸有重要影響，在工藝設計中必須考慮到熱流程帶來的尺寸變化。熱流程越穩(wěn)定，對工藝流程越有利。

4.光刻膠的存儲和控制

光和熱都會激化光刻膠里的敏感機制。光刻膠必須在存儲和處理中受到保護，所以光刻工藝區(qū)域使用黃色，并用褐色瓶子來儲存。彩色玻璃也可以保護光刻膠，以免受到雜散光的照射，同時需要把溫度嚴格控制在要求范圍內。光刻膠在使用之前必須保持密封狀態(tài)，光刻膠容器有推薦的保存期。所有用來噴灑光刻膠的設備要求盡可能潔凈，光刻膠管需要定期清洗。7.2.2光刻工藝流程

光刻蝕是指在光致抗蝕劑的保護下所進行的選擇性腐蝕，它主要利用光致抗蝕劑經曝光后在某些溶劑里的溶解特性發(fā)生變化這一現象，它的主要過程一般包括：基片前處理→涂膠→前烘→曝光→顯影→后烘(堅膜)→刻蝕→去膠等。

由上述過程可知，曝光和腐蝕是兩個主要環(huán)節(jié)，有了良好的光掩膜，還必須經曝光和顯影復印到抗蝕劑膜層上，而后通過腐蝕轉移到襯底上，在這當中精確的復印和轉移是最為重要的，特別是生成微米和亞微米圖形。

光刻工藝主要步驟如圖7-1所示，下面詳細介紹光刻步驟。

1.基片前處理

光刻工藝過程好比涂漆工藝，為確保光刻膠能和晶圓表面很好粘貼，形成平滑且結合得很好的膜，必須進行表面準備，保持表面干燥且干凈，主要包括三個步驟：

(1)微粒清除。晶圓在生產、運輸、存儲過程中，不可避免會吸附到許多污染顆粒，微粒清除常用的方法是高壓氮氣吹除、化學濕法清洗、旋轉刷刷洗和高壓水流沖洗。實際生產中根據不同情況選用。

(2)脫水烘焙。晶圓涂膠前，需要使其表面保持干燥。保持干燥的方法有兩種，要么保持室內50%的相對濕度，要么將晶圓保持在干凈且干燥的惰性氣體環(huán)境中。當然，涂膠之前還要進一步烘焙。在大多數光刻蝕工藝中，采用低溫烘焙，確保表面干燥。

(3)涂底膠。為提高光刻膠的附著性，低溫烘焙后往往在晶圓表面涂上底膠保證晶圓和光刻膠粘接牢靠，底膠材料廣泛應用HMDS(六甲基乙硅烷)。涂膠的方法有沉浸式、旋轉式、蒸汽式幾種方法。圖7-1光刻工藝流程示意圖清潔、干燥的硅片表面能與光刻膠保持良好的粘附。因此，從氧化或擴散爐出來的硅片應立即涂膠保持表面潔凈，以免環(huán)境氣氛對硅片表面產生不良影響。如果硅片表面有顆粒沾污(如硅屑、灰塵、纖維等)，這些會造成硅片與光刻膠粘附不好，在顯影和腐蝕時，會產生浮膠、鉆蝕、針孔、小島等質量問題。

工藝上常用聚光燈檢查表面，也可用顯微鏡在暗場下觀察硅片表面污染情況。暗場檢查時能清晰地觀察到不規(guī)則表面的發(fā)射，而平整表面由于發(fā)射光進不了物鏡，看上去一片漆黑。經檢查后的硅片要清洗后方可進行光刻。絕大多數光刻膠所含的高分子聚合物是疏水性的。而氧化物(SiO2)表面的羰基和物理吸附的水分子是親水性的。疏水性的光刻膠與親水性的襯底表面粘附肯定不好，因此在生產上往往有一道增粘處理。增粘處理方法有兩種，一種是高溫烘焙，不馬上涂膠的硅片存放在通氯氣的干燥箱內，若存放時間較長，則采用200℃的氮氣烘培去潮濕。另一種方法是使用增粘劑如二甲基二氯硅烷和六甲基硅亞胺(HMDS)進行增粘處理。增粘劑的涂覆有旋轉涂布法和蒸汽涂布法兩種。旋轉涂布法有滴涂和噴涂兩種。滴涂是將增粘劑滴到硅片表面后，以低速旋轉法將增粘劑均勻地覆蓋在硅片表面，再以3000～5000r/min的高速進行干燥處理。蒸汽涂布法是將增粘劑以蒸汽形式揮發(fā)到硅片表面與OH基團進行反應，優(yōu)點是涂布量大，處理時間短，適合大批生產，并能適用于Al、SiO2、Si3N4、多晶硅、石英玻璃等多種表面的除濕。

2.涂光刻膠

涂膠的目標是在晶圓表面建立薄的、均勻的，并且沒有缺陷的光刻膠膜。涂膠的質量要求有：膠膜厚度應符合要求，膠膜均勻，膠面上看不到干涉花紋；膠層內應無點缺陷(如針孔、濺斑等)；膠層表面沒有塵埃、碎屑等顆粒。一般來說，光刻膠膜厚從0.5μm到1.5μm不等，均勻性必須要達到±0.01μm的誤差，這么高的精度要求精良的設備和嚴格的工藝控制才能達到。

涂膠器有手動的、自動的、半自動式，涂膠工藝分靜態(tài)和動態(tài)涂膠工藝。動態(tài)涂膠工藝又分動態(tài)噴灑和移動手臂噴灑兩種方法。涂膠方法有滴涂法和自動噴涂法兩種。前者使用十分普遍，工藝和設備也都十分簡單，就是將膠液滴到硅片表面中心位置上(讓硅片在涂膠機上用吸氣法固定)，先以低速旋轉把多余的膠甩掉，然后以3000～5000r/min的高速旋轉，使硅片表面均勻地涂上光刻膠。另一種方法是自動噴涂法。將硅片放入噴涂膠機上盛片盆子里，借助電子計算機，根據設定的程序，讓硅片自動地進入涂膠盤內進行噴涂，然后用傳送帶將涂好的硅片送入前烘機上。

光刻膠膜厚度一般都在5000～10000?之間。

涂膠時不僅要求硅片表面清潔，而且涂膠盤內相對濕度也不能超過40%，否則即使是放入干燥的硅片，硅片表面也立即會被水汽吸附，使得硅片表面與光刻膠粘結不良。

3.前烘(軟烘焙)

涂膠后光刻膠在晶圓表面形成一薄層。盡管膠膜很薄，但仍然有一定的溶劑物質被膠膜裹住，光刻膠里的溶劑會吸收光，干擾光敏聚合物中正常的化學變化，并且溶劑過多影響光刻膠的粘結能力，如果直接曝光，會造成粘版及損傷膠膜，從而影響圖形完好率。必須通過前烘，去除一部分溶劑，烘焙后，光刻膠仍然保持“軟”的狀態(tài)，故又稱軟烘焙。軟烘焙過程主要控制的參數是時間和溫度。前烘溫度一般為60～100℃，時間為1～2min，如在烘箱內，前烘時間要稍長些。前烘的目的是去除膠層內的溶劑，提高光刻膠與襯底的粘附力及膠膜的機械擦傷能力。

前烘分烘箱法和熱板式。烘箱法是將涂好膠的硅片放入設有一定溫度的烘箱內，使光刻膠揮發(fā)。熱板式用傳動的板帶(加濕)對涂好膠的硅片進行熱處理，可達到同樣的目的。生產上大多采用后者。

對于較厚的膠膜，前烘的升溫速度要慢，否則表面干燥得過快，內部溶劑來不及揮發(fā)，易造成膠膜發(fā)泡而產生針孔，造成接觸不良，使顯影或腐蝕時產生浮膠。一般來說，前烘溫度越高(溫度允許范圍內)，時間越長，光刻膜與片基粘附得越好。

