第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 1－
? 概述
在本章中, 将介绍从显影到最终检验所使用
的基本方法 。 还涉及掩膜版工艺的使用和定位错
误的讨论 。
9.1 显影
晶园经过曝光后,器件或电路的图形被以 曝光
和未曝光区域的形式记录在光刻胶上 。 通过对未
聚合光刻胶的化学分解来使图形显影 。 通过显影
完成掩膜版图形到光刻胶上的转移 （ 如图所示 ） 。
不良显影, 不完全显影 显影不足 严重过显影 。
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 2－
俯视
表层
光刻胶
正确显影 显影不足
曝光后 不完全显影显影后 严重过显影
晶圆
( a ) ( b )
正光刻胶 负光刻胶
显影剂 二甲苯
冲洗 水
S t o d d a r d 剂溶
n - 酸丁酯醋
氢氧化钠
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 3－
? 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 。
掩膜版
反光刻胶层
晶圆
聚合的光刻胶
部分聚合的光刻胶
未聚合的光刻胶
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 4－
? 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 。 使用过渡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 。
通常要求不高的正光刻胶显影使用 减－水溶
液和非离子溶液, 对制造敏感电路使用 叠氮化四
甲基铵氢氧化物 的溶液 。
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 。
图 9.4显示了一个特定的工艺参数对线宽的影响 。
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 5－
图 9.4 显影剂温度和曝光关系与线宽变化的比较
2 0 s 光曝
1 6 s 光曝
1 2 s 光曝
8 s 光曝
光刻胶厚度,m m 1
持续曝光时间,0 s 5
（基于 8 F 8 s 曝光）
显影剂浓度,0 % 5
曝光后烘焙：无
线宽变化（
m
m）
F
+ 1, 5 0
+ 1, 4 0
+ 1, 3 0
+ 1, 1 0
+ 0, 9 0
+ 0, 9 0
+ 0, 7 0
+ 0, 5 0
+ 0, 1 0
+ 0, 1 0
68 72 76 80
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 6－
? 显影方式
显影方式分为,湿法显影 干法（等离子）显影
? 湿法显影 沉浸 喷射 混凝
? 沉浸显影
最原始的方法 。 就是将待显影的晶园放入盛
有显影液的容器中, 经过一定的时间再放入加有
化学冲洗液的池中进行冲洗 。 比较简单, 但存在
的 问题 较多, 比如,液体表面张力会阻止显影液
进入微小开孔区；溶解的光刻胶粘在晶园表面影
响显影质量；随着显影次数增加显影液的稀释和
污染；显影温度对显影率的影响等 。
? 喷射显影
显影系统如图 9.7所示 。 由此可见, 显影剂和
冲洗液都是在一个系统内完成, 每次用的显影液
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 7－
和冲洗液都是新的, 所
以较沉浸系统清洁, 由
于采用喷射系统也可大
大节约化学品的使用 。
所以此工艺很受欢迎,
特别是对负性光刻胶工
艺 。
对正性光刻胶工艺
来说 因为温度的敏感
性, 当液体在压力下从喷嘴喷出后很快 冷却, 要
保证温度必须加热晶园吸盘 。 从而增加了设备的
复查性和工艺难度 。
冲洗
显影剂
真空
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 2－
? 混凝显影
虽然喷射显影有很多有点, 但对正性光刻胶
显影还存在一些问题, 混凝显影就是针对所存在
地问题而改进的一种针对正性胶的光刻工艺, 差
别在于显影化学品的不同 。
如图所示, 首先在静止的晶园表面上覆盖一层显
影液, 停留一段时间 （ 吸盘加热过程 ）, 在此过
程中, 大部分显影会发生, 然后旋转并有更多的
显影液喷到晶园表面并冲洗, 干燥 。
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 9－
? 干法显影
液体工艺的自动化程度不高, 并且化学品的
采购, 存储, 控制和处理费用昂贵, 取代液体化
学显影的途径是使用 等离子体刻蚀工艺, 该工艺
现已非常成熟 。 在此工艺中, 离子从等离子体场
得到能量, 以化学形式分解暴露的晶园表面层 。
干法光刻显影要求光刻胶化学物的曝光或未曝光
的之一易于被氧等离子体去除 。 具体内容在第十
章中介绍 。
9.2 硬烘焙
硬烘焙的作用是蒸发湿法显影过程中吸收在
光刻胶中溶液, 增加光刻胶和晶园表面的粘结能
力, 保证下一步的刻蚀工艺得以顺利进行 。
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 10－
? 硬烘焙方法
在方法和设备上与前面介绍的软烘焙相似。
? 烘焙工艺
时间和温度仍然是主要的工艺参数, 一般是
制造商推荐, 工艺工程师精确调整 。 对一般使用
的对流炉, 温度,130～ 200℃, 时间,30分钟 。
对其他方法温度和时间各不相同 。 热烘焙增加粘
度的机理是光刻胶的脱水和聚合, 从而增加光刻
胶的耐蚀性 。
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 （ 如图 9.9所示 ）, 所
以温度的控制极为严格 。
硬烘焙是在显影后立即进行, 或者在刻蚀前
进行, 工艺流程如图 9.10 所示 。
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 11－
图 9.9 光刻胶在高温下的流动
硬烘焙工艺流程
显影
检验
硬烘焙
刻蚀
刻蚀
刻蚀
显影 烘焙 / 显影 烘焙 /
检验 检验
重新烘焙
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 12－
? 显影检验
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
去水合物
点胶
烘焙
定位和曝光
显影检验
合格晶圆
光刻胶去除
拒收
的晶圆
显影和烘焙
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 13－
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 14－
伤），以及污点和其他的表面不规则等。
? 检验方法 人工检验 自动检验
? 人工检验
下图是一个典型的人工检验次序和内容
步骤 检查内容 方法
1.
