第八章 基本光刻工艺流程
光刻的目的和意义第四章已做过简单的描
述, 这一章主要介绍基本光刻工艺中的 表面准
备至曝光 的工艺步骤及光刻胶的特性 。
8.1 简介
光刻工艺首先是
在晶园表面建立尽可
能接近设计规则中所
要求尺寸的图形, 其
次是在晶园表面正确
定位图形 。
晶圆
晶圆
晶圆
表面层
图形层
因为最终的图形是用多个掩膜版按照特定的
顺序在晶园表面一层一层叠加建立起来的 。 图
形定位的要求就好像是一幢建筑物每一
层之间所要求的正确对准 。 如
果每一次的定位不准, 将会导
致整个电路失效 。 除了对特征
图形尺寸和图形对准的控制,
在工艺过程中的缺陷水平的控
制也同样是非常重要的 。 光刻
操作步骤的数目之多和光刻工
艺层的数量之大, 所以光刻工
艺是一个主要的缺陷来源 。
#2
栅掩膜
#1
阱掩膜
#3
接触
掩膜
#4
金属
掩膜
#5
P A D
掩膜
8.2 光刻蚀工艺概况
光刻蚀是一种多步骤的图形转移过程, 首
先是在掩膜版上形成所需要的图形, 之后通过
光刻工艺把所需要的图形转移到晶园表面的每
一层 。
图形转移通过两步完成 。 首先, 图形被转
移到光刻胶层 。 光刻胶经过曝光后自身性质和
结构发生变化 （ 由原来的可溶性物质变为非可
溶性物质, 或者相反 ） 。 再通过化学溶剂 （ 显
影剂 ） 把可以溶解的部分去掉, 在光刻层下就
会留下一个孔, 而这个孔就是和掩膜版不透光
的部分相对应 。
工艺步骤 目的
在掩膜版和图形在晶圆上
的精确对准和光刻胶的曝
光。负胶是聚合物
对准和曝光
显影
除非聚合的光刻胶去
掩膜 图形 /
光刻胶
氧化层
晶圆
晶圆
光刻胶
氧化层
其次, 把图形从光刻胶层转移到晶园上 。
这一步是通过不同的刻蚀方法把晶园上没有被
光刻胶保护的部分的薄膜层去掉 。 这时图形转
移就彻底完成了 。 如图所示 。
艺步骤工 目的
刻蚀 将晶圆顶层通过光刻
胶的开口去除
光刻胶去除 从晶圆上去除光刻
胶层
光刻胶
氧化层
氧化层
晶圆
晶圆
如果掩膜版的图形
是由不透光的区域决
定的, 称其为亮场掩
膜版；而在一个暗场
掩膜版中, 掩膜版上
的图形是用相反的方
式编码的, 如果按照
同样的步骤, 就会在
晶园表面留下凸起的
图形 。
暗场掩膜版主要
用来制作反刻金属互
联线 。
亮场
暗场
刚才介绍了对光有负效应的光刻胶, 称为负
性胶 。 同样还有对光有正效应的光刻胶, 称为正
胶 。 用正性胶和亮场掩膜版在晶园表面建立凸起
图形的情况如图 8.7所示 。
右图显示了用不同极
性的掩膜版和不同极
性的光刻胶相结合而
产生的结果 。 通常是
根据尺寸控制的要求
和缺陷保护的要求来
选择光刻胶和掩膜版
极性的 。
掩膜版极性
亮场
暗场
负 正
空穴 凸起
凸起 空穴
光刻
胶极性
工艺步骤 目的
对准和曝光 掩膜版和图形在晶圆上的
精确对准和光刻胶的曝光。
正胶被光溶解
掩膜版 图形 /
晶圆
晶圆
晶圆
晶圆
光刻胶
氧化层
光刻胶
氧化层
显影 去除非聚合光刻胶
刻蚀 表层去除
光刻胶去除 光刻胶去除
8.3 光刻 10步法
把图形从掩膜版上转移到晶园表面是由多
个步骤完成的 （ 见图 8.9）, 特征图形尺寸,
对准精度, 晶园表面情况和光刻层数都会影响
到特定光刻工艺的难以程度 。 虽然许多光刻工
艺都不尽相同, 但大部分都是基于光刻 10步法
的变异或选项 。 所以了解和掌握基本的光刻 10
步法是非常必要的 。
8.4 光刻胶
光刻胶是光刻工艺的核心, 光刻过程中的
所有操作都会根据特定的光刻胶性质和想达到
的预期结果而进行微调 。 光刻胶的选择和光刻
工艺的研发是一个非常漫长的过程 。
8.4.1 光刻胶的组成
光刻胶由 4种
成分组成,
聚合物
溶剂
感光剂
添加剂
成分 功能
聚合物 当被对准机光源曝光时，
聚合物结构由可溶变成
聚合（或反之）
溶剂 稀化光刻胶，通过旋转
形成薄膜
感光剂 在曝光过程中控制和 或 /
调节光刻胶的化学反应
添加剂 各种添加的化学成分实
现工艺效果，例如染色
? 聚合物
聚合物是由一组大而且重的分子组成，包
括碳、氢和痒。 对负性胶，聚合物曝光后会由
非聚合状态变为聚合状态 。 在大多数负性胶里
面，聚合物是 聚异戊二烯 类型。是一种相互粘
结的物质－－抗刻蚀的物质，如图所示。
双键
未聚合的 聚合的
能量
CH