涂膠后，由于交界面處的光刻膠中的溶劑尚未充分揮發(fā)，這些殘留的低分子溶劑阻礙了分子間的交聯，在顯影時，就有部分的膠被溶解掉，會出現溶膠、圖形變形等現象，影響光刻劑質量，因此前烘的溫度不能過低或時間過短。但是，如果溫度過高，則會導致光刻膠翹曲硬化，造成顯影不完全，分辨率下降，甚至會使光刻膠膜碳化，從而失去抗蝕能力，進而破壞圖形。前烘時間過長，光刻膠中增感劑揮發(fā)過多，會大大減少光刻膠的感光度，嚴重時會造成熱感光。

4.對準和曝光(A＆E)

保證器件和電路正常工作的決定性因素是圖形的準確對準，以及光刻膠上精確的圖形尺寸的形成。所以，涂好光刻膠后，第一步是把所需圖形在晶圓表面上準確定位或對準。第二步是通過曝光將圖形轉移到光刻膠涂層上。

(1)對準。對準第一個掩膜版時，把掩膜版上的Y軸與晶圓上的平邊成90°放置(見圖7-2)。接下來的掩膜對準都用對準標記(即“靶”)與上一層掩膜對準標記相對準。對準標記是一些特殊的圖形(見圖7-3)。它們分布在每個芯片圖形的邊緣，很容易找到。圖7-2光刻膠上圖形衍射縮小圖7-3常見的幾種對準標記手動對準由操作員把掩膜版上的標記放在晶圓圖形上相應的標記上來完成。自動對準系統由機器自動對準相應標記。經過刻蝕工藝后，對準標記就永遠成為了芯片表面的一部分。于是就可以在下一層對準時使用它們了。

對準誤差又稱為未對準(misalignment)。常見的未對準分為幾種不同類型(見圖7-4)：

(a)簡單的X-Y方向位置錯誤；

(b)轉動的未對準，晶圓的一邊是對的，然而在通過晶圓的方向上，圖形會逐漸變得不對準；

(c)轉動的未對準，芯片圖形在掩膜版上有旋轉。圖7-4未對準種類另外，當芯片圖形偏心放置，或沒有在掩膜版的恒定中心形成時，就會出現只有一部分掩膜版上的芯片圖形可以準確地和晶圓上的圖形對準，而在沿著晶圓的方向上，圖形會逐漸變得未對準。這些未對準問題往往和掩膜版及光刻機有關，我們稱之為發(fā)生了伸入和伸出。

由經驗可得：對于微米或亞微米特征圖形尺寸的電路，必須滿足最小特征圖形尺寸1/3的套準容差。通過計算可以得到整個電路的覆蓋預算(overlaybudget)，它是整個掩膜組允許對準誤差的累加。例如對于0.35μm的產品，允許的覆蓋預算大約是0.1μm。

(2)曝光。生產較復雜的集成電路需要經過幾十次光刻，如果曝光量掌握得不好，圖形尺寸有可能變大或變小，特別在微米級和亞微米級，這個問題會更嚴重。

影響光刻膠感光度的主要因素是光源的波長，每種光刻膠對在自己的吸收峰和吸收范圍內的光是敏感的，而對不在該范圍內的光是不敏感的。選擇曝光源必須適應光刻膠的光譜特性。如適用于KPR膠的接觸式曝光光源常選用高壓汞燈、氙燈或鎢燈。

光源選好，光源與硅片的距離保持一定后，曝光量的大小就可以通過光源強度和曝光時間來控制。如果光源強度也保持一定時，則可利用感光膠的性能和膠膜厚度來確定曝光時間(一般曝光時間在幾秒到幾十秒之間)。曝光質量是影響光刻膠與襯底表面粘附的重要因素之一。負性膠曝光量不足，交聯不充分，顯影時會發(fā)生聚合物膨脹引起圖形畸變，嚴重時部分圖形會被溶解掉；曝光量過度，顯影時不能完全顯影，容易產生較重的底膜，使SiO2層刻蝕不干凈。正性膠曝光量對圖形的影響與負性膠剛好相反。

曝光質量對光刻分辨率有很大影響：

①若晶片彎曲，在晶片上有凸起或灰塵、光刻膠厚度不均勻、定位設備不良等，都將使曝光分辨率顯著下降。

②曝光光線應是平行光束，而且與掩膜版和膠膜表面垂直，否則將使光刻圖形變形或圖形邊緣模糊。③膠膜越厚，光刻膠中固態(tài)微粒含量高，則光線在膠膜中因散射產生的側向光化學反應越嚴重，對分辨率的影響也越大。

④由于光的衍射、反射和散射作用，曝光時間越長，分辨率越低。但曝光不足，光反應不充分而使部分膠在顯影時溶解，會使膠的抗蝕性能下降或出現針孔。

⑤掩膜版的分辨率和質量，以及顯影、腐蝕和光刻膠本身的性能等也會影響光刻的分辨率。生產中引起曝光不足的主要因素有：

①襯底對光的反射。襯底表面的反射強弱與材料的性質及狀態(tài)有關，如鋁反刻，由于鋁層反射光強烈，所以曝光時間要適當增長。因此，對于不同的襯底表面，光刻所需的曝光量有較大的差別。

②光刻膠對光的吸收。實驗證明，光刻膠的感光度(波長)和光刻膠的吸收光譜是一致的。即感光度大的波長，其光譜吸收也大，感光度小的波長其光譜吸收也小。另外，對于涂得較厚的膠膜，由于大部分能量會被上層的光刻膠吸收，而達不到光刻膠與襯底的界面處，從而造成曝光不足。因此要選擇適當的光源對光刻膠進行曝光，同時涂膠厚度應合適。生產中引起分辨力下降的主要因素有：

①光的衍射。接觸式曝光機曝光時，必須將掩膜版與光刻版緊密接觸，防止光線因間隙發(fā)生衍射，使不該曝光的部分被曝光。這種不充分曝光顯影之后，極薄的光刻膠殘留在光刻衍射區(qū)內，經過刻蝕，圖形的邊緣會形成厚度逐步遞減的過渡區(qū)，造成分辨力下降。

②光的散射。由于光刻膠內微粒的存在引起光的散射是造成分辨力下降的另一個原因。光的散射造成光硬化反應同時向兩側進行，分辨力下降。當然，涂得極薄的膠膜由于對光的吸收小，入射光透過膠膜在硅片表面進行反射，也是一種散射現象，生產中應盡量注意避免。根據曝光光源不同，曝光可分為光學曝光、電子束曝光、X射線曝光和離子束曝光。

在光學曝光中，由于掩膜版位置不同，又可分為接觸式曝光、接近式曝光和投影式曝光(見圖7-5)。目前生產上接觸式、接近式曝光幾乎不再使用了，投影式曝光使用較普遍。它的成像原理如圖7-6所示：對準時，將顯微鏡置于掩膜版上方，光線經聚光鏡和濾光片后形成單色光束，通過半透明折射鏡，將硅片表面的反射光偏轉90°，通過物鏡照射到掩膜上，利用顯微鏡觀察硅片表面反射光與掩膜圖形的相對位置并進行對準。曝光時，曝光源通過聚光鏡和濾光片后，經掩膜版通過物鏡，再由折射鏡偏轉90°角，照射到涂有光刻膠的硅片表面進行曝光。圖7-5三種光學曝光形式圖7-6投影曝光成像原理圖投影式曝光方法大量應用于LSI和VLSI中小于3μm的線條加工。投影曝光的優(yōu)點是：