2.
3.
污点 大的污染 / 裸眼 U V /光
污点 大的污染 /
图案不规则性
定位不准
1 0 0 ~ 4 0 0 显微镜倍
S E M / A F M / 动自
检验设备
微观尺寸 显微镜 S E M / A F M/
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 1 5－
? 自动检验
随着晶园尺寸增大和元件尺寸的减小, 制造
工艺变得更加繁多和精细, 人工检验的效力也到
了极限 。 可探测表面和图形失真的自动检验系统
成了在线和非在线检验的选择 。 详细内容在第 14
章中介绍 。
9.4 刻蚀
在完成显影检验后, 掩膜版的图形就被固定
在光刻胶膜上并准备刻蚀 。 经过刻蚀图形就永久
留在晶园的表层 。
刻蚀工艺分为两大类,湿法 和 干法 刻蚀 。
无论那一种方法, 其目的都是将光刻掩膜版上的
图形精确地转移到晶园表面 。 同时要求一致性,
边缘轮廓控制, 选择性, 洁净度都符合要求 。
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 1 6－
光刻胶
被刻蚀材料
(a) 有光刻胶图形的衬底 (b) 刻蚀后的衬底
光刻胶
被保护层
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 1 7－
湿法各向同性化学腐蚀层
（各向同性刻蚀是在各个方向上以同样的速度进行刻蚀）
衬底
膜
胶
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 1 8－
具有垂直刻蚀剖面的各向异性刻蚀
（各向异性刻蚀是仅在一个方向刻蚀）
Resist
Substrate
Film
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 19－
? 湿法刻蚀
最原始的刻蚀工艺, 就是将晶园沉浸于装有
刻蚀液的槽中经过一定的时间, 再传送到冲洗设
备中除去残余的酸 （ 刻蚀液 ） 在进行最终的冲洗
和甩干 。 此工艺只能用于特征尺寸大于 3μm的产
品, 小于 3μm的产品由于控制和精度的需要一般
使用干法刻蚀了 。
刻蚀的一致性和工艺控制由附加的加热和搅
动设备来提高, 常用的是带有超声波的刻蚀槽 。
刻蚀液的选择要求具有 良好的选择性, 即在
刻蚀时要有均匀去掉晶园表层而又不伤及下一层
的材料 。
刻蚀时间是一个重要的工艺参数, 最短时间
是保证彻底, 干净的均匀刻蚀；而最长时间受限
于光刻胶在晶园表面的粘结时间 。
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 20－
? 刻蚀工艺中容易出现的问题,过刻蚀, 内切, 选
择性和侧边的各向异性 /各向同性刻蚀 。
? 不完全刻蚀
是指表面层刻蚀不
彻底, 如图所示 。
产生的原因,太短的刻蚀时间；薄厚不均匀的待
刻蚀层；过低的刻蚀温度 。
? 过刻蚀和底切
与不完全刻蚀相反, 不过通常是有意识的过
刻蚀, 因为恰到好处是很难做到的 。 理想的刻蚀
应该是形成垂直的侧边 （ 如图所示 ）, 产生这种
理想结果的刻蚀技术叫做各向异性刻蚀 。 然而,
刻蚀总是在各个方向同时进行的, 这样就避免不
晶圆
光刻
胶层
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 21－
了在侧面形成一个斜面,
这 种 现 象 称 为 底 切
（ 如图所示 ） 。 刻蚀
的目标是把这种底切
控制在一个可以接受
的范围内 。 由于这种
底切的存在, 在电路
设计时必须考虑 （ 即
各器件之间留有余量
以防止电路短路 ） 。
彻底解决 底切 的方法
是采用等离子体刻蚀 。
正常
过刻蚀
过刻蚀和光刻胶翘起
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 22－
? 产生底切的原因
除了各向同性刻蚀以外, 产生底切的原因有：
时间过长, 温度过高, 刻蚀液浓度太高, 光刻胶
和晶园表面的粘结力较弱, 开孔边缘粘结力失效
等 。
? 选择性
理想的刻蚀特性是：既要把该刻蚀的彻底,
干净地刻蚀掉, 又要把不该刻蚀的原样保留 。 这
就是刻蚀的选择性 。 尽管不能完全做到, 但在刻
蚀液的选择上尽量保证 。 同一种刻蚀液对不同的
材料刻蚀速度是不同的, 通常用刻蚀速率来描写 。
比如,SiO2/Si的选择性从 20～ 40。 高选择性意味
着下表层很少或没有被刻蚀 。
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 23－
? 不同材料的刻蚀其工艺略有不同, 不同材料的不
同刻蚀工艺见 9.54～ 9.510节 。
9.6 干法刻蚀
对于小尺寸湿法刻蚀的局限性前面已经提到,
主要包括,局限于 3μm以上的图形尺寸；各向同
性刻蚀导致边侧形成斜坡；要求冲洗和干燥步骤；
潜在地污染；光刻胶粘结力失效导致底切 。
基于这些原因, 干法刻蚀主要用于先进电路
的小尺寸精细刻蚀中 。
干法刻蚀是指以气体为主要媒体的刻蚀技术,
晶园不需要液体化学品或冲洗, 刻蚀过程在干燥
的状态进出系统 。 刻蚀方法见下图 。
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 24－