CH
CH
CH
( a ) ( b )
× × × × ×
× × × × ×
正性胶 的基本聚合物是 苯酚－甲醛 聚合物,
也称为 苯酚－甲醛树脂 。 如图所示 。
在光刻胶中聚合物是相对不可溶的, 用适
当能量的光照后变成可溶状态 。 这种反应称为
光溶解反应 。
邻位
（ 和 ）26
间位
（ 和 ）34
间甲酚 甲醛
对位（ ） 4
下表列出了用在光刻胶产品上的聚合物, 正胶
和负胶相对的有点 。
光刻胶 聚合物 极性 感光性
( C o u l / c m )
曝光光源
正性 酚醛树脂（间
甲酚甲醛）
紫外
负性 聚异戊二烯 紫外
聚甲基丙烯酸酯
电子束
聚甲基异丙烯基酮
电子束 /
深紫外
聚丁烯 砜 1
电子束
电子束聚三氟乙烷基氯丙烯
酸酯
电子束
X线 射
共聚物（ 氰乙基丙烯酸,a
a 基乙烷基丙烯酸酯）氨
聚甲基戊烯 砜 1
电子束
P M M A
P M I P K
P B S
T F E C A
C O P
( P C A )
P M P S
+
+
+
+
+
-
-
+
3 - 5 1 0×
5 1 0×
1 1 0×
2 1 0×
8 1 0×
5 1 0×
2 1 0×
? 溶剂
光刻胶中容量最大的成分是溶剂。添加溶
剂的目的是光刻胶处于液态，以便是光刻胶能
够通过旋转的方法涂在晶园表面。
? 感光剂
光刻胶中的感光剂是用来产生或者控制聚
合物的特定反应 。 如果聚合物中不添加感光剂,
那么它对光的敏感性差, 而且光谱范围较宽,
添加特定的感光剂后, 可以增加感光灵敏度,
而且限制反应光的光谱范围, 或者把反应光限
制在某一波长的光 。
? 添加剂
光刻胶中的添加剂主要在光刻胶薄膜中用
来吸收和控制光线, 可以阻止光刻胶没有被曝
光的部分在显影过程中被溶解 。
8.5 光刻胶的表现要素
对光刻胶的要求包括一下几个方面,
? 分辨率
在光刻胶层能够产生的最小图形通常被作
为对光刻胶的分辨率。 产生的线条越小，分辨
率越高。分辨率不仅与光刻胶本身的结构、性
质有关，还与特定的工艺有关，比如：曝光光
源、显影工艺等。
? 粘结能力
光刻胶与衬底膜层 （ SiO2,Al等 ） 的粘结
能力直接影响光刻的质量 。 不同的衬底表面,
光刻胶的粘结能力是不同的 。 负性胶通常比正
性胶有更强的粘结能力 。
? 曝光速度 灵敏性和曝光源
光刻胶的感光灵敏度反应了光刻胶感光所
必须的照射量, 而照射量正比于光的强度和感
光时间 。 光强度是和光源特定的波长有关系 。
不同光源 （ 射线 ） 对应的波长如下图所示 。
波长越短的光源 （ 射线 ） 能量越高 。
? 除了普通光源，经常还根据不同需要选择 X射线
或者 电子束 作为曝光光源。那么光刻胶灵敏性
作为一个参数，使通过能够使基本的反应开始
所需要的能量总和来衡量的，它的单位是 mJ/平
方厘米
? 负性胶通常的曝光时间是 5～ 15秒，而正性胶则
需要用上 3～ 4倍的时间。
名称 伽马射线 X线 射 紫外线
（V U）
可见光
红外线
（R I）
短无线
电波
广播
无线
电波
波长
（m c）
10 10 10 10 10 10
10
? 工艺宽容度
整个光刻过程步骤之多, 而且每一步骤都
会影响最终的图形尺寸, 另外每一工艺步骤都
有它的内部变异 。 不同的光刻胶对工艺变异的
容忍性都不一样 。 那么, 容忍性越高, 在晶园
表面达到所需要尺寸的可能性就越大, 或者说
工艺的宽容度就越大 。
? 针孔
所谓针孔是指光刻胶层中尺寸非常小的空
穴 。 可以是涂胶工艺中由环境中的微粒污染物
造成的, 也可以由光刻胶层结构上的空穴造成 。
针孔是有害的, 因为它可以允许刻蚀剂渗过光
刻胶层进而在晶园表面层刻蚀除小孔 。
? 阶梯覆盖度
随着晶园表面上膜层的不断增加, 表面不再是
完全平坦化的,
如图所示 。
所以要求光刻
胶必须具有良
好的阶梯覆盖
特性。
硅晶片
台阶
硅晶片
再氧化之前
再氧化之后
( a )
( b )
8.6 正胶和负胶的比较
在工艺发展的早期, 负胶一直在光刻工艺
中占主导地位, 随着 VLSI IC和 2～ 5微米图形
尺寸的出现, 负胶已不能满足要求 。 随后出现
了正胶, 但正胶的缺点是粘结能力差 。
用正胶需要改变掩膜版的极性, 这并不是