①掩膜版不與晶圓片接觸，提高了掩膜版的利用率；

②對準是觀察掩膜版平面上的反射圖像，不存在景深問題；

③掩膜版上的圖形通過光學投影的方法縮小，并聚焦于感光膠膜上，這樣掩膜版上的圖像可以比實際尺寸大得多(通常掩膜版與實際圖形尺寸之比為10∶1)，提高了對準精度，避免了制作微細圖形的困難，也削弱了灰塵的影響。投影曝光的缺點是對環(huán)境要求特別高，微小的振動都會影響曝光精度，另外光路系統復雜，對物鏡成像能力要求很高。

電子束曝光有掃描式和投影式兩種。掃描式曝光是把光源匯聚成很細的射束，直接在光刻膠上掃描出圖案(可以不用掩膜版)，其工作原理如圖7-7所示。圖7-7掃描式電子束曝光裝置示意圖電子槍陰極產生電子，經柵極控制，形成定向發(fā)射的電子束，在陽極高電壓的作用下加速，使電子獲得很高的能量。系統中的電磁透鏡完成聚焦，還設有電子束來、通、斷和偏轉掃描的裝置，由計算機提供的脈沖調制信號進行控制。先用腐蝕法在基片上作出一定形狀的標記圖形(如“+”形)；標記圖形也可以是基片表面凸起的臺階，一般為二氧化硅臺階或在低原子序數的基片上用高原子序數材料作臺階標記。標記圖形上可以覆蓋氧化層和抗蝕劑層。用標記識別各次套準的相對位置。對準時電子束掃描到記號邊緣，檢測器接收到反射電子，根據反射電子能量產生的脈沖信號與儲存在計算機中心的位置信號進行比較，定出位置的偏差，再將控制信號供給偏轉器自動調整電子束掃描位置，完成對準曝光。顯然這種方式不需要掩膜版，只要給出圖形各部分的坐標值，并轉變成相應的電信號儲存于計算機中，然后通過掃描系統和通斷裝置，就可以控制電子束完成對圖形的曝光。

電子束掃描曝光有矢量掃描和光柵掃描兩種。

矢量掃描曝光的特點是電子束僅在圖形的掃描場內進行掃描曝光。當一個掃描場全部完成后，X-Y工作臺移到新的掃描場。矢量掃描方式要求掃描系統偏轉性能良好，結構十分復雜，但由于僅在需要曝光圖形部分掃描，沒有圖形的空白部分不掃描，所以大大節(jié)約了掃描時間。光柵掃描曝光是電子束只在128μm的小范圍內作一維運動，對掃描系統要求低。由于光柵掃描曝光的掃描場小，不在極限條件下，大大改善了掃描偏轉線性度、圖形誤差和畸變。但由于是全面掃描，當需要曝光的圖形面積所占比例較小時，掃描時間浪費較大。

投影式電子束曝光是利用從特殊掩膜獲得的電子束圖像與EBR上進行成像照射。所謂特殊掩膜就是往石英玻璃上先蒸一層鈦，制備出圖形后將其氧化成二氧化鈦，獲得二氧化鈦掩膜，然后再在整個掩膜上蒸發(fā)一層10μm左右的鈀層(或碘化銫薄層)作為光電子發(fā)射材料即光陰極。投影式電子束曝光分為攝像管式和透射電子成像式兩種。

攝像管式是利用光電子發(fā)射材料制備的特殊掩膜，通過紫外光激勵產生光電子圖像，并被電場加速，對與掩膜平行而貼近的基片進行曝光。這種方法的對準精度和分辨率高，并且曝光速度快，但要求基片的平整度高，否則會影響加速電場的均勻性，導致圖形畸變。曝光過程如下：紫外線從掩膜背面照射，在有二氧化鈦掩膜的圖形區(qū)，紫外線被高速率地吸收而擋住，該區(qū)域的鈀或碘化銫不能發(fā)射電子。無圖形區(qū)，光電效應激發(fā)出光電子，經高壓電場加速并在磁場作用下會聚后照射在對面作為陰極的基片上。對準方法就是在基片上先做好五氧化二鉭的標記，電子束照射到氧化鉭層就產生X射線，利用X射線檢測器測得的信號強度來判斷是否對準。透射電子成像式與精縮兼分步重復照相機相類似。電子槍發(fā)射的電子經過三級電磁透鏡后，轉變?yōu)橐黄叫忻骐娮邮渡涞浇饘俨谀ぐ嫔?，掩膜版上的圖形由許多能使電子束透過的微小圓形孔洞組成。精縮鏡頭是一組電磁透鏡，使透過掩膜版的電子束在基片上形成1/l0倍的掩膜版圖形的縮小像。以掃描電子顯微鏡形成操作電子光學系統，并觀察掩膜版圖像與電子上的圖像，使之重合來進行位置對準。每次曝光采用機械方式移動樣片臺，進行重復曝光。這種方法不僅具有高分辨率，而且具有比掃描式效率高的優(yōu)點。曝光速度也十分快，但掩膜版制作很困難，設備也復雜。電子束曝光和光學曝光相比，分辨率高，能掃描最小線寬為0.1μm的微細圖形。掃描式還可以不用掩膜版，縮短加工周期，有利于新產品試制。對準曝光、圖形拼接等都由計算機來完成，大大提高了加工精度。

電子束曝光的缺點是設備復雜，成本高，投影曝光時間短，但掩膜版制備有困難。掃描式曝光一次曝光面積小，完成大圓片全部圖形曝光所需時間較長。

電子束曝光還有一個特點就是存在鄰近效應。鄰近效應是指電子束在光致抗蝕劑層內的散射及基片底部表面的背散射，在一個圖案內的曝光劑受到鄰近圖案曝光的影響的特性。鄰近效應使得在顯影后，發(fā)生線寬變化和圖形畸變。要改善這種現象，需要將圖形分割成較小的形狀，然后調整每個小圖形的入射劑量，使得每個圖形的平均劑量比較合適。但是，因為增加了計算機分割和曝光圖形所需的時間，這種修正降低了工作效率。

X射線曝光利用X射線作為光源，透過X射線掩膜，照射到基片表面上的抗蝕劑上。X射線不易聚焦，它是光學接觸式曝光的一種發(fā)展，也是電子束曝光技術的一種補充，它能夠比較有效地利用電子束制版分辨率高的特點。這種方法被認為是目前解決亞微米復印技術中最重要的途徑，但仍有許多問題沒解決。

X射線曝光中，采用波長為0.4～1.4nm的單色X光。作為曝光用的X射線，可采用電子束式或激光束激發(fā)靶物質而放出的X射線，在10-4Pa的真空中，用高能電子束襲擊靶材料就能產生X射線。目前生產上多采用鋁靶，也可以用同步加速器放射出來的X射線。

X射線曝光方法很多，基本原理和一般光學曝光中接近式曝光相似，在晶圓圓片和掩膜間留有很小的間隙。由于X射線的衍射、反射、折射及散射都很小，其影響對于亞微米而言是微不是道的。X射線的能量比電子束曝光所需的能量小得多，它的二次電子效應小，鄰近效應也小，X射線穿透力強，不僅膠膜上下曝光均勻，甚至塵埃對X射線曝光也沒有顯著的影響，因而可獲得極為精細的圖形，理論分辨率可達到0.05μm。所以，X射線有很大的發(fā)展空間。離子束曝光的作用機理與離子注入機理相似。離子束注入抗蝕劑的離子，通過彈性和非彈性的碰撞，使抗蝕劑分子量或結構發(fā)生變化，致使溶解性發(fā)生變化，達到曝光的目的。