? 干法刻蚀与湿法刻蚀相比的优点,
? 刻蚀剖面是各向异性，具有非常好的恻壁剖面控制；
? 好的 CD控制；
? 最小的光刻胶脱落或黏附问题；
? 好的片内、片间、批次间的刻蚀均匀性；
? 较低的化学制品使用和处理费用。
刻蚀
湿法
干法
沉浸 喷射
等离子体 离子
轰击
反应离子
刻蚀（, I, E R）
桶形 平面
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 25－
? 等离子体
等离子体是一种中性, 高能量, 离子化的气
体, 包括中性原子或分子, 带电离子和自由电子 。
当从中性原子中去除一个价电子时, 形成正离子
和自由电子 。 例如, 当原子结构内的原子和电子
数目相等时氟是中性的, 当一个电子从它的核内
分离出去后氟就离子化了 （ 见下图 ） 。 在一个有
限的工艺腔内, 利用强直流或交流磁场或用某些
电子源轰击气体原子都会导致气体原子的离子化 。
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 26－
等离子体刻蚀
离子的形成
F +9
离子是质子（＋）与电子（－
）数不等地原子
电子从主原子
中分离出来,
少一个电子的氟原子
到原子失去一个
电子时产生一个
正离子
F +9
具有质子（＋ 9）和电子（－ 9）
数目相等地中性粒子是原子
氟原子总共有 7个价电子
价层环最多能
有 8个电子
价层电子
（－）
内层电子（－）
在原子核中的
质子（未显示
电子）
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 27－
硅片的等离子体刻蚀过程
8) 副产物去
除
1) 刻蚀气体进入
反应室
衬底
刻蚀反应室
2) 电场使反应
物分解
5) 反应离子吸
附在表面
4) 反应正离子轰
击表面 6) 原子团和表面膜的表面反应
排气
气体传送
RF 发生器
副产物
3) 电子和原子结合
产生等离子体
7) 副产物解吸
附
阴极
阳极
电场
l
l
各向异性
刻蚀 各向同性刻蚀
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 28－
? 等离子体刻蚀反应器
? 园桶式等离子体刻蚀机
早期的离子体系统被设计成圆柱形的 （ 如图 ）,
在 0.1～ 1托的压力下具有几乎完全的化学各向同
性刻蚀, 硅片垂直, 小间距地装在一个石英舟上 。
射频功率加在圆柱两边的电极上 。
反应气体
真
空
产生射频的线圈
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 29－
? 平板（平面）等离子体刻蚀机
平板 （ 平面 ） 等离子体刻蚀机有两个大小
和位置对称的平行金属板, 一个硅片背面朝下
放置于接地的阴极上面, RF信号加在反应器的
上电极 。 由于等离子体电势总是高于地电势,
因而是一种带能离子进行轰击的等离子体刻蚀
模式 。 相对于桶形刻蚀系统, 具有各向异性刻
蚀的特点, 从而可得几乎垂直的侧边 。 另外,
旋转晶园盘可增加刻蚀的均匀性 。 该系统可设
计成批量和单个晶园反应室设置 。 单个晶园系
统因其可对刻蚀参数精密控制, 以得到均匀刻
蚀而受到欢迎 。
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 30－
平板等离子体刻蚀
晶圆
反应
气体
等离子
体场
电极
接地
射频
? 粒子束刻蚀
粒子束刻蚀也是干法刻蚀的一种, 与化学等
离子体刻蚀不同的是粒子束刻蚀是一个 物理工艺 。
如图所示, 晶园在真空反应室内被置于固定器上,
并且向反应室导入氩气流 。 氩气进入反应室便受
到从一对阴阳极来的高能电子束流的影响 。 电子
将氩原子离子化成带正电荷的高能状态 。 由于晶
园位于接负极的固定器上, 从而氩离子便被吸向
固定器 。 在移动的同时被加速以提高能量 。 在晶
园表面上它们轰击进入暴露的晶园层并从晶园表
面炸掉一小部分从而达到刻蚀的目的 。
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 31－
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 32－
? 优点,刻蚀的方向
性非常好（属于各
向异性），非常适
合高精度的小开口
区域刻蚀
? 缺点,选择性差,
存在离子化形成的
辐射损害。
粒子束轰击示意图
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 33－
? 干法刻蚀中光刻胶的影响
对于湿法和干法刻蚀两种工艺，图形保护层
是光刻胶层。在湿法刻蚀中对光刻胶层几乎没有
来自刻蚀剂的刻蚀。然而在干法刻蚀中，残余的
氧气会刻蚀光刻胶层。因此光刻胶层必须保证足
够的厚度以应付刻蚀剂的刻蚀而不至于变薄出现
空洞。
另一个与光刻胶相关的干法刻蚀问题是光刻胶
烘焙。在干法刻蚀反应室内，温度可升到 200℃,
这样的温度可把光刻胶烘焙到一个难于从晶园表
面去除的状态，还有就是高温下光刻胶的流动倾
向会使图形变差。
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 34－
9.7 光刻胶的去除