简单的图形翻转 。 因为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 （ 见下图 ） 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 。
（ a）亮场掩膜
版和负胶组合
图形尺寸变小
（ b）暗场掩膜
版和正胶组合
图形尺寸变大
晶圆
晶圆
非聚合光刻胶
聚合光刻胶
( a )
( b )
用正胶和暗场掩
膜版组合还可以在晶
园表面得到附加的针
孔保护。如果是亮场
掩膜版，大部分区域
是空穴，这样，玻璃
上的任何缺陷及污染
物微粒都会影响光刻
质量，若是暗场掩膜
版则可以避免上述缺
陷的产生，如图所示。
曝光
铬 污垢
玻璃裂纹
负胶
氧化物
晶圆
( a )
( b )
? 正胶成本比负胶高，但良品率高；
? 负胶所用的显影剂容易得到，显影过程中图形
尺寸相对稳定。
? 对于要求高的制作工艺选择正胶，而对于那些
图形尺寸大于 2微米的工艺还是选择负胶。图
8.21显示了两种类型光刻胶属性的比较。
参数 负胶正胶
纵横比（分辨力） 更高
黏结力 更好
曝光速度 更快
针孔数量 更少
阶梯覆盖度 更好
成本 更高
显影液 有机溶剂 水溶性溶剂
光刻胶去除剂
氧化工步 酸 酸
金属工步 氯化溶剂化合物 普通酸溶剂
8.8 光刻工艺
这一节将介绍基本的光刻工艺 10步法, 包
括每一步的目的, 技术考虑, 选项和工艺控制
方法等 。
8.9 表面准备
为确保光刻胶能和晶园表面很好粘结, 必
须进行表面处理, 包括三个阶段,微粒清除,
脱水和涂底胶 。
? 微粒清除
虽然光刻前的每一步工艺 （ 氧化, 掺杂等 ）
都是在清洁区域完成的, 但晶园表面有可能吸
附一些颗粒状的污染物, 所以必须给以清除 。
微粒清除方法见下图 。
? 脱水烘焙
经过清洁处理后的晶园表面可能会含有一定
的水分 （ 亲水性表面 ）, 所以必须脱水烘焙使
其达到清洁干燥 （ 憎水性表面 ）, 以便增加光
刻胶和晶园表面的黏附能力 。
保持憎水性表面通常通过下面两种方法：
一是保持室内温度在 50℃ 以下, 并且在晶园完
成前一步工艺之后尽可能快的进行涂胶 。
高压氮气吹除
化学湿法清洗
旋转刷刷洗
高压水流
另一种方法是把晶园存储在用干燥并且干
净的氮气净化过的干燥器中 。
除此之外，一个加热的操作也可以使晶园表面
恢复到 憎水表面。有三种温度范围,
150～ 200℃ （低温），此时晶园表面会被蒸发
亲水性
表面
憎水性
表面
到了 400℃ （ 中温 ） 时, 与晶园表面结合较松
的水分子会离开 。 当超过 750℃ （ 高温 ） 时,
晶园表面从化学性质上讲恢复到了憎水性条件 。
通常采用低温烘焙, 原因是操作简单 。
? 涂底胶
涂底胶的目的是进一步保证光刻胶和晶园
表面的粘结能力 。 底胶的选择必须保证一个很
好的黏附和平滑的表面 。 底胶的作用是从化学
上把晶园表面的水分子系在一起, 因此增加了
表面的黏附能力 。
方法有,沉浸式 旋转式 蒸汽式
各有优缺点，使用时根据具体情况选择。
8.10 涂光刻胶
目的是在晶园表面建立 薄而均匀并且没有
缺陷 的光刻胶膜。要做到这一点必须用精良的
设备和严格的工艺控制才能达到。
厚度,0.5～ 1.5μm，均匀性,± 0.01μm
常用方法：旋转涂胶法
分手动，半自动，全自动
? 静态涂胶工艺
首先把光刻胶通过管道堆积在晶园的中心,
堆积量由晶园大小和光刻胶的类型决定, 堆积
量非常关键, 量少了会导致涂胶不均匀, 量大
了会导致晶园边缘光刻胶的堆积甚至流到背面,
如图所示 。
静态旋转工艺
光刻胶膜的最终厚度是由光刻胶的粘度,
旋转速度, 表面张力和国光刻胶的干燥性来决
定的 。
涂胶 铺展 旋转
真空
高转速
光刻胶覆盖
光刻
胶浇注
不充分
覆盖
完整光刻胶
覆盖
过多
光刻胶
旋转后
? 动态喷洒
随着晶园直径越来越大, 静态涂胶已不能
满足要求, 动态喷洒是晶园以 500rpm的速度低
速旋转, 其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 。 待扩散后旋转器加速完成最终要
求薄而均匀的光刻胶膜 。
低转速
真空
高转速
? 自动旋转器
自动系统如图所示, 包含了晶园表面处理,
涂底胶
和涂光刻胶
的全部过程,
标准的系统
配置就是一
条流水线 。
自动晶圆
装载
通向
排气