離子束和電子束一樣，具有很高的分辨率。但離子的質量比電子大，抗蝕劑的散射要比電子束好掌握得多，而且離子轟擊所產生的次級電子能量非常低，所引起的散射很有限，鄰近效應也不明顯。光效抗蝕劑對離子要比對電子更敏感，使用的抗蝕劑沒有什么特殊要求，因此曝光時間大大縮短。離子束曝光分為接近式離子束曝光和聚焦離子束掃描曝光。

接近式離子束曝光是將掩膜版與襯底相距20μm左右。掩膜版采用單晶硅膜和無定型材料膜如氧化鋁和氧化硼等制作穿透后，用能吸收離子的材料如金膜制作出所需要的圖形。當離子沿著單晶掩膜的主對稱方向平行入射時，有95%～98%的離子在單晶原子之間沿一條波形軌道穿透出去。圖形部分能阻止離子穿透過去，實現了離子束曝光。這種曝光方式對掩膜版的要求很高。如要提高分辨率，減少散射效應，則要求掩膜材料的厚度盡可能薄。如分辨率達到0.1～0.2μm，則要求穿透膜厚為0.1μm。同時，要在這樣薄的硅膜上形成掩蔽圖形阻擋層而不致損壞，難度較大。聚焦離子束掃描曝光與掃描式電子束曝光相似，其關鍵部件是需要細聚焦的離子源。早期的等離子型離子源亮度小，很難推廣應用。有些工廠采用強離子源和液體金屬離子源。

實驗證明，離子源的空間分辨率是令人滿意的，但是，用靜電偏轉離子束，靜電元件會改變離子的速度，散焦效應比磁偏轉厲害。如何偏轉離子束而不讓它散焦，是一個很困難的問題。5.顯影

顯影是指把掩膜版圖案復制到光刻膠上。晶圓完成對準和曝光后，器件或電路的圖形就以已曝光和未曝光的形式記錄在光刻膠層上，顯影技術用化學反應分解未聚合光刻膠使圖案顯影。常見的顯影工藝問題包括以下三個方面的情況：

(1)不完全顯影，會導致開孔尺寸出錯，或開孔側面內凹。

(2)顯影不夠深，會在開孔內留下一層光刻膠。

(3)過顯影，會過多地從圖形邊緣或表面上去除光刻膠。根據所選用的不同光刻膠的曝光機理，選擇不同的顯影液。對于大多數負性光刻膠，通常選用二甲苯、stoddard溶劑作為顯影劑，并用n-丁基醋酸鹽進行化學沖洗，以去除開孔區(qū)部分聚合的光刻膠和稀釋曝光邊緣過渡區(qū)的顯影液。正膠顯影通常采用NaOH或KOH堿水溶液，或TMAH(疊氮化四甲基銨氫氧化物溶液)非離子溶液，有時還需要添加表面活性劑以增強其和晶圓表面的粘結能力。

顯影方法包括濕法顯影和干法顯影。濕法顯影又分為沉浸、噴射、混凝三種方式；干法顯影常用等離子體刻蝕方法，將光刻膠曝光后的圖案從晶圓表面上氧化掉。濕法顯影的缺點是：

(1)由于顯影液向抗蝕劑中擴散，因而引起刻蝕圖形溶脹。

(2)清晰度和尺寸精度不夠高。

(3)出于顯影液的組分變化和變質，因而引起顯影液特性變化。

(4)晶片沾污，作業(yè)環(huán)境惡化和操作人員的安全性下降。

(5)大量化學藥品的使用和處理成本高。

(6)難于實現自動化和合理化。

6.后烘(堅膜)

后烘又稱堅膜、硬烘焙。經顯影以后的膠膜發(fā)生了軟化、膨脹，膠膜與硅片表面粘附力下降。為了保證下一道刻蝕工序能順利進行，使光刻膠和晶圓表面更好地粘結，必須繼續(xù)蒸發(fā)溶劑以固化光刻膠。

硬烘焙在設備和方法上和軟烘焙相似，有真空烘箱式或紅外照射法，也有熱板式全自動烘烤法。目前生產中大多采用全自動的熱板式烘烤法，時間和溫度的選擇通常以光刻膠制造商推薦的標準為宜。

硬烘焙通常和顯影機并排在一起。顯影后馬上進行硬烘焙，在此過程中，晶圓存放在N2氣中以防止水分被重新吸收到光刻膠中。

7.刻蝕

顯影檢驗后，掩膜版的圖案被固定在光刻膠膜上。刻蝕是通過光刻膠暴露區(qū)域來去掉晶圓最表層的工藝，主要目標是將光刻掩膜版上的圖案精確地轉移到晶圓表面?？涛g工藝主要分兩大類，即濕法刻蝕(包括沉浸和噴射方法)和干法刻蝕(包括等離子體刻蝕、離子轟擊、反應離子刻蝕)?？涛g后圖案就被永久地轉移到晶圓的表層?？涛g常見的問題是不完全刻蝕和過刻蝕，當刻蝕時間過長或刻蝕溫度過高，還會產生嚴重的底切，生產上要采取各種措施防止底切。

8.去除光刻膠

刻蝕之后，圖案成為晶圓最表層永久的一部分。作為刻蝕阻擋層的光刻膠層不再需要了，必須從表面去掉。

傳統方法采用濕法化學工藝去膠。依據晶圓表面(在光刻膠層下)、器件類型及所選光刻膠極性、光刻膠狀態(tài)選擇不同的化學品以去除光刻膠。光刻膠去除劑包括綜合去除劑和專用于正或負光刻膠的去除劑。常見的有硫酸去除劑、有機酸、鉻、硫酸溶液等。除了濕法去膠，還可選用干法去膠。干法去膠是將晶圓放置于反應室中并通以氧氣，等離子場把氧氣激發(fā)到高能狀態(tài)，光刻膠被氧化為氣體由真空泵從反應室吸走。

離子注入工藝和等離子體工藝后的去膠常用干法工藝去除或減少光刻膠，再以濕法工藝去除，或通過設置工藝參數(如添加鹵素)來去除光刻膠。7.2.3光刻的工藝要求

光刻技術是集成電路制造中最為關鍵的一道工序。每一種半導體器件都需要進行多次光刻，較復雜的集成電路光刻次數更多。隨著集成電路的集成度越來越高，特征尺寸越來越小，晶圓片面積越來越大，帶來光刻技術的難度越來越高。超大規(guī)模集成電路的光刻的工藝要求具體來說有以下幾個方面。

1．高分辨率

分辨率是光刻精度和清晰度的標志之一。分辨率的高低不僅與光刻膠有關，還與光刻的工藝條件和操作技術等因素有關。

分辨率的表示方法有兩種：第一種是以每毫米最多能容納的線條數來表示；第二種是以剝蝕以后的SiO2層尺寸減去光刻掩膜版的圖形尺寸除以2表示。生產中常用第一種方法。如果可以分清的線條寬為W/2，而線與線間空白的寬度也為W/2，這時，每毫米內最多可容納的線條數即為分辨率，則分辨率等于1/W，單位為條線/mm。按照按這種方法計算，如果線條寬W/2=0.25μm，則分辨率為2000條線/mm。隨著集成電路的集成度提高，加工的線條越來越細小，對分辨率的要求也就越來越高。

2．高靈敏度

靈敏度是指光刻膠曝光的速度。為了提高產量要求靈敏度越高越好，也就是要求曝光所需要的時間越短越好。

光刻膠的靈敏度與膠的組成材料及工藝條件密切相關。往往靈敏度的提高會使光刻膠的其他性能變差。因此，要求在保證光刻膠各項性能指標的前提下，盡量提高光刻膠的靈敏度。光刻膠的靈敏度又稱為感光度。通常光刻膠的感光度是以光刻膠發(fā)生化學反應所需的最小曝光量的倒數來表示，即式中，K為比例常數，E為曝光量，S為感光度。式中需要的曝光時間和光強度都是變量，要使光刻膠變成不溶性物質，要求精確求出感光度是比較復雜的，生產中常采用濾光器進行測量求出感光度。由于感光度與曝光量成反比，因此曝光量要小，光刻膠的感光度要高，也就是在一定的光強度下，曝光時間就短。生產中曝光的波長就是選擇位于感光度的峰值位置附近(紫外光波長3000～4000?處)，否則會影響光刻質量。