刻蚀工艺完成后, 作为刻蚀阻挡层的光刻胶
已经完成任务, 必须从表面去掉 。 传统的方法是
用 湿法化学工艺去除, 尽管有一些问题, 湿法去
除在 前线工艺 还是经常采用的一种方法 （ 特别是
硅片表面和 MOS栅极暴露并易于受到等离子体中氧
气离子的损伤 ） 。
另一种是 干法的等离子体去除, 在后线工艺
中经常采用 （ 此时硅片和 MOS栅极已经被绝缘和金
属层覆盖 ） 。
湿法去除有许多不同的化学品被由于去除工
艺, 其选择依据是晶园表层, 产品考虑, 光刻胶
极性和光刻胶的状态 （ 见下图 ） 。
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 35－
湿法光刻胶去除表
? 优点,成本有效性好；可有效去除金属离子；低
温工艺并且不会将晶园暴露于可能的损伤
性辐射。
去除剂
化学品
去胶温度
C
金属化
表面
氧化物
光刻
胶极性
酸：
硫酸 氧化剂 +
有机酸
铬 硫酸溶液/
溶液：
NMP /Alk anol amin e
DM S O/ Mo no th an ol am in e
DM A C/ Di et ha no la mi ne
Hy d ro xy la mi ne ( HD A)
125
9 0~110
20
95
95
100
65
X
X
X
X
X
X
X
X
+/-
+/-
+/-
+
+
+
+
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 36－
? 无金属表面的湿法化学去除
硫酸和氧化剂溶液 是最常用的去除无金属表面
光刻胶的去除剂。无金属表面是指二氧化硅、氮
化硅或多晶硅。此溶液可去除负光刻胶和正光刻
胶。
? 有金属表面的湿法化学去除
因为金属会受到侵蚀和氧化, 所以有金属表
面去除光刻胶相对比较困难 。 有三种类型的液体
化学品可供使用,
酚有机去除剂 溶液 /胺去除剂 特殊湿法去除剂
? 干法去胶
同刻蚀一样, 等离子体工艺也可用于光刻胶
去除 。 将晶园放置于反应室中并通入氧气, 等离
子场把氧气激发到高能状态, 从而将光刻胶成分
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 37－
氧化为气体再由真空泵从反应室吸走 。 反应式如
下,
? 优点,操作方便，效率高，表面干净无划痕。
? 缺点,不能有效去除金属离子, 高能等离子体
场对电路的辐射损伤 。
? 离子注入后的等离子体去胶
离子注入后会导致强烈的光刻胶聚合并使表
面硬化 。 一般用干法工艺去除或减少光刻胶,
然后再加以湿法工艺 。
C H （光刻胶） O + （激励成等离子体态）→ C O 气体） C O （气体） H O （ + +
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 38－
? 9.9 光刻版制作
这一节简单介绍光刻版的
制作过程 。 最初的光刻版是
由涂上 感光乳剂的玻璃板 制
成, 但由于感光乳剂容易划
伤, 在使用中变质且不能分
辩 3μm以下的图形, 现在最常
用的感光版使用 玻璃涂敷铬
技术 。 制做过程如图所示 。
最受欢迎的光刻版制作
材料是 硼硅酸盐玻璃或石英,
它们有良好的尺寸稳定性和
曝光波长的传输性能 。
玻璃 石英板的形成 /
沉积铬涂层
光刻胶涂层
涂层曝光
图案显影
图案刻蚀
光刻胶去除
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 39－
光刻 /掩膜版制作工艺流程
? 概述
在本章中, 将介绍从显影到最终检验所使用
的基本方法 。 还涉及掩膜版工艺的使用和定位错
误的讨论 。
9.1 显影
晶园经过曝光后,器件或电路的图形被以 曝光
和未曝光区域的形式记录在光刻胶上 。 通过对未
聚合光刻胶的化学分解来使图形显影 。 通过显影
完成掩膜版图形到光刻胶上的转移 （ 如图所示 ） 。
不良显影, 不完全显影 显影不足 严重过显影 。
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 2－
俯视
表层
光刻胶
正确显影 显影不足
曝光后 不完全显影显影后 严重过显影
晶圆
( a ) ( b )
正光刻胶 负光刻胶
显影剂 二甲苯
冲洗 水
S t o d d a r d 剂溶
n - 酸丁酯醋
氢氧化钠
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 3－
? 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 。
掩膜版
反光刻胶层
晶圆
聚合的光刻胶
部分聚合的光刻胶
未聚合的光刻胶
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 4－
? 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 。 使用过渡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 。
通常要求不高的正光刻胶显影使用 减－水溶
液和非离子溶液, 对制造敏感电路使用 叠氮化四
甲基铵氢氧化物 的溶液 。
