光刻是平面型晶体管和集成电路生产中的一个主要工艺。是对半导体晶片表面的掩蔽物(如二氧化硅)进行开孔，以便进行杂质的定域扩散的一种加工技术。

一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀、检测等工序。

方法：湿法清洗+去离子水冲洗+脱水烘焙（热板150～250C,1～2分钟，氮气保护）

目的：a、除去表面的污染物（颗粒、有机物、工艺残余、可动离子）；b、除去水蒸气，使基底表面由亲水性变为憎水性，增强表面的黏附性（对光刻胶或者是HMDS-〉六甲基二硅胺烷）。

方法：a、气相成底膜的热板涂底。HMDS蒸气淀积，200～250C,30秒钟；优点：涂底均匀、避免颗粒污染；b、旋转涂底。缺点：颗粒污染、涂底不均匀、HMDS用量大。

目的：使表面具有疏水性，增强基底表面与光刻胶的黏附性

方法：a、静态涂胶（Static）。硅片静止时，滴胶、加速旋转、甩胶、挥发溶剂（原光刻胶的溶剂约占65～85%,旋涂后约占10～20%）；b、动态（Dynamic）。低速旋转（500rpm_rotation per minute）、滴胶、加速旋转（3000rpm）、甩胶、挥发溶剂。

决定光刻胶涂胶厚度的关键参数：光刻胶的黏度（Viscosity），黏度越低，光刻胶的厚度越薄；旋转速度，速度越快，厚度越薄；

影响光刻胶均匀性的参数：旋转加速度，加速越快越均匀；与旋转加速的时间点有关。

一般旋涂光刻胶的厚度与曝光的光源波长有关（因为不同级别的曝光波长对应不同的光刻胶种类和分辨率）：I-line最厚，约0.7～3μm；KrF的厚度约0.4～0.9μm；ArF的厚度约0.2～0.5μm。

方法：真空热板，85～120C,30～60秒；

目的：除去溶剂（4～7%）；增强黏附性；释放光刻胶膜内的应力；防止光刻胶玷污设备；

光刻胶涂覆后，在硅片边缘的正反两面都会有光刻胶的堆积。边缘的光刻胶一般涂布不均匀，不能得到很好的图形，而且容易发生剥离（Peeling）而影响其它部分的图形。所以需要去除。

方法：a、化学的方法（Chemical EBR）。软烘后，用PGMEA或EGMEA去边溶剂，喷出少量在正反面边缘处，并小心控制不要到达光刻胶有效区域；b、光学方法（Optical EBR）。即硅片边缘曝光（WEE，Wafer Edge Exposure）。在完成图形的曝光后，用激光曝光硅片边缘，然后在显影或特殊溶剂中溶解；

对准方法：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（Align Mark），位于切割槽（Scribe Line）上。另外层间对准，即套刻精度（Overlay），保证图形与硅片上已经存在的图形之间的对准。

曝光中最重要的两个参数是：曝光能量（Energy）和焦距（Focus）。如果能量和焦距调整不好，就不能得到要求的分辨率和大小的图形。表现为图形的关键尺寸超出要求的范围。

曝光方法：

a、接触式曝光（Contact Printing）。掩膜板直接与光刻胶层接触。曝光出来的图形与掩膜板上的图形分辨率相当，设备简单。缺点：光刻胶污染掩膜板；掩膜板的磨损，寿命很低（只能使用5～25次）；1970前使用，分辨率〉0.5μm。

b、接近式曝光（Proximity Printing）。掩膜板与光刻胶层的略微分开，大约为10～50μm。可以避免与光刻胶直接接触而引起的掩膜板损伤。但是同时引入了衍射效应，降低了分辨率。1970后适用，但是其最大分辨率仅为2～4μm。

c、投影式曝光（Projection Printing）。在掩膜板与光刻胶之间使用透镜聚集光实现曝光。一般掩膜板的尺寸会以需要转移图形的4倍制作。优点：提高了分辨率；掩膜板的制作更加容易；掩膜板上的缺陷影响减小。

投影式曝光分类：

扫描投影曝光（Scanning Project Printing）。70年代末～80年代初，〉1μm工艺；掩膜板1：1，全尺寸；

步进重复投影曝光（Stepping-repeating Project Printing或称作Stepper）。80年代末～90年代，0.35μm（I line）～0.25μm（DUV）。掩膜板缩小比例（4：1），曝光区域（Exposure Field）22×22mm（一次曝光所能覆盖的区域）。增加了棱镜系统的制作难度。

扫描步进投影曝光（Scanning-Stepping Project Printing）。90年代末～至今，用于≤0.18μm工艺。采用6英寸的掩膜板按照4：1的比例曝光，曝光区域（Exposure Field）26×33mm。优点：增大了每次曝光的视场；提供硅片表面不平整的补偿；提高整个硅片的尺寸均匀性。但是，同时因为需要反向运动，增加了机械系统的精度要求。