3．精密的套刻對準

由于圖形的特征尺寸在亞微米數量級上，因此，對套準要求十分高。一塊集成電路制作需要十幾次甚至幾十次光刻，每次光刻都要相互套準。半導體器件允許的套刻誤差為半導體器件特征尺寸的10%左右。對亞微米級的線寬來說，其套準誤差僅為百分之幾微米，已經小于可見光波的波長了，套準精度要求相當高。

4．大尺寸硅片的加工

目前生產上由于晶圓片尺寸變大，周圍環(huán)境溫度的稍微變化都會引起晶圓圓片的膨脹收縮。硅的膨脹系數為2.44×10-6/℃，對于直徑為200mm的硅片，溫度每變化1℃，則產的形變就有0.5μm，要加工大尺寸晶圓圓片，對周圍環(huán)境的溫度控制要求十分嚴格，否則就會影響光刻質量。

5．低缺陷

在集成電路加工過程中，往往會產生一些缺陷，一塊集成電路的加工過程需要幾道工序，甚至上百道工序，每道工序都有可能引入缺陷，特別是光刻這道工序，這些缺陷的引入是無法避免的。即使這些缺陷尺寸小于圖形的線條寬，也會使集成電路失效。由于缺陷直接影響集成電路的成品率，因此在加工過程中盡量避免缺陷的產生，這對光刻來說更要引起重視。7.3.1光刻機

光刻機非常復雜，但它的基本工作原理卻很簡單。例如，在離墻面很近的地方拿著一把叉子，用閃光燈照射叉子，這時墻面上就形成了一個叉子的圖像。用半導體行業(yè)的標準衡量，這個叉子的圖像很不精確。光學基本原理告訴我們，光線在不透明的邊緣區(qū)域或穿過狹縫時會發(fā)生彎折(彎折量由波長決定)，我們說光線會發(fā)生衍射。閃光燈所發(fā)出的白光是多種不同波長(顏色)的混合，由于白光有多個波長，多條光線在叉子的邊緣處發(fā)生衍射，使邊緣發(fā)散圖像變得模糊。7.3光刻機和光刻版我們可以通過幾種方法來對圖像進行改進。一種方法是用波長更狹的光來代替閃光燈發(fā)出的光，使用較短波長或單一波長的光源可以減少衍射。另一種改進圖像的方法是使所有的光線通過同一光路。通過反射鏡和透鏡，可以把光線轉化成一束平行光，這樣就改善了圖像質量。圖像的清晰度和尺寸也受到光源到叉子以及叉子與墻面之間距離的影響?？s小這兩個距離會使圖像更清晰。光刻機正是利用狹波或單一波長曝光光源、準直平行光，以及對距離嚴格控制的方法得到所需的圖像。光刻機有多種類型。最早使用的光刻機是接觸式光刻機，直到20世紀70年代中期，接觸式光刻機一直是半導體工業(yè)中主要使用的光刻機。接觸式光刻機系統中的對準部分是將一個和晶圓大小相同的掩膜版放置在一個真空晶圓載片盤上。晶圓被放到在載片盤上后，操作員通過一個拼合視場物體顯微鏡仔細觀看掩膜版和晶圓的各個邊(見圖7-8)。通過手動控制，可以左、右移動或轉動載片盤(X，Y，Z方向運動)，直到晶圓和掩膜版上的圖形對準。掩膜版與晶圓準確對準后，活塞推動晶圓載片盤使晶圓和掩膜版接觸。接下來，由反射和透鏡系統得到的平行紫外光穿過掩膜版照在光刻膠上。圖7-8接觸式光刻機接觸式光刻機主要用于分立器件產品、低集成度(SSI)電路和中集成度(MSI)電路，以及大約在5μm或更大的特征圖形尺寸的光刻。此外，它還可用于平板顯示、紅外傳感器、器件包和多芯片模塊(MCM)，掌握好工藝技術，甚至還可以用接觸式光刻機加工出亞微米圖形。但接觸會損壞光刻膠層，甚至損壞掩膜版，這樣，逐漸發(fā)展出一種帶有軟接觸掩膜版機械裝置的接觸式光刻機，我們稱之為接近式光刻機。隨著半導體光刻技術的發(fā)展，還發(fā)展出其他性能更加完善的光刻機：

(1)掃描投影光刻機，利用狹縫產生光束在晶圓表面掃描，像幻燈片一樣，將掩膜版的圖形投影到晶圓表面上；

(2)步進式光刻機，帶有一個或幾個芯片圖形的掩膜版被對準、曝光，然后移動到下一個曝光場，重復這樣的過程，使每個芯片分別精確對準，常用于自動對準系統；

(3)分布掃描光刻機，在小區(qū)域，以掃描方法對準，整個晶圓步進式對準。7.3.2光刻版

在平面晶體管和集成電路的制造過程中，要進行多次光刻，為此，必須根據晶體管和集成電路參數所要求的幾何尺寸和圖形，按照選定的方法，制備出生產上所要求的掩膜圖案，并以一定的間距和布局，將圖案重復排列于掩膜片上，進而復制批量生產用光刻掩膜版，供光刻曝光之用。

光刻版制作常用的是玻璃板涂敷鉻技術，流程類似于晶圓上圖案復制過程。大致流程為：玻璃/石英板形成→沉積鉻涂層→光刻膠涂層→涂層曝光→圖案顯影→圖案刻蝕→光刻膠去除。

1.光刻掩膜版的制作方法

光刻掩膜版的制作方法可以分為手工制版和計算機輔助制版，生產上廣泛使用計算機輔助制版方法。其中計算機輔助制版，根據掩膜版的材料及圖形復印到片子上去的方法，或掩膜制備的種類不同，又有各種不同選擇。

掩膜版圖形的產生以光學的曝光方法為主，通常采用紫外光曝光。隨著線寬越來越窄，必須采用波長更短的電子束和X射線曝光。不同的制作方法，其制造周期、成本和質量是不同的，在實際應用中必須根據具體要求來選擇掩膜的制備方法。在深亞微米光學光刻中，從光學掩膜圖形到待曝光硅片的光刻膠圖形之間的光學傳輸是非線性的。一方面，為了在不影響景深的前提下提高光學光刻的分辨率，通常需要采用移相曝光技術。另一方面，無論在深亞微米電子束光刻還是深亞微米光學光刻中，隨著IC特征尺寸逼近0.1μm，鄰近效應都會變得越來越嚴重，鄰近效應會導致線條的拐角處變圓，線條變短和線條的線寬均勻性變差。鄰近效應可以通過改變原有的版圖尺寸和形狀(如在線條的拐角處加上襯線)的辦法來修正，光學臨近效應校正(OPC，OpticalProximityCorrection)將不可避免。OPC關鍵是精度和速度，其復雜程度不僅取決于光學系統，而且還取決于光刻工藝。目前OPC的商用軟件有許多，如美國Silvaco國際公司的Optolith光學鄰近軟件、美國TransVector技術公司的OPRX軟件、德國Sigma-C公司的CAPROXPC軟件等，它們都各有特點。