N O 除吹
旋转电机
真空
捕获杯
底
胶
器
光
刻
胶
传送到
晶圆盒
或软烘焙
N
8.11 软烘焙
因为光刻胶是一种粘稠体, 所以涂胶结束
后并不能直接进行曝光, 必须经过烘焙, 使光
刻胶中的溶剂蒸发 。 烘焙后的光刻胶仍然保持
,软, 状态 。 但和晶园的粘结更加牢固 。
时间和温度 是软烘焙的参数,不完全的烘焙在
曝光过程中造成图像形成不完整和在刻蚀过程
中造成多余的光刻胶漂移；过分烘焙会造成光
刻胶中的聚合物产生聚合反应，并且不与曝光
射线反应。
负胶必须在氮气中进行烘焙, 而正胶可以
在空气中烘焙 。
烘焙方式参见第 8.11.1～ 8.11.6节 。 下表总
结了不同的烘焙方式 。
方法 烘焙时间（分钟） 温度控制 生产率
型类
速度
W a f / H r
排队
热板
对流烘箱
真空烘箱
移动带式红外烘箱
导热移动带
微波
好
一般（好）
差（一般）
差（一般）
一般
差（一般）
单片（小批量）
批量
批量
单片
单片
单片
是
是
是
否
否
否
5 ~ 1 5
30
30
5 ~ 7
5 ~ 7
0, 2 5
60
4 0 0
2 0 0
90
90
60
8.12 对准和曝光
对准是把所需图形在晶园表面上定位或对
准 。 而曝光是通过曝光灯或其他辐射源将图形
转移到光刻胶涂层上 。 如果说光刻胶是光刻工
艺的, 材料, 核心, 那么对准和曝光则是该工
艺的, 设备, 核心 。 图形的准确对准是保证器
件和电路正常工作的决定性因素之一 。
? 对准系统的性能表现
对准和曝光包括两个系统：一个是要把图
形在晶园表面上准确定位 （ 不同的对准机类型
的对准系统各不相同 ） ；另一个是曝光系统
（ 包括一个曝光光源和一个将辐射光线导向到
晶园表面上的机械装置 ） 。
对准机的性能指标,
分辨率,机器产生特定尺寸的能力,分辨率越
高越好，机器的性能越好。
套准能力,图形准确定位的能力
其他标准如图所示
对准机选择标准
分辨力 分辨极限 /
对准精度
污染等级
可靠性
产率
总体所有权成本 ( C O O )
? 对准与曝光系统
最初曝光设备是接触式光刻机和接近式光刻
机, 而今, 光刻机已发展成两大类型, 即光学
光刻机和非光学光刻机,
如图所示 。 光学
光刻机采用紫外
线作为光源, 而
非光学光刻机的
光源则来自电磁
光谱的其他成分 。
光刻机的种类
光学
接触式
非光学
X线 射
电子束接近式
投影式
步进式
? 曝光光源
普通光源光的波长范围大, 图形边缘衍射
现象严重, 满足不了特征尺寸的要求 。 所以作
为晶园生产用的曝光光源必须是 某一单一波长
的光源； 另外光源还必须通过 反射镜和透镜,
使光源发出的光转化成一束平行光, 这样才能
保证特征尺寸的要求 。
最广泛使用的曝光光源是 高压汞灯, 它所
产生的光为紫外光 （ UV）, 为获得更高的清
晰度, 光刻胶被设计成只与汞灯光谱中很窄一
段波长的光 （ 称为深紫外区或 DUV） 反应 。
除自之外，现今用的光源还有,准分子激
光器,X射线和电子束 。
? 对准法则
第一次光刻只是把掩膜版上的 Y轴与晶园上
的平边成 90o,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
个特殊的图形 （ 见图 ）,
分布在每个芯片图形的边
缘。经过光刻工艺对准标
记就永远留在芯片表面，同时作为下一次对准使
用。
晶圆
掩膜版
平边
对准标记
未对准种类,(a) X方向 (b) 转动 (c) 伸出
? 对准系统比较
? 光刻机的分类
接触式 接近式 扫描投影 步进式
分步扫描 X射线 电子束 混合和匹配
光刻机系统 全局掩
膜版
掩膜版 曝光
光源
分辨力
（m m）
产量 1 5 0 m m,(
w a f / h r )
接触式 接近式 /
扫描投影式
分步重复式
分步扫描式
X 线式射
电子束式
汞
汞
汞 E x L / 化氪 深紫外/ 氟 /
汞 E x L / 化氪 深紫外/ 氟 /
X线 射
电子束
X
X
X
直写
X
X
X
X
0, 2 5 ~ 0, 5 0
0, 9 ~ 1, 2 5
0, 3 5 ~ 0, 8 0
0, 2 5 ~ 0, 4 0
0, 1 0
0, 2 5
3 0 ~ 1 2 0
3 0 ~ 1 0 0
6 5 ~ 9 0
5 0 *
2 0 +