在曝光过程中，需要对不同的参数和可能缺陷进行跟踪和控制，会用到检测控制芯片/控片（Monitor Chip）。

根据不同的检测控制对象，可以分为以下几种：

a、颗粒控片（Particle MC）：用于芯片上微小颗粒的监控，使用前其颗粒数应小于10颗；

b、卡盘颗粒控片（Chuck Particle MC）：测试光刻机上的卡盘平坦度的专用芯片，其平坦度要求非常高；

c、焦距控片（Focus MC）：作为光刻机监控焦距监控；

d、关键尺寸控片（Critical Dimension MC）：用于光刻区关键尺寸稳定性的监控；

e、光刻胶厚度控片（PhotoResist Thickness MC）：光刻胶厚度测量；

f、光刻缺陷控片（PDM，Photo Defect Monitor）：光刻胶缺陷监控。

举例：0.18μm的CMOS扫描步进光刻工艺。

光源：KrF氟化氪DUV光源（248nm）；

数值孔径NA：0.6～0.7；

焦深DOF：0.7μm；

分辨率Resolution：0.18～0.25μm（一般采用了偏轴照明OAI_Off-Axis Illumination和相移掩膜板技术PSM_Phase Shift Mask增强）；

套刻精度Overlay：65nm；

产能Throughput：30～60wafers/hour（200mm）；

视场尺寸Field Size：25×32mm；

方法：热板，110～130C,1分钟。

目的：

a、减少驻波效应；

b、激发化学增强光刻胶的PAG产生的酸与光刻胶上的保护基团发生反应并移除基团使之能溶解于显影液。

方法：

a、整盒硅片浸没式显影（Batch Development）。缺点：显影液消耗很大；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度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）。硅片固定或慢慢旋转。一般采用多次旋覆显影液：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因为会带来可动离子污染（MIC，Movable Ion Contamination），所以在IC制造中一般不用。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15～25C）。在I线光刻胶曝光中会生成羧酸，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。整个显影过程中，TMAH没有同PHS发生反应。

b、负性光刻胶的显影液。二甲苯。清洗液为乙酸丁脂或乙醇、三氯乙烯。

显影中的常见问题：

a、显影不完全（Incomplete Development）。表面还残留有光刻胶。显影液不足造成；

b、显影不够（Under Development）。显影的侧壁不垂直，由显影时间不足造成；

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。显影时间太长。

方法：热板，100～130C（略高于玻璃化温度Tg），1～2分钟。

目的：

a、完全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、烘烤不足（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）；降低针孔填充能力（Gapfill Capability for the needle hole）；降低与基底的黏附能力。

b、烘烤过度（Overbake）。引起光刻胶的流动，使图形精度降低，分辨率变差。

另外还可以用深紫外线（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（125～200C）工艺中减少因光刻胶高温流动而引起分辨率的降低。

准分子光刻技术作为当前主流的光刻技术，主要包括：特征尺寸为0．1μm的248　nm　KrF准分子激光技术；特征尺寸为90　nm的193　nm　ArF准分子激光技术；特征尺寸为65　nm的193　nm　ArF浸没式技术（Immersion，193i）。其中193　nm浸没式光刻技术是所有光刻技术中最为长寿且最富有竞争力的，也是目前如何进一步发挥其潜力的研究热点。传统光刻技术光刻胶与曝光镜头之间的介质是空气，而浸没 式技术则是将空气 换成液体介质。实际上，由于液体介质的折射率相比空气介质更接近曝光透镜镜片材料的折射率，等效地加大了透镜口径尺寸与数值孔径（NA），同时可以 显 著提高焦深（DOF）和曝光工艺的宽容度（EL），浸没式光 刻 技 术 正 是 利 用 这 个 原 理 来 提 高 其 分 辨率。

世界三 大光刻机 生产商ASML，Nikon和Cannon的第 一 代 浸 没 式 光 刻 机 样 机 都 是 在 原 有193nm干式光刻机的基础上改进研制而成，大大降低了研发成本和风险。因为浸没式光刻系统的原理清晰而且配合现有的光刻技术变动不大，目前193nm　ArF准分子激光光刻技术在65nm以下节点半导体量产中已经广泛应用；ArF浸没式光刻 技 术 在45nm节 点 上 是 大 生 产 的 主 流 技 术。

为把193i技术进一步推进到32和22nm的技术节点上，光刻专家一直在寻找新的技术，在没有更好的新光刻技术出现前，两次曝光技术（或者叫两次成型技术，DPT）成为人们关 注 的 热 点。ArF浸没式两次曝光技术已被业界认为是32nm节点最具竞争力的技术；在更低的22nm节点甚至16nm节点技术中，浸没式 光刻技术也 具 有相当大 的优势。