下面主要介紹計算機輔助制版的一些原理和方法。

1)原圖數據的產生

首先，根據圖面設計輸入數據程序。在原圖數據處理裝置的輸入數據中可能含有兩種誤差，即數據輸入時的操作誤差和設計誤差，因此還需要靠更改設計來進行修正?？紤]到集成電路制造工藝和成品率之間的關系，特別是大規(guī)模集成電路，還必須對設計規(guī)則進行校驗，如檢查元件的間隔、尺寸和套合等。在原圖數據輸出之前，還必須對元件的尺寸進行校正。

2)圖形的產生

由CAD的數據產生掩膜圖形的方法主要有XY繪圖儀、光學圖形發(fā)生器、激光圖形發(fā)生器和電子束圖形發(fā)生器等方法。

(1)?XY繪圖儀類似于手工制作原圖，把實際圖形尺寸放大100～500倍制作原圖，用CAD系統的輸出數據來驅動繪圖儀，在透明的聚酯薄膜涂布的紅膜上進行刻線，然后根據刻出的一根根的線，有選擇地揭剝紅膜，得到有反差的原圖圖形。其優(yōu)點是：容易進行電路檢查，而且對設計上的小變更、小修正，可不必修正圖形數據，只需要局部地增加或剝去紅膜。缺點是：首先，由于溫度和濕度的影響，原圖會隨時間而畸變；其次，采用人工揭膜，容易發(fā)生差錯，而用人工作完全的檢查很困難，電路越復雜，作出的圖形不完整的機會就越多；第三，制作初縮版時，由于初縮鏡頭和原圖尺寸的限制，不能使用過大的原圖；第四，芯片放大后，由初縮鏡頭制作的初縮版，圖形四周的像質差，反差不好，縮小倍率也有偏差，并引起像的畸變?？梢姡朔ú贿m合制造大芯片的大規(guī)模集成電路。

(2)光學圖形發(fā)生器本質上是一臺特殊的照相機，它的工作原理是將原圖分解成許多單元圖形或單元復合圖形，進行多次曝光，以完成照相的全過程。這種方法是將芯片內的圖形看成各種尺寸形狀的集合，在玻璃干版上逐個地進行曝光，因此，即使制造大芯片的圖形也不會像初縮照相機那樣，造成芯片邊角的圖形反差小和畸變等問題，極大地提高了制作初縮版的質量。

(3)激光圖形發(fā)生器是利用一般光學原理，在計算機的控制下，通過調制激光束，對基片進行選擇性的加工，它是一種移動機械載物臺對兩個方向同時掃描的掃描系統。激光圖形發(fā)生器具有較高的加工精度，但要求感光材料具有相應的高度單色的感光靈敏度。初縮版的底版采用氧化鐵版，即在玻璃版上蒸發(fā)幾百納米厚的氧化鐵。做初縮版時，一面使激光束通斷，一面作柵狀掃描，以便有選擇地蒸發(fā)氧化鐵膜層而形成圖形。這種方法的優(yōu)點是可在短時間內制得初縮版，其圖形質量與圖形復雜性無關。缺點是與光學圖形發(fā)生器相比，圖形邊緣質量較差。

(4)電子束圖形發(fā)生器是電子束在計算機的控制下，利用光刻蝕的原理制備出所要求的掩膜圖案。這種方法的關鍵在于必須具備高度精確的定位。它通常利用電視掃描式或矢量掃描式電子束裝置進行。由于電子束可以聚焦成很細的束斑(可達0.1μm數量級)，能描繪出最小尺寸在1μm以下的微細圖形，具有極高的分辨率，所以在計算機的控制下能直接制得精縮版，是發(fā)展微米與亞微米技術的重要工具。

3)掩膜圖形的形成

掩膜圖形包括主掩膜和工作掩膜。

在實際的工藝過程中，主掩膜通常是由分步重復照相機的光學方法來制作完成。它是將初縮版的圖形縮小5～10倍，并用重復曝光的方法將縮小的圖形排列在X、Y方向各幾十毫米范圍內的母版上。要想獲得理想的光掩膜版，初縮照相是十分重要的。初縮的目的是將原圖按預定倍數進行第一次縮小，變成單個圖形，以供精縮或分步重復之用。如果原圖放大倍數為250倍，那么初縮應縮小25倍(分步重復縮小10倍)。為了使圖形尺寸準確，形變小，對初縮照相鏡頭的要求是能夠在大視場下工作，失真度小，分辨能力高，而且有較好的消色差性能。因此一般應選擇焦距f在500～200mm之間，分辨率R0不小于200條線/mm的鏡頭，這樣會具有較好的消差性能和較小的失真度。精縮照相是將初縮后的單個圖形利用分步重復照相機再進行一次縮小(縮小十倍)，重排成陣列形式，使圖形縮小到設計所要求的尺寸，精縮照相是制版中最關鍵的一步，因此操作時必須細心和嚴格，否則圖形陣列之間的步進間距及對準入位(俗稱叉始線)時出現偏差，掩膜之間不能相互套準，這一步對于超大規(guī)模集成電路來說更為重要。隨著器件的線寬越來越細，精度要求越來越高，特別是大規(guī)模集成電路，為了獲得成像質量好，精度高的掩膜，對于分步重復照相方法來說，必須盡量使主掩膜的曝光面照明均勻、照度大。盡量保證從聚光鏡射出的光對初縮版照明均勻，并使通過初縮版的光射向物鏡的入射中心。主掩膜和初縮版的底版，必須具有在物鏡的焦深和景深之內的平整度，并保證初縮版和主掩膜與物鏡光軸垂直，以及在照相過程中避免初縮版、物鏡及主掩膜曝光面的位置發(fā)生變化。初縮版的直角邊分別與移動工作臺的X、Y相一致，防止旋轉偏差。對器件各擴散層的套合精度來說，旋轉偏差往往是致命的缺點。對物鏡的要求是鏡頭f數小、視場角不能太大。如果是長焦距，必須制作大口徑的鏡頭，以得到較高的分辨率。

掩膜底版要求必須非常平整。因為復制2μm以下的圖形，整個版的平整度必須不超過2μm。對于掩膜材料，可分為在玻璃表面上涂有鹵化銀乳劑的高分辨率干版和在玻璃上附著金屬薄膜的硬面版兩種。高分辨率干版要獲得足夠的光密度，需要乳劑厚度有幾微米厚，這樣就存在光滲問題，乳劑表面的傷痕、污點，乳劑中的雜質、針孔，又將構成圖形的缺陷。同時，在接觸式光刻時壽命短，所以，只在精度要求不高及器件產量非常少的場合，它們的主掩膜或工作掩膜才用這種高分辨率干版來制作。硬面版是在玻璃底版上蒸發(fā)或濺射上幾十至幾百納米厚的金屬或金屬氧化物，再利用光致抗蝕劑經光刻而形成圖形的。它們的機械強度好，但表面反射率高(特別是鉻膜)，影響其表面上的抗蝕劑分辨率。所以，分步重復照相常使用在鉻表面再附著一層氧化鉻的二層結構版。底版最常用的玻璃是鈉石灰玻璃，為了提高對準精度，也使用硼硅玻璃。

重復照相后，經顯影、定影(干版)或腐蝕(硬面版)即可得到主掩膜圖形。工作掩膜是從主掩膜復制出的，它與主掩膜制作相比，基本不同點只是曝光方法。工作掩膜的曝光通常是采用接觸復印，其主要關心的問題是平整度、掩膜材料和復印照明系統的照度是否均勻。