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 。
图 9.4显示了一个特定的工艺参数对线宽的影响 。
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 5－
图 9.4 显影剂温度和曝光关系与线宽变化的比较
2 0 s 光曝
1 6 s 光曝
1 2 s 光曝
8 s 光曝
光刻胶厚度,m m 1
持续曝光时间,0 s 5
（基于 8 F 8 s 曝光）
显影剂浓度,0 % 5
曝光后烘焙：无
线宽变化（
m
m）
F
+ 1, 5 0
+ 1, 4 0
+ 1, 3 0
+ 1, 1 0
+ 0, 9 0
+ 0, 9 0
+ 0, 7 0
+ 0, 5 0
+ 0, 1 0
+ 0, 1 0
68 72 76 80
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 6－
? 显影方式
显影方式分为,湿法显影 干法（等离子）显影
? 湿法显影 沉浸 喷射 混凝
? 沉浸显影
最原始的方法 。 就是将待显影的晶园放入盛
有显影液的容器中, 经过一定的时间再放入加有
化学冲洗液的池中进行冲洗 。 比较简单, 但存在
的 问题 较多, 比如,液体表面张力会阻止显影液
进入微小开孔区；溶解的光刻胶粘在晶园表面影
响显影质量；随着显影次数增加显影液的稀释和
污染；显影温度对显影率的影响等 。
? 喷射显影
显影系统如图 9.7所示 。 由此可见, 显影剂和
冲洗液都是在一个系统内完成, 每次用的显影液
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 7－
和冲洗液都是新的, 所
以较沉浸系统清洁, 由
于采用喷射系统也可大
大节约化学品的使用 。
所以此工艺很受欢迎,
特别是对负性光刻胶工
艺 。
对正性光刻胶工艺
来说 因为温度的敏感
性, 当液体在压力下从喷嘴喷出后很快 冷却, 要
保证温度必须加热晶园吸盘 。 从而增加了设备的
复查性和工艺难度 。
冲洗
显影剂
真空
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 2－
? 混凝显影
虽然喷射显影有很多有点, 但对正性光刻胶
显影还存在一些问题, 混凝显影就是针对所存在
地问题而改进的一种针对正性胶的光刻工艺, 差
别在于显影化学品的不同 。
如图所示, 首先在静止的晶园表面上覆盖一层显
影液, 停留一段时间 （ 吸盘加热过程 ）, 在此过
程中, 大部分显影会发生, 然后旋转并有更多的
显影液喷到晶园表面并冲洗, 干燥 。
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 9－
? 干法显影
液体工艺的自动化程度不高, 并且化学品的
采购, 存储, 控制和处理费用昂贵, 取代液体化
学显影的途径是使用 等离子体刻蚀工艺, 该工艺
现已非常成熟 。 在此工艺中, 离子从等离子体场
得到能量, 以化学形式分解暴露的晶园表面层 。
干法光刻显影要求光刻胶化学物的曝光或未曝光
的之一易于被氧等离子体去除 。 具体内容在第十
章中介绍 。
9.2 硬烘焙
硬烘焙的作用是蒸发湿法显影过程中吸收在
光刻胶中溶液, 增加光刻胶和晶园表面的粘结能
力, 保证下一步的刻蚀工艺得以顺利进行 。
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 10－
? 硬烘焙方法
在方法和设备上与前面介绍的软烘焙相似。
? 烘焙工艺
时间和温度仍然是主要的工艺参数, 一般是
制造商推荐, 工艺工程师精确调整 。 对一般使用
的对流炉, 温度,130～ 200℃, 时间,30分钟 。
对其他方法温度和时间各不相同 。 热烘焙增加粘
度的机理是光刻胶的脱水和聚合, 从而增加光刻
胶的耐蚀性 。
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 （ 如图 9.9所示 ）, 所
以温度的控制极为严格 。
硬烘焙是在显影后立即进行, 或者在刻蚀前
进行, 工艺流程如图 9.10 所示 。
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 11－
图 9.9 光刻胶在高温下的流动
硬烘焙工艺流程
显影
检验
硬烘焙
刻蚀
刻蚀
刻蚀
显影 烘焙 / 显影 烘焙 /
检验 检验
重新烘焙
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 12－
? 显影检验
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
去水合物
点胶
烘焙
定位和曝光
显影检验
合格晶圆
光刻胶去除
拒收
的晶圆
显影和烘焙
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 13－
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 14－
伤），以及污点和其他的表面不规则等。
? 检验方法 人工检验 自动检验
? 人工检验
下图是一个典型的人工检验次序和内容
步骤 检查内容 方法
1.