浸没式光刻技术所面临的挑战主要有：如何解决曝光中产生的气泡和污染等缺陷的问题；研发和水具有良好的兼容性且折射率大于1．8的光刻胶的问题；研发折射率较大的光学镜头材料和浸没液体材料；以 及 有 效 数 值 孔 径NA值 的 拓 展 等 问题。针 对 这 些 难 题 挑 战，国 内 外 学 者 以 及ASML，Nikon和IBM等公 司已 经 做 了 相 关 研 究并提出相应的对策。浸没式光刻机将朝着更高数值孔径发展，以满足更小光刻线宽的要求。

提高光刻技术分辨率的传统方法是增大镜头的NA或缩 短 波 长，通 常 首 先 采 用 的 方 法 是 缩 短 波长。早在80年代，极紫外光刻技术就已经开始理论的研究和初步的实 验，该技术 的光源是波 长 为11～14　nm的极端远紫外光，其原理主要是利用曝光光源极短的波长达到提高光刻技术分辨率的目的。由于所有的光学材料对该波长的光有强烈的吸收，所以只能采取反射式的光路。EUV系统主要由四部分组成，即反射式投影曝光系统、反射式光刻掩模版、极紫外光源系统和能用于极紫外的光刻涂层。其主要成像原理是光波波长为10～14nm的极端远紫外光波经过周期性多层膜反射镜投射到反射式掩模版上，通过反射式掩模版反射出的极紫外光波再通过由多面反射镜组成的缩小投影系统，将反射式掩模版上的集成电路几何图形投影成像到硅片表面的光刻胶中，形成集成电路制造所需要的光刻图形。

目 前EUV技 术 采 用 的 曝 光 波 长 为13．5nm，由于其具有如此短的波长，所有光刻中不需要再使用光学邻近效应校正（OPC）技术，因而它可以把光刻技术扩展到32nm以下技术节点。2009年9月Intel第 一 次 向 世 人 展 示 了22　nm工艺晶圆，称继续使用193nm浸没式光刻技术，并规 划 与EUV及EBL曝 光 技 术 相 配 合，使193nm浸没式光刻技术延伸到15和11nm工艺节点。

电子束光刻技术是利用电子枪所产生的电子束，通过电子光柱的各极电磁透镜聚焦、对中、各种象差的校正、电子束斑调整、电子束流调整、电子束曝光对准标记检测、电子束偏转校正、电子扫描场畸变校正等一系列调整，最后通过扫描透镜根据电子束曝光程序的安排，在涂布有电子抗蚀剂（光刻胶）的基片表面上扫描写出所需要的图形。

电子束光刻基本上分两大类，一类是大生产光掩模版制造的电子束曝光系统，另一类是直接在基片上直写纳米级图形的电子束光刻系统。电子束光刻技术起源于扫描电镜，最早由德意志联邦共和国杜平根大学的G．Mollenstedt等人在20世纪60年代提出。电子束曝光的波长取决于电子能量，电子能量越高，曝光的波长越短，大 体在10－6nm量级上，因而电子束光刻不受衍射极限的影响，所以电子束光刻可获得接近于原子尺寸的分辨率。

但是，由于电子束入射到抗蚀剂及基片上时，电子会与固体材料的原子发生“碰撞”产生电子散射现象，包括前散射和背散射电子，这些散射电子同样也参与“曝光”，前散射电子波及范围可在几十纳米，从基片上返回抗蚀剂中背散射电子可波及到几十微米之远。所有实际电子束曝光、显影后图形的边缘要往外扩展，这就是所谓的“电子束邻近效应。同时，半导体基片上如果有绝缘的介质膜，电子通过它时也会产生一定量的电荷积累，这些积累的电荷同样会排斥后续曝光的电子，产生偏移，而不导电的绝缘体（如玻璃片）肯定不能采用电子束曝光。还有空间交变磁场、实验室温度变化等都会引起电子束曝光产生“漂移”现象。因此，即使拥有2nm电子束斑的曝 光 系统，要曝光出50nm以下的图形结构也不容易。麻省理工学院（MIT）已经采用的电子束光刻技术分辨率将推进到9nm。电子束直写光刻可以不需要

制造掩模版，比较灵活。但由于其曝光效率低，主要用于实验室小样品纳米制造。而电子束曝光要适应大批量生产，如何进一步提高曝光速度是个难题。为了解决电子束光刻的效率问题，通常将其与其他光刻技术配合使用。例如为解决曝光效率问题，通常采用电子束光刻与光学光刻进行匹配与混合光刻的办法，即大部分曝光工艺仍然采用现有十分成熟的半导体光学光刻工艺制备，只有纳米尺度的图形或者工艺层由电子束光刻实现。

在传统光学光刻技术逼近工艺极限的情况下，电子束光刻技术将有可能出现在与目前193i为代表的光学曝光技术及EUV技术相匹配的混合光刻中，在实现10nm级光刻中起重要的作用。应该提到的是电子束曝光技术是推动微电子技术和微细加工技术进一步发展的关键技术，在微电子、微光学和微机械等微系统微细加工领域有着广泛的应用前景，而且除电子束直写光刻技术本身以外，几乎所有的新一代光刻技术所需要的掩模制作还是离不开电子束曝光技术。