2.鉻版制備技術

在半導體器件和集成電路生產中，普遍采用金屬鉻版。

金屬鉻膜與相應的玻璃襯底有很強的粘附性能，牢固度高，而且金屬鉻質地堅硬，使得鉻版非常耐磨，使用壽命很長。鉻膜是由真空蒸發(fā)而沉積在玻璃上的，其顆粒極細，膜厚可控制在0.1μm，圖形邊緣過渡區(qū)也極小，光刻圖形的邊緣十分整齊、光滑且精密度高，版面平整，不同尺寸的圖形膜層厚度一致，在接觸曝光中的光衍射效應所造成小圖形失真程度相對小。鉻版掩膜沒有干版那種影響透明度的乳膠層，所以分辨率極高。膜的光密度大，反差極好。在室溫的條件下用強酸也浸蝕不了鉻膜，尤其是當鉻版掩膜經化學鈍化后，其穩(wěn)定性更好。鉻版對有機溶劑的浸蝕也有非常好的抵抗性，所以可用水或其他各種有機溶劑擦洗，除去光致抗蝕劑的沾污，這樣就可以提高鉻版的使用次數。實踐證明，鉻版掩膜經長時間使用，其圖形的尺寸變化較少，而且制作時出現的缺陷很少。鉻版工藝較為成熟，而且它還有以上許多優(yōu)點，適合作為光刻掩膜。鉻版制備包括兩部分：其一是蒸發(fā)鍍膜，即在玻璃基片上蒸發(fā)鉻膜的工藝，其設備及工藝方法基本上與真空蒸鋁相同；其二是光刻技術，用空白鉻版復印光刻版的方法基本上與SiO2的刻蝕方法相同，即在空白鉻版表面涂上一層光刻膠，然后進行曝光、顯影、腐蝕等一系列光刻工藝，此詳細工藝原理可參閱光刻工藝。鉻版的質量與所用的玻璃襯底有著密切的關系。鉻版的某些缺陷往往是由于玻璃基片表面的缺陷引起的，而這些表面缺陷在清洗過程中是無法消除的。對玻璃版進行嚴格挑選是獲得完美鉻膜的必要條件，是制取高質量鉻版不可忽視的重要一環(huán)。為保證版的質量，所選的玻璃襯底熱膨脹系數越小越好，在360nm以上的波長范圍內，透射率在90%以上，化學穩(wěn)定性好。選擇表面光澤，無突起點、凹陷、劃痕和氣泡，版面平整，厚度適中、均勻，盡量選配熱膨脹系數一致的玻璃。現有的磨光玻璃和優(yōu)質的窗玻璃都可以選用。挑選好的制版玻璃，通過切割、銑邊、例棱、倒角、粗磨、精磨、厚度分類、粗糙、精拋、清洗、檢驗、平坦度分類等工序后，制成待用的襯底玻璃。

蒸發(fā)鉻膜通常采用純度99%以上的鉻粉作為蒸發(fā)源，把其裝在加熱用的鉬舟內進行蒸發(fā)。蒸發(fā)前應抽真空度、加熱。其他步驟與蒸鋁工藝相似。

鉻膜質量不好的常見問題是針孔，主要是因為玻璃基片的清潔度不夠好，有水汽吸附，鉻粉不純，或表面存在塵埃等原因。蒸好的鉻版從真空室中取出，用丙酮棉花擦洗表面，然后放在白熾燈前觀察。檢查鉻層有否有針孔，厚度是否均勻，厚薄是否適當。太厚腐蝕時容易鉆蝕，影響光刻質量，太薄則反差不夠高。鉻版復印前需事先根據光刻版的大小劃好鉻版，浸入四氯化碳，然后用丙酮棉花擦洗。在60～80℃下烘30分鐘備用。

下面簡要介紹鉻版的復印工藝流程。

采用旋轉涂布法涂膠。為了使感光膠膜薄而均勻，可采用較稀的感光劑配方，即聚乙烯醇肉桂酸酯∶5一硝基苊∶環(huán)己酮=11g∶1g∶160ml。涂膠后在60～80℃烘箱內前烘20分鐘。

在復印機上進行對準曝光。此時原版的藥膜面應朝上，而空白版的光刻膠膜面應朝下與其相貼，然后壓緊進行曝光。為了使顯影的線條陡直，一般采用甲苯或丁酮顯影。用甲苯顯影的時間約60秒。為了減少殘渣，可把顯影液分裝兩杯，依次進行顯影。顯影后用熱風吹干，再在200℃下烘20～30分鐘。制作鉻版的腐蝕液一般要求透明易于觀察，速度適中，不生成反應沉積物，易去除鉻的氧化物，與抗腐劑的性質相適配。腐蝕溫度為50～60℃，時間約為l～2分鐘。腐蝕后用水浸泡數分鐘，再用丙酮棉花擦去殘膠。

鉻版復制好以后，為了使它能經久耐用，還需在200～300℃下烘烤數小時進行老化，使鉻層和玻璃附著得更牢固。經老化后的鉻版用投影儀進行質量檢查，合格的鉻版即可交付光刻工序作為光刻用版。

鉻膜的厚度是不難控制的。生產時通過鐘罩窗口觀察透過鉻層的自熾燈絲的亮度，當呈咖啡色時即可。制得的鉻膜一般厚度控制在100nm左右。若鉻膜太薄，則會因反差不夠而漏光，影響光刻的質量；若鉻膜太厚，則由于光的散射，而使分辨率降低。此外，由于表面張力的關系，容易產生針孔。

鉬舟加熱器在真空蒸發(fā)時會使蒸發(fā)物質出現方向性，影響了鉻膜厚薄的均勻性。生產中需通過選擇一定的加熱器形狀和尺寸，以及調節(jié)玻璃與蒸發(fā)源之間的位置和距離或采用蒸發(fā)源均勻分布的方法，以獲得厚薄均勻的鉻膜。影響鉻膜針孔的因素很多，其中玻璃表面的不清潔是一個最基本的原因。因此，除了應保持恒溫干燥烘箱、真空室的高度清潔以外，還必須對玻璃進行嚴格的表面清潔處理。此外，蒸發(fā)源的純度也是一個十分重要的因素。加熱器中的雜質可能會沾污蒸發(fā)源或直接沉積到玻璃上而沾污沉積層，而且加熱器的熱輻射也可能會使其附近部分的溫度升高而放出吸附的雜質沾污沉積層。由于表面張力的關系，鉻膜太厚也會產生針孔。當鉻版突然冷卻時也會由于鉻與玻璃的膨脹系數不一致而引起針孔，因此，一般最好采用自然冷卻的辦法。另外，真空度的突然降低，如取鉻版時，對真空室快速放氣，也會產生針孔。鉻膜的牢固度(耐磨及與玻璃的附著力)基本上取決于玻璃的表面清潔與否，因此，對玻璃的表面必須進行嚴格的清潔處理。蒸發(fā)的速率越快則鉻原子越能以密集的原子云飛向玻璃，并形成光亮而密實的膜層。如果蒸發(fā)的速率很慢，則鉻原子與氣體分子的碰撞機會也越多，結果鉻原子便易氧化以致鉻膜被氧化。實踐證明，真空度越高則鉻與玻璃的結合就越牢。其次，還應注意必須保持恒定的真空度進行蒸發(fā)。清潔的玻璃稍一暴露在大氣中便很易受到污染，但是在沉積膜層之前在真空室中加熱玻璃便可較為有效地除去這種污染，并且還可使鉻膜與玻璃結合得更好，對膜的結構也好。不過如果真空度不高的時候，很易引起表面的氧化，嚴重時甚至玻璃會發(fā)生形變，因此，必須適當地選擇玻璃的預熱溫度，以避免表面氧化的現象，一般預熱到400℃即可。另外，為了防止真空室的內壁及部件吸附氣體、雜質、蒸汽，每次使用完畢，真空室必須抽低真空保存。