2 - 1 0
光刻的目的和意义第四章已做过简单的描
述, 这一章主要介绍基本光刻工艺中的 表面准
备至曝光 的工艺步骤及光刻胶的特性 。
8.1 简介
光刻工艺首先是
在晶园表面建立尽可
能接近设计规则中所
要求尺寸的图形, 其
次是在晶园表面正确
定位图形 。
晶圆
晶圆
晶圆
表面层
图形层
因为最终的图形是用多个掩膜版按照特定的
顺序在晶园表面一层一层叠加建立起来的 。 图
形定位的要求就好像是一幢建筑物每一
层之间所要求的正确对准 。 如
果每一次的定位不准, 将会导
致整个电路失效 。 除了对特征
图形尺寸和图形对准的控制,
在工艺过程中的缺陷水平的控
制也同样是非常重要的 。 光刻
操作步骤的数目之多和光刻工
艺层的数量之大, 所以光刻工
艺是一个主要的缺陷来源 。
#2
栅掩膜
#1
阱掩膜
#3
接触
掩膜
#4
金属
掩膜
#5
P A D
掩膜
8.2 光刻蚀工艺概况
光刻蚀是一种多步骤的图形转移过程, 首
先是在掩膜版上形成所需要的图形, 之后通过
光刻工艺把所需要的图形转移到晶园表面的每
一层 。
图形转移通过两步完成 。 首先, 图形被转
移到光刻胶层 。 光刻胶经过曝光后自身性质和
结构发生变化 （ 由原来的可溶性物质变为非可
溶性物质, 或者相反 ） 。 再通过化学溶剂 （ 显
影剂 ） 把可以溶解的部分去掉, 在光刻层下就
会留下一个孔, 而这个孔就是和掩膜版不透光
的部分相对应 。
工艺步骤 目的
在掩膜版和图形在晶圆上
的精确对准和光刻胶的曝
光。负胶是聚合物
对准和曝光
显影
除非聚合的光刻胶去
掩膜 图形 /
光刻胶
氧化层
晶圆
晶圆
光刻胶
氧化层
其次, 把图形从光刻胶层转移到晶园上 。
这一步是通过不同的刻蚀方法把晶园上没有被
光刻胶保护的部分的薄膜层去掉 。 这时图形转
移就彻底完成了 。 如图所示 。
艺步骤工 目的
刻蚀 将晶圆顶层通过光刻
胶的开口去除
光刻胶去除 从晶圆上去除光刻
胶层
光刻胶
氧化层
氧化层
晶圆
晶圆
如果掩膜版的图形
是由不透光的区域决
定的, 称其为亮场掩
膜版；而在一个暗场
掩膜版中, 掩膜版上
的图形是用相反的方
式编码的, 如果按照
同样的步骤, 就会在
晶园表面留下凸起的
图形 。
暗场掩膜版主要
用来制作反刻金属互
联线 。
亮场
暗场
刚才介绍了对光有负效应的光刻胶, 称为负
性胶 。 同样还有对光有正效应的光刻胶, 称为正
胶 。 用正性胶和亮场掩膜版在晶园表面建立凸起
图形的情况如图 8.7所示 。
右图显示了用不同极
性的掩膜版和不同极
性的光刻胶相结合而
产生的结果 。 通常是
根据尺寸控制的要求
和缺陷保护的要求来
选择光刻胶和掩膜版
极性的 。
掩膜版极性
亮场
暗场
负 正
空穴 凸起
凸起 空穴
光刻
胶极性
工艺步骤 目的
对准和曝光 掩膜版和图形在晶圆上的
精确对准和光刻胶的曝光。
正胶被光溶解
掩膜版 图形 /
晶圆
晶圆
晶圆
晶圆
光刻胶
氧化层
光刻胶
氧化层
显影 去除非聚合光刻胶
刻蚀 表层去除
光刻胶去除 光刻胶去除
8.3 光刻 10步法
把图形从掩膜版上转移到晶园表面是由多
个步骤完成的 （ 见图 8.9）, 特征图形尺寸,
对准精度, 晶园表面情况和光刻层数都会影响
到特定光刻工艺的难以程度 。 虽然许多光刻工
艺都不尽相同, 但大部分都是基于光刻 10步法
的变异或选项 。 所以了解和掌握基本的光刻 10
步法是非常必要的 。
8.4 光刻胶
光刻胶是光刻工艺的核心, 光刻过程中的
所有操作都会根据特定的光刻胶性质和想达到
的预期结果而进行微调 。 光刻胶的选择和光刻
工艺的研发是一个非常漫长的过程 。
8.4.1 光刻胶的组成
光刻胶由 4种
成分组成,
聚合物
溶剂
感光剂
添加剂
成分 功能
聚合物 当被对准机光源曝光时，
聚合物结构由可溶变成
聚合（或反之）
溶剂 稀化光刻胶，通过旋转
形成薄膜
感光剂 在曝光过程中控制和 或 /
调节光刻胶的化学反应
添加剂 各种添加的化学成分实
现工艺效果，例如染色
? 聚合物
聚合物是由一组大而且重的分子组成，包
括碳、氢和痒。 对负性胶，聚合物曝光后会由
非聚合状态变为聚合状态 。 在大多数负性胶里
面，聚合物是 聚异戊二烯 类型。是一种相互粘
结的物质－－抗刻蚀的物质，如图所示。
双键
未聚合的 聚合的
能量
CH
CH
CH