2.
3.
污点 大的污染 / 裸眼 U V /光
污点 大的污染 /
图案不规则性
定位不准
1 0 0 ~ 4 0 0 显微镜倍
S E M / A F M / 动自
检验设备
微观尺寸 显微镜 S E M / A F M/
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 1 5－
? 自动检验
随着晶园尺寸增大和元件尺寸的减小, 制造
工艺变得更加繁多和精细, 人工检验的效力也到
了极限 。 可探测表面和图形失真的自动检验系统
成了在线和非在线检验的选择 。 详细内容在第 14
章中介绍 。
9.4 刻蚀
在完成显影检验后, 掩膜版的图形就被固定
在光刻胶膜上并准备刻蚀 。 经过刻蚀图形就永久
留在晶园的表层 。
刻蚀工艺分为两大类,湿法 和 干法 刻蚀 。
无论那一种方法, 其目的都是将光刻掩膜版上的
图形精确地转移到晶园表面 。 同时要求一致性,
边缘轮廓控制, 选择性, 洁净度都符合要求 。
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 1 6－
光刻胶
被刻蚀材料
(a) 有光刻胶图形的衬底 (b) 刻蚀后的衬底
光刻胶
被保护层
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 1 7－
湿法各向同性化学腐蚀层
（各向同性刻蚀是在各个方向上以同样的速度进行刻蚀）
衬底
膜
胶
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 1 8－
具有垂直刻蚀剖面的各向异性刻蚀
（各向异性刻蚀是仅在一个方向刻蚀）
Resist
Substrate
Film
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 19－
? 湿法刻蚀
最原始的刻蚀工艺, 就是将晶园沉浸于装有
刻蚀液的槽中经过一定的时间, 再传送到冲洗设
备中除去残余的酸 （ 刻蚀液 ） 在进行最终的冲洗
和甩干 。 此工艺只能用于特征尺寸大于 3μm的产
品, 小于 3μm的产品由于控制和精度的需要一般
使用干法刻蚀了 。
刻蚀的一致性和工艺控制由附加的加热和搅
动设备来提高, 常用的是带有超声波的刻蚀槽 。
刻蚀液的选择要求具有 良好的选择性, 即在
刻蚀时要有均匀去掉晶园表层而又不伤及下一层
的材料 。
刻蚀时间是一个重要的工艺参数, 最短时间
是保证彻底, 干净的均匀刻蚀；而最长时间受限
于光刻胶在晶园表面的粘结时间 。
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 20－
? 刻蚀工艺中容易出现的问题,过刻蚀, 内切, 选
择性和侧边的各向异性 /各向同性刻蚀 。
? 不完全刻蚀
是指表面层刻蚀不
彻底, 如图所示 。
产生的原因,太短的刻蚀时间；薄厚不均匀的待
刻蚀层；过低的刻蚀温度 。
? 过刻蚀和底切
与不完全刻蚀相反, 不过通常是有意识的过
刻蚀, 因为恰到好处是很难做到的 。 理想的刻蚀
应该是形成垂直的侧边 （ 如图所示 ）, 产生这种
理想结果的刻蚀技术叫做各向异性刻蚀 。 然而,
刻蚀总是在各个方向同时进行的, 这样就避免不
晶圆
光刻
胶层
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 21－
了在侧面形成一个斜面,
这 种 现 象 称 为 底 切
（ 如图所示 ） 。 刻蚀
的目标是把这种底切
控制在一个可以接受
的范围内 。 由于这种
底切的存在, 在电路
设计时必须考虑 （ 即
各器件之间留有余量
以防止电路短路 ） 。
彻底解决 底切 的方法
是采用等离子体刻蚀 。
正常
过刻蚀
过刻蚀和光刻胶翘起
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 22－
? 产生底切的原因
除了各向同性刻蚀以外, 产生底切的原因有：
时间过长, 温度过高, 刻蚀液浓度太高, 光刻胶
和晶园表面的粘结力较弱, 开孔边缘粘结力失效
等 。
? 选择性
理想的刻蚀特性是：既要把该刻蚀的彻底,
干净地刻蚀掉, 又要把不该刻蚀的原样保留 。 这
就是刻蚀的选择性 。 尽管不能完全做到, 但在刻
蚀液的选择上尽量保证 。 同一种刻蚀液对不同的
材料刻蚀速度是不同的, 通常用刻蚀速率来描写 。
比如,SiO2/Si的选择性从 20～ 40。 高选择性意味
着下表层很少或没有被刻蚀 。
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 23－
? 不同材料的刻蚀其工艺略有不同, 不同材料的不