3.其他制版工藝

半導體生產中通常采用超微粒干版和金屬鉻版，但是超微粒干版耐磨性較差，針孔也較多，而金屬鉻版雖然具有耐磨性強、分辨率高的優(yōu)點，但也有易于反射光、不易對準和針孔較多缺點。隨著半導體電子工業(yè)的迅速發(fā)展，當前正朝著超高頻、大功率和高集成化方向發(fā)展。制版工藝是半導體器件和集成電路工藝的先導，半導體器件、集成電路，特別是大面積集成電路制造工藝對光刻掩膜提出了更高的要求，它要求光刻掩膜分辨率高、針孔少、耐磨性強，而且要求易于對準。因此目前制版技術主要朝兩方面發(fā)展。一是掩膜設計和母版制備采用CAD(即計算機輔助設計)技術和自動制版。將計算機輔助設計所得的最終結果通過計算機去控制圖形發(fā)生器(如自動刻圖機、電子束圖形發(fā)生器等)而制得母版。它可提高精度和降低制版的成本。另一方面是采用新型的透明或半透明掩膜，即俗稱彩色版，它可克服超微粒針孔缺陷多，耐磨性差及鉻版針孔多、易反光、不易對準等缺點。

彩色版是半導體制造技術中的一種新工藝。對于彩色版，大家可能認為這種版一定是五顏六色、色澤鮮艷，其實彩色版雖然有顏色，但并不鮮艷，確切地說它是一種透明和半透明的掩膜。彩色版的最主要特點是對曝光光源波長(紫外線400～200nm)不透明，而對于觀察光源波長(可見光400～800nm)透明的一種光刻掩膜。也就是說這種掩膜，對于可見光波吸收很小，能透過，而對紫外線吸收較強，不能透過。因此使用這種掩膜版時，在可見光下觀察是透明的，故光刻圖形易于對準，而用紫外線曝光時這種掩膜又是不透明的，因此又能起掩膜的作用。在大面積集成電路的光刻中，由于集成度高，圖形線條細，要求光刻精度高，用金屬鉻版是較難對準的(因為鉻版反射光能力強)，而用彩色版光刻大面積集成電路時，因其透明所以能對器件圖形的最關鍵部位進行直接觀察，使圖形對準較為容易。彩色版除了光刻圖形易于對準外，還具有針孔少(少于0.5cm-2)，耐磨性較強(因為玻璃與氧化鐵能力強)的優(yōu)點，在分辨率方面也不亞于金屬鉻版和超微粒乳膠版。氧化鐵掩膜已能做出1μm左右的圖形。此外，由于彩色版的掩蔽作用是吸收不需要的光而不是反射，因此光學效應比鉻版減小了，從而提高了反差。彩色版種類很多，例如氧化鐵版、硅版、氧化鉻版、氧化亞銅版等，目前應用較廣的是氧化鐵彩色版。雖然常常把氧化鐵版的材料稱做氧化鐵(Fe2O3)，確切地講其組成是復雜的，結構是多樣的，是數種鐵的氧化物的混和物，通常用氧化鐵作為它們的代表。氧化鐵具備作為選擇透明掩膜材料的所有要求的最佳的化學和物理特性。據報道在紫外區(qū)(300～400nm)的透射率小于1%，在可見光區(qū)如鈉D線(589nm)處透射率大于30%。在使用上，氧化鐵掩膜的光學特性與鉻版和乳膠版不同，它在觀察光源波長下是透明的，而在曝光光源波長是不透明的。由于這一特性，掩膜對可見光透明而阻擋紫外線通過，因而允許在光刻時通過掩膜直接觀察片子上的圖形。氧化鐵掩膜的反射率較低，與正性膠(如205號正膠)配合能獲得0.5～1μm的條寬。因此制得的氧化鐵掩膜版具有比鉻版更高的分辨率。氧化鐵版由于吸收(而不是反射)不需要的光，因而克服了光暈效應，加強了對反射性襯底的對比度，有利于精細線條光刻。氧化鐵的結構致密且是無定形的，針孔少。一方面是由于Fe2O3與玻璃襯底結構較類似，粘附較好；另一方面是由于Fe2O3流體會在最后反應前散在玻璃上。經過簡單的光學檢查與抗蝕劑腐蝕實驗并放大針孔表明，Fe2O3膜的針孔低于0.5cm-2。與鉻膜不同，Fe2O3膜用高電平超聲清洗時也不產生針孔。氧化鐵版的制備方法主要有三種：化學氣相沉積(CVD)法、涂敷法及反應濺射法。反應濺射法是用通常的濺射技術，在CO+CO2、Ar+CO2或Ar+O2氣氛中，通過熱壓制的氧化鐵或冷軋鋼構成的電極，用射頻或直流濺射法制備氧化鐵版。該制備法無毒，但鐵版質量不如CVD法，國內很少采用。從目前來看，以聚乙烯二茂鐵材料制備的氧化鐵彩色版最有前途，它為用CAD設計及數控電子束掃描進行自動化制版的實現提供了切實可行的途徑。以作為微細化、高集成化先導的MOS(金屬氧化物半導體)和DRAM(動態(tài)隨機存取存儲器)為例，隨著集成電路跨入VLSI時代，1GBDRAM可集成大約10億個元件，為了把這么多元件高密度地集成在VLSI的芯片，元件和電路的最小尺寸極細微，在16MB中是0.5～0.6μm，在64MBDRAM中是0.35～0.5μm。集成電路將沿著微細、高集成化的方向發(fā)展，這種微細化、高集成化的原動力，就是在硅襯底上形成元件和電路微細圖形的光刻制版技術。

集成電路的光刻制版技術按所使用光源的不同可分為光刻刻蝕(制版)技術、X射線刻蝕技術、電子束刻蝕技術和離子束投影刻蝕技術等。

40多年來，光學光刻技術一直是推動集成電路工業(yè)迅速發(fā)展的重要技術。目前，193nm和l57nm光學光源技術基本成熟，透鏡數值孔徑NA在增大，193nm和157nm光學光刻膠性能在提高，光學移相掩膜(Phase-ShiftMask)技術在發(fā)展，光學臨近效應校正(OPC，OpticalProximityCorrection)的精度在提高。這一切，保證了光學光刻技術工作者能夠使光學光刻系統曝光出來的線條尺寸比曝光波長還要短。盡管光學光刻技術的競爭對手包括接近式X射線光刻、多通道高速電子束直寫光刻、離子束投影光刻、電子束投影光刻、極端遠紫外投影光刻等也在不斷發(fā)展，但是光學光刻仍然具有強大的生命力。而且它還很有可能應用于0.13μm甚至0.1μm的IC生產中。AMD公司(AdvancedMicroDevicesInc)購買了公司的PAS5500/900型193nm光學光刻機應用于下一代CPU生產就是一個例證。有些光學光刻技術工作者甚至預言157nm光學光刻技術的極限分辨率可以達到50nm，這時候光學光刻掩膜的制造難度和制造成本也許會成為一個不可逾越的障礙。通過改進光源和采用分辨率增加技術，目前主流光學光刻技術已接近0.13μm的光學極限。投影式光學光刻的掩膜尺寸與實際曝光出來的光刻膠尺寸之比一般是4∶l，光學光刻掩膜制造商總能跟得上光學光刻快速前進的步伐。但是，當光學光刻進入193nm時代后，光學光刻掩膜制造誤差已經成為光刻線寬控制誤差和套刻對準誤差的主要來源，由此IC工業(yè)對光學光刻掩膜提出的要求越來越嚴格。如何提高精度與成品率，降低成本和縮短制造周期，成為擺在光學光刻制造者面前的重要課題。隨著光學光刻的極限分辨率的不斷提高，當代光學掩膜制造技術面臨著越來越嚴格的挑戰(zhàn)。

4.光學掩膜工藝技