CH
( a ) ( b )
× × × × ×
× × × × ×
正性胶 的基本聚合物是 苯酚－甲醛 聚合物,
也称为 苯酚－甲醛树脂 。 如图所示 。
在光刻胶中聚合物是相对不可溶的, 用适
当能量的光照后变成可溶状态 。 这种反应称为
光溶解反应 。
邻位
（ 和 ）26
间位
（ 和 ）34
间甲酚 甲醛
对位（ ） 4
下表列出了用在光刻胶产品上的聚合物, 正胶
和负胶相对的有点 。
光刻胶 聚合物 极性 感光性
( C o u l / c m )
曝光光源
正性 酚醛树脂（间
甲酚甲醛）
紫外
负性 聚异戊二烯 紫外
聚甲基丙烯酸酯
电子束
聚甲基异丙烯基酮
电子束 /
深紫外
聚丁烯 砜 1
电子束
电子束聚三氟乙烷基氯丙烯
酸酯
电子束
X线 射
共聚物（ 氰乙基丙烯酸,a
a 基乙烷基丙烯酸酯）氨
聚甲基戊烯 砜 1
电子束
P M M A
P M I P K
P B S
T F E C A
C O P
( P C A )
P M P S
+
+
+
+
+
-
-
+
3 - 5 1 0×
5 1 0×
1 1 0×
2 1 0×
8 1 0×
5 1 0×
2 1 0×
? 溶剂
光刻胶中容量最大的成分是溶剂。添加溶
剂的目的是光刻胶处于液态，以便是光刻胶能
够通过旋转的方法涂在晶园表面。
? 感光剂
光刻胶中的感光剂是用来产生或者控制聚
合物的特定反应 。 如果聚合物中不添加感光剂,
那么它对光的敏感性差, 而且光谱范围较宽,
添加特定的感光剂后, 可以增加感光灵敏度,
而且限制反应光的光谱范围, 或者把反应光限
制在某一波长的光 。
? 添加剂
光刻胶中的添加剂主要在光刻胶薄膜中用
来吸收和控制光线, 可以阻止光刻胶没有被曝
光的部分在显影过程中被溶解 。
8.5 光刻胶的表现要素
对光刻胶的要求包括一下几个方面,
? 分辨率
在光刻胶层能够产生的最小图形通常被作
为对光刻胶的分辨率。 产生的线条越小，分辨
率越高。分辨率不仅与光刻胶本身的结构、性
质有关，还与特定的工艺有关，比如：曝光光
源、显影工艺等。
? 粘结能力
光刻胶与衬底膜层 （ SiO2,Al等 ） 的粘结
能力直接影响光刻的质量 。 不同的衬底表面,
光刻胶的粘结能力是不同的 。 负性胶通常比正
性胶有更强的粘结能力 。
? 曝光速度 灵敏性和曝光源
光刻胶的感光灵敏度反应了光刻胶感光所
必须的照射量, 而照射量正比于光的强度和感
光时间 。 光强度是和光源特定的波长有关系 。
不同光源 （ 射线 ） 对应的波长如下图所示 。
波长越短的光源 （ 射线 ） 能量越高 。
? 除了普通光源，经常还根据不同需要选择 X射线
或者 电子束 作为曝光光源。那么光刻胶灵敏性
作为一个参数，使通过能够使基本的反应开始
所需要的能量总和来衡量的，它的单位是 mJ/平
方厘米
? 负性胶通常的曝光时间是 5～ 15秒，而正性胶则
需要用上 3～ 4倍的时间。
名称 伽马射线 X线 射 紫外线
（V U）
可见光
红外线
（R I）
短无线
电波
广播
无线
电波
波长
（m c）
10 10 10 10 10 10
10
? 工艺宽容度
整个光刻过程步骤之多, 而且每一步骤都
会影响最终的图形尺寸, 另外每一工艺步骤都
有它的内部变异 。 不同的光刻胶对工艺变异的
容忍性都不一样 。 那么, 容忍性越高, 在晶园
表面达到所需要尺寸的可能性就越大, 或者说
工艺的宽容度就越大 。
? 针孔
所谓针孔是指光刻胶层中尺寸非常小的空
穴 。 可以是涂胶工艺中由环境中的微粒污染物
造成的, 也可以由光刻胶层结构上的空穴造成 。
针孔是有害的, 因为它可以允许刻蚀剂渗过光
刻胶层进而在晶园表面层刻蚀除小孔 。
? 阶梯覆盖度
随着晶园表面上膜层的不断增加, 表面不再是
完全平坦化的,
如图所示 。
所以要求光刻
胶必须具有良
好的阶梯覆盖
特性。
硅晶片
台阶
硅晶片
再氧化之前
再氧化之后
( a )
( b )
8.6 正胶和负胶的比较
在工艺发展的早期, 负胶一直在光刻工艺
中占主导地位, 随着 VLSI IC和 2～ 5微米图形
尺寸的出现, 负胶已不能满足要求 。 随后出现
了正胶, 但正胶的缺点是粘结能力差 。
用正胶需要改变掩膜版的极性, 这并不是