同刻蚀工艺见 9.54～ 9.510节 。
9.6 干法刻蚀
对于小尺寸湿法刻蚀的局限性前面已经提到,
主要包括,局限于 3μm以上的图形尺寸；各向同
性刻蚀导致边侧形成斜坡；要求冲洗和干燥步骤；
潜在地污染；光刻胶粘结力失效导致底切 。
基于这些原因, 干法刻蚀主要用于先进电路
的小尺寸精细刻蚀中 。
干法刻蚀是指以气体为主要媒体的刻蚀技术,
晶园不需要液体化学品或冲洗, 刻蚀过程在干燥
的状态进出系统 。 刻蚀方法见下图 。
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 24－
? 干法刻蚀与湿法刻蚀相比的优点,
? 刻蚀剖面是各向异性，具有非常好的恻壁剖面控制；
? 好的 CD控制；
? 最小的光刻胶脱落或黏附问题；
? 好的片内、片间、批次间的刻蚀均匀性；
? 较低的化学制品使用和处理费用。
刻蚀
湿法
干法
沉浸 喷射
等离子体 离子
轰击
反应离子
刻蚀（, I, E R）
桶形 平面
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 25－
? 等离子体
等离子体是一种中性, 高能量, 离子化的气
体, 包括中性原子或分子, 带电离子和自由电子 。
当从中性原子中去除一个价电子时, 形成正离子
和自由电子 。 例如, 当原子结构内的原子和电子
数目相等时氟是中性的, 当一个电子从它的核内
分离出去后氟就离子化了 （ 见下图 ） 。 在一个有
限的工艺腔内, 利用强直流或交流磁场或用某些
电子源轰击气体原子都会导致气体原子的离子化 。
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 26－
等离子体刻蚀
离子的形成
F +9
离子是质子（＋）与电子（－
）数不等地原子
电子从主原子
中分离出来,
少一个电子的氟原子
到原子失去一个
电子时产生一个
正离子
F +9
具有质子（＋ 9）和电子（－ 9）
数目相等地中性粒子是原子
氟原子总共有 7个价电子
价层环最多能
有 8个电子
价层电子
（－）
内层电子（－）
在原子核中的
质子（未显示
电子）
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 27－
硅片的等离子体刻蚀过程
8) 副产物去
除
1) 刻蚀气体进入
反应室
衬底
刻蚀反应室
2) 电场使反应
物分解
5) 反应离子吸
附在表面
4) 反应正离子轰
击表面 6) 原子团和表面膜的表面反应
排气
气体传送
RF 发生器
副产物
3) 电子和原子结合
产生等离子体
7) 副产物解吸
附
阴极
阳极
电场
l
l
各向异性
刻蚀 各向同性刻蚀
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 28－
? 等离子体刻蚀反应器
? 园桶式等离子体刻蚀机
早期的离子体系统被设计成圆柱形的 （ 如图 ）,
在 0.1～ 1托的压力下具有几乎完全的化学各向同
性刻蚀, 硅片垂直, 小间距地装在一个石英舟上 。
射频功率加在圆柱两边的电极上 。
反应气体
真
空
产生射频的线圈
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 29－
? 平板（平面）等离子体刻蚀机
平板 （ 平面 ） 等离子体刻蚀机有两个大小
和位置对称的平行金属板, 一个硅片背面朝下
放置于接地的阴极上面, RF信号加在反应器的
上电极 。 由于等离子体电势总是高于地电势,
因而是一种带能离子进行轰击的等离子体刻蚀
模式 。 相对于桶形刻蚀系统, 具有各向异性刻
蚀的特点, 从而可得几乎垂直的侧边 。 另外,
旋转晶园盘可增加刻蚀的均匀性 。 该系统可设
计成批量和单个晶园反应室设置 。 单个晶园系
统因其可对刻蚀参数精密控制, 以得到均匀刻
蚀而受到欢迎 。
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 30－
平板等离子体刻蚀
晶圆
反应
气体
等离子
体场
电极
接地
射频
? 粒子束刻蚀
粒子束刻蚀也是干法刻蚀的一种, 与化学等
离子体刻蚀不同的是粒子束刻蚀是一个 物理工艺 。
如图所示, 晶园在真空反应室内被置于固定器上,
并且向反应室导入氩气流 。 氩气进入反应室便受
到从一对阴阳极来的高能电子束流的影响 。 电子
将氩原子离子化成带正电荷的高能状态 。 由于晶
园位于接负极的固定器上, 从而氩离子便被吸向
固定器 。 在移动的同时被加速以提高能量 。 在晶
园表面上它们轰击进入暴露的晶园层并从晶园表
面炸掉一小部分从而达到刻蚀的目的 。