简单的图形翻转 。 因为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 （ 见下图 ） 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 。
（ a）亮场掩膜
版和负胶组合
图形尺寸变小
（ b）暗场掩膜
版和正胶组合
图形尺寸变大
晶圆
晶圆
非聚合光刻胶
聚合光刻胶
( a )
( b )
用正胶和暗场掩
膜版组合还可以在晶
园表面得到附加的针
孔保护。如果是亮场
掩膜版，大部分区域
是空穴，这样，玻璃
上的任何缺陷及污染
物微粒都会影响光刻
质量，若是暗场掩膜
版则可以避免上述缺
陷的产生，如图所示。
曝光
铬 污垢
玻璃裂纹
负胶
氧化物
晶圆
( a )
( b )
? 正胶成本比负胶高，但良品率高；
? 负胶所用的显影剂容易得到，显影过程中图形
尺寸相对稳定。
? 对于要求高的制作工艺选择正胶，而对于那些
图形尺寸大于 2微米的工艺还是选择负胶。图
8.21显示了两种类型光刻胶属性的比较。
参数 负胶正胶
纵横比（分辨力） 更高
黏结力 更好
曝光速度 更快
针孔数量 更少
阶梯覆盖度 更好
成本 更高
显影液 有机溶剂 水溶性溶剂
光刻胶去除剂
氧化工步 酸 酸
金属工步 氯化溶剂化合物 普通酸溶剂
8.8 光刻工艺
这一节将介绍基本的光刻工艺 10步法, 包
括每一步的目的, 技术考虑, 选项和工艺控制
方法等 。
8.9 表面准备
为确保光刻胶能和晶园表面很好粘结, 必
须进行表面处理, 包括三个阶段,微粒清除,
脱水和涂底胶 。
? 微粒清除
虽然光刻前的每一步工艺 （ 氧化, 掺杂等 ）
都是在清洁区域完成的, 但晶园表面有可能吸
附一些颗粒状的污染物, 所以必须给以清除 。
微粒清除方法见下图 。
? 脱水烘焙
经过清洁处理后的晶园表面可能会含有一定
的水分 （ 亲水性表面 ）, 所以必须脱水烘焙使
其达到清洁干燥 （ 憎水性表面 ）, 以便增加光
刻胶和晶园表面的黏附能力 。
保持憎水性表面通常通过下面两种方法：
一是保持室内温度在 50℃ 以下, 并且在晶园完
成前一步工艺之后尽可能快的进行涂胶 。
高压氮气吹除
化学湿法清洗
旋转刷刷洗
高压水流
另一种方法是把晶园存储在用干燥并且干
净的氮气净化过的干燥器中 。
除此之外，一个加热的操作也可以使晶园表面
恢复到 憎水表面。有三种温度范围,
150～ 200℃ （低温），此时晶园表面会被蒸发
亲水性
表面
憎水性
表面
到了 400℃ （ 中温 ） 时, 与晶园表面结合较松
的水分子会离开 。 当超过 750℃ （ 高温 ） 时,
晶园表面从化学性质上讲恢复到了憎水性条件 。
通常采用低温烘焙, 原因是操作简单 。
? 涂底胶
涂底胶的目的是进一步保证光刻胶和晶园
表面的粘结能力 。 底胶的选择必须保证一个很
好的黏附和平滑的表面 。 底胶的作用是从化学
上把晶园表面的水分子系在一起, 因此增加了
表面的黏附能力 。
方法有,沉浸式 旋转式 蒸汽式
各有优缺点，使用时根据具体情况选择。
8.10 涂光刻胶
目的是在晶园表面建立 薄而均匀并且没有
缺陷 的光刻胶膜。要做到这一点必须用精良的
设备和严格的工艺控制才能达到。
厚度,0.5～ 1.5μm，均匀性,± 0.01μm
常用方法：旋转涂胶法
分手动，半自动，全自动
? 静态涂胶工艺
首先把光刻胶通过管道堆积在晶园的中心,
堆积量由晶园大小和光刻胶的类型决定, 堆积
量非常关键, 量少了会导致涂胶不均匀, 量大
了会导致晶园边缘光刻胶的堆积甚至流到背面,
如图所示 。
静态旋转工艺
光刻胶膜的最终厚度是由光刻胶的粘度,
旋转速度, 表面张力和国光刻胶的干燥性来决
定的 。
涂胶 铺展 旋转
真空
高转速
光刻胶覆盖
光刻
胶浇注
不充分
覆盖
完整光刻胶
覆盖
过多
光刻胶
旋转后
? 动态喷洒
随着晶园直径越来越大, 静态涂胶已不能
满足要求, 动态喷洒是晶园以 500rpm的速度低
速旋转, 其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 。 待扩散后旋转器加速完成最终要
求薄而均匀的光刻胶膜 。
低转速
真空
高转速
? 自动旋转器
自动系统如图所示, 包含了晶园表面处理,
涂底胶
和涂光刻胶
的全部过程,
标准的系统
配置就是一
条流水线 。
自动晶圆
装载
通向
排气
N O 除吹
旋转电机
真空
捕获杯
底
胶
器
光
刻
胶
传送到
晶圆盒
或软烘焙
N
8.11 软烘焙
因为光刻胶是一种粘稠体, 所以涂胶结束
后并不能直接进行曝光, 必须经过烘焙, 使光
刻胶中的溶剂蒸发 。 烘焙后的光刻胶仍然保持
,软, 状态 。 但和晶园的粘结更加牢固 。
时间和温度 是软烘焙的参数,不完全的烘焙在
曝光过程中造成图像形成不完整和在刻蚀过程
中造成多余的光刻胶漂移；过分烘焙会造成光
刻胶中的聚合物产生聚合反应，并且不与曝光
射线反应。
负胶必须在氮气中进行烘焙, 而正胶可以
在空气中烘焙 。
烘焙方式参见第 8.11.1～ 8.11.6节 。 下表总
结了不同的烘焙方式 。
方法 烘焙时间（分钟） 温度控制 生产率
型类
速度
W a f / H r
排队
热板
对流烘箱
真空烘箱
移动带式红外烘箱
导热移动带
微波
好
一般（好）
差（一般）
差（一般）
一般
差（一般）
单片（小批量）
批量
批量
单片
单片
单片
是
是
是
否
否
否
5 ~ 1 5
30
30
5 ~ 7
5 ~ 7
0, 2 5
60
4 0 0
2 0 0
90
90
60
8.12 对准和曝光
对准是把所需图形在晶园表面上定位或对
准 。 而曝光是通过曝光灯或其他辐射源将图形
转移到光刻胶涂层上 。 如果说光刻胶是光刻工
艺的, 材料, 核心, 那么对准和曝光则是该工
艺的, 设备, 核心 。 图形的准确对准是保证器
件和电路正常工作的决定性因素之一 。
? 对准系统的性能表现
对准和曝光包括两个系统：一个是要把图
形在晶园表面上准确定位 （ 不同的对准机类型
的对准系统各不相同 ） ；另一个是曝光系统
（ 包括一个曝光光源和一个将辐射光线导向到
晶园表面上的机械装置 ） 。
对准机的性能指标,
分辨率,机器产生特定尺寸的能力,分辨率越
高越好，机器的性能越好。
套准能力,图形准确定位的能力
其他标准如图所示
对准机选择标准
分辨力 分辨极限 /
对准精度
污染等级
可靠性
产率
总体所有权成本 ( C O O )
? 对准与曝光系统
最初曝光设备是接触式光刻机和接近式光刻
机, 而今, 光刻机已发展成两大类型, 即光学
光刻机和非光学光刻机,
如图所示 。 光学
光刻机采用紫外
线作为光源, 而
非光学光刻机的
光源则来自电磁
光谱的其他成分 。
光刻机的种类
光学
接触式
非光学
X线 射
电子束接近式
投影式
步进式
? 曝光光源
普通光源光的波长范围大, 图形边缘衍射
现象严重, 满足不了特征尺寸的要求 。 所以作
为晶园生产用的曝光光源必须是 某一单一波长
的光源； 另外光源还必须通过 反射镜和透镜,
使光源发出的光转化成一束平行光, 这样才能
保证特征尺寸的要求 。
最广泛使用的曝光光源是 高压汞灯, 它所
产生的光为紫外光 （ UV）, 为获得更高的清
晰度, 光刻胶被设计成只与汞灯光谱中很窄一
段波长的光 （ 称为深紫外区或 DUV） 反应 。
除自之外，现今用的光源还有,准分子激
光器,X射线和电子束 。
? 对准法则
第一次光刻只是把掩膜版上的 Y轴与晶园上
的平边成 90o,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
个特殊的图形 （ 见图 ）,
分布在每个芯片图形的边
缘。经过光刻工艺对准标
记就永远留在芯片表面，同时作为下一次对准使
用。
晶圆
掩膜版
平边
对准标记
未对准种类,(a) X方向 (b) 转动 (c) 伸出
? 对准系统比较
? 光刻机的分类
接触式 接近式 扫描投影 步进式
分步扫描 X射线 电子束 混合和匹配
光刻机系统 全局掩
膜版
掩膜版 曝光
光源
分辨力
（m m）
产量 1 5 0 m m,(
w a f / h r )
接触式 接近式 /
扫描投影式
分步重复式
分步扫描式
X 线式射
电子束式
汞
汞
汞 E x L / 化氪 深紫外/ 氟 /
汞 E x L / 化氪 深紫外/ 氟 /
X线 射
电子束
X
X
X
直写
X
X
X
X
0, 2 5 ~ 0, 5 0
0, 9 ~ 1, 2 5
0, 3 5 ~ 0, 8 0
0, 2 5 ~ 0, 4 0
0, 1 0
0, 2 5
3 0 ~ 1 2 0
3 0 ~ 1 0 0
6 5 ~ 9 0
5 0 *
2 0 +
2 - 1 0