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 31－
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 32－
? 优点,刻蚀的方向
性非常好（属于各
向异性），非常适
合高精度的小开口
区域刻蚀
? 缺点,选择性差,
存在离子化形成的
辐射损害。
粒子束轰击示意图
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 33－
? 干法刻蚀中光刻胶的影响
对于湿法和干法刻蚀两种工艺，图形保护层
是光刻胶层。在湿法刻蚀中对光刻胶层几乎没有
来自刻蚀剂的刻蚀。然而在干法刻蚀中，残余的
氧气会刻蚀光刻胶层。因此光刻胶层必须保证足
够的厚度以应付刻蚀剂的刻蚀而不至于变薄出现
空洞。
另一个与光刻胶相关的干法刻蚀问题是光刻胶
烘焙。在干法刻蚀反应室内，温度可升到 200℃,
这样的温度可把光刻胶烘焙到一个难于从晶园表
面去除的状态，还有就是高温下光刻胶的流动倾
向会使图形变差。
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 34－
9.7 光刻胶的去除
刻蚀工艺完成后, 作为刻蚀阻挡层的光刻胶
已经完成任务, 必须从表面去掉 。 传统的方法是
用 湿法化学工艺去除, 尽管有一些问题, 湿法去
除在 前线工艺 还是经常采用的一种方法 （ 特别是
硅片表面和 MOS栅极暴露并易于受到等离子体中氧
气离子的损伤 ） 。
另一种是 干法的等离子体去除, 在后线工艺
中经常采用 （ 此时硅片和 MOS栅极已经被绝缘和金
属层覆盖 ） 。
湿法去除有许多不同的化学品被由于去除工
艺, 其选择依据是晶园表层, 产品考虑, 光刻胶
极性和光刻胶的状态 （ 见下图 ） 。
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 35－
湿法光刻胶去除表
? 优点,成本有效性好；可有效去除金属离子；低
温工艺并且不会将晶园暴露于可能的损伤
性辐射。
去除剂
化学品
去胶温度
C
金属化
表面
氧化物
光刻
胶极性
酸：
硫酸 氧化剂 +
有机酸
铬 硫酸溶液/
溶液：
NMP /Alk anol amin e
DM S O/ Mo no th an ol am in e
DM A C/ Di et ha no la mi ne
Hy d ro xy la mi ne ( HD A)
125
9 0~110
20
95
95
100
65
X
X
X
X
X
X
X
X
+/-
+/-
+/-
+
+
+
+
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 36－
? 无金属表面的湿法化学去除
硫酸和氧化剂溶液 是最常用的去除无金属表面
光刻胶的去除剂。无金属表面是指二氧化硅、氮
化硅或多晶硅。此溶液可去除负光刻胶和正光刻
胶。
? 有金属表面的湿法化学去除
因为金属会受到侵蚀和氧化, 所以有金属表
面去除光刻胶相对比较困难 。 有三种类型的液体
化学品可供使用,
酚有机去除剂 溶液 /胺去除剂 特殊湿法去除剂
? 干法去胶
同刻蚀一样, 等离子体工艺也可用于光刻胶
去除 。 将晶园放置于反应室中并通入氧气, 等离
子场把氧气激发到高能状态, 从而将光刻胶成分
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 37－
氧化为气体再由真空泵从反应室吸走 。 反应式如
下,
? 优点,操作方便，效率高，表面干净无划痕。
? 缺点,不能有效去除金属离子, 高能等离子体
场对电路的辐射损伤 。
? 离子注入后的等离子体去胶
离子注入后会导致强烈的光刻胶聚合并使表
面硬化 。 一般用干法工艺去除或减少光刻胶,
然后再加以湿法工艺 。
C H （光刻胶） O + （激励成等离子体态）→ C O 气体） C O （气体） H O （ + +
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 38－
? 9.9 光刻版制作
这一节简单介绍光刻版的
制作过程 。 最初的光刻版是
由涂上 感光乳剂的玻璃板 制
成, 但由于感光乳剂容易划
伤, 在使用中变质且不能分
辩 3μm以下的图形, 现在最常
用的感光版使用 玻璃涂敷铬
技术 。 制做过程如图所示 。
最受欢迎的光刻版制作
材料是 硼硅酸盐玻璃或石英,
它们有良好的尺寸稳定性和
曝光波长的传输性能 。
玻璃 石英板的形成 /
沉积铬涂层
光刻胶涂层
涂层曝光
图案显影
图案刻蚀
光刻胶去除
第九章 基本光刻工艺 ------ 从曝光到最终检验 － 39－
光刻 /掩膜版制作工艺流程
