2024年4月11日发(作者：)

光刻工艺介绍

一、定义与简介

光刻是所有四个基本工艺中最关键的，也就是被称为大家熟知的photo，lithography，

photomasking, masking, 或microlithography。在晶圆的制造过程中，晶体三极管、二极管、

电容、电阻和金属层的各种物理部件在晶圆表面或表层内构成，这些部件是预先做在一块或者数

块光罩上，并且结合生成薄膜，通过光刻工艺过程，去除特定部分，最终在晶圆上保留特征图形

的部分。

光刻其实就是高科技版本的照相术，只不过是在难以置信的微小尺寸下完成，现在先进的硅

12英寸生产线已经做到22nm，我们这条线的目标6英寸砷化镓片上做到0.11um。光刻生产

的目标是根据电路设计的要求，生成尺寸精确的特征图形，并且在晶圆表面的位置正确且与其它

部件的关联正确。

二、光刻工艺流程介绍

光刻与照相类似，其工艺流程也类似：

实际上，普通光刻工艺流程包括下面的流程：

1) Substrate Pretreatment 即预处理，目的是改变晶圆表面的性质，使其能和光刻胶（PR）

粘连牢固。主要方法就是涂HMDS，在密闭腔体内晶圆下面加热到120℃，上面用喷入氮气加

压的雾状HMDS，使得HMDS和晶圆表面的-OH健发生反应已除去水汽和亲水健结构，反应

充分后在23℃冷板上降温。该方法效果远比传统的热板加热除湿好。

2) Spin coat即旋转涂光刻胶，用旋转涂布法能提高光刻胶薄膜的均匀性与稳定性。光刻胶

中主要物质有树脂、溶剂、感光剂和其它添加剂，感光剂在光照下会迅速反应。一般设备的稳定

工作最高转速不超过4000rpm，而最好的工作转速在2000～3000rpm。

3) Soft Bake(Pre-bake)即软烘，目的是除去光刻胶中溶剂。一般是在90℃的热板中完成。

4) Exposure即曝光，这也是光刻工艺中最为重要的一步，就是用紫外线把光罩上的图形成

像到晶圆表面，从而把光罩上面的图形转移到晶圆表面上的光刻胶中。这一步曝光的能量(Dose)

和成像焦点偏移(Focus offset)尤为重要.

5) Post Exposure Bake(PEB)即后烘，这是非常重要的一步。在I-line光刻机中，这一步的

目的是消除光阻层侧壁的驻波效应，使侧壁平整竖直；而在DUV光刻机中这一步的目的则是起

化学放大反应，DUV设备曝光时，光刻胶不会完全反应，只是产生部分反应生成少量H

+

离子，

而在这一步烘烤中H

+

离子起到类似催化剂的作用，使感光区光刻胶完全反应。这一步主要控制

的也是温度与时间，而对于温度的均匀性要求也非常高，通常DUV的光阻要求热板内温度偏差

小于0.3℃。

6) Develop即显影，就是把光刻胶光照后的可溶部分除去，留下想要的图形。光刻胶有正

胶和负胶两种，正胶就是光照部分可溶于显影液，而负胶就是未光照部分可溶。一般来说正胶可

以得到更高的分辨率，而负胶则更耐腐蚀。显影和清洗都在显影槽中完成，每一步的转速和时间

都至为重要，对最后图形的均匀性和质量影响很大。

有的光刻工艺在显影完成后还有一步hard bake即硬烘来除去光刻胶在显影槽中清洗而残

留的水分。而有的工艺流程中，在光刻下一工序前会有一道坚膜来除去水分，hard bake就可以

不要了。

7) 显影完成后光刻工艺应该算基本完成，不过在将产品送到下一工序前我们还是需要验证

确认光刻工艺质量，不合格的产品可以除去光刻胶来返工。显影后检查首先就是ADI（Afer

Develop Inspection）,也就是在显微镜下检查晶圆表面有无异常。光刻中常见的问题有失焦

(defocus),图形倒塌(peeling), 异常颗粒(particle)，刮伤等等。

8) CD measurement即线宽测量，目的是检查光刻得到的线宽是不是符合设计的要求，同

时要检查整片晶圆上线宽的均匀性。

9) Overlay即套刻精度测量，现在IC部件都是很多层光罩套刻累加形成的，不同层之间需

要对准，而Overlay就是专门测量不同层之间对准精度的。

三、光刻设备介绍

在以上的工序中ADI，CD和OVL都有专门的量测设备，Exposure是在光刻机中完成，而

Pretreatment, Spin coater，Soft bake, PEB和Develop都是在track设备中完成的，为了提

高效率，track和光刻机通常是集成在一起的。在我们采购的ASML 光刻机和TEL track都是自

动化相当高的设备，手动条件下也只需要放上要做的产品片盒后选好程序就行，而自动条件下只

要放上片盒，自动化系统会自行选择要用的程序。一般情况下ASML光刻机的产能可以做到每

小时60~90片。

就Track而言，目前高端市场占有率最高的是TEL，其次就是DNS，在产能和稳定性方面，

TEL占有较大优势。不管是DNS还是TEL，其设备都是把spin coat, Develop, 热板，冷板以

及洗边的模块堆叠起来，通过中间的机械手来传送晶圆。

就Scanner而言，目前在高端市场上，ASML在分辨率，稳定性和产能方面都占有绝对优

势，将其竞争者（Nikon，Canon）远远甩在后面。ASML光刻机是一个非常负责的系统，一般

来说包括以下几个子系统：

1) 晶圆处理系统(wafer handling)，就是晶圆传送和预对准系统，通过CCD侦测晶圆边缘

的预对准精度能达到40微米以下。

2) 光罩处理系统（(reticle handling)，就是光罩传送和预对准系统。

3) 对准系统(Alignment), 就是做晶圆和载片台（wafer stage）间对准，载片台和光罩之间

对准，载片台和光罩载物台间对准。ASML设备有不同的对准光源，主要是He-Ne激光和曝光

用紫外线。单就设备能力而言，光刻后图形的对准精度一般可以做到特征线宽的1/10左右，例

如I-line stepper 100B的特征线宽可以做到0.5um，设备对准精度就可以做到0.05um。

4) 成像系统（Imaging），光刻机成像系统包括光源，光罩，投影镜头组。由于现在工艺的

发展，线宽越来越小，即便是紫外线在通过光罩时，也会发生衍射，而投影镜就是收集衍射后的

光线并用凹凸镜成像。一般stepper（步进式光刻机）成像都是光罩的1/5，而scanner则是

1/4.

5) 找平系统（Leveling）,光刻机成像系统包括光源，光罩，投影镜头组，载片台和晶圆，

其中任何一个有微小偏差，都会导致成像面和晶圆不在一个平面上。leveling系统就是在曝光前

测量晶圆表面与成像面是否平行，从而在曝光时可以调整载片台的表面，使晶圆表面与成像面平

行，得到最佳的光刻图形。Leveling系统的侦测与调整都是在ppm或um的数量级内进行的。

6) 照明系统（Illumination），就是把光源发出的光传送到光罩表面的系统，在传送的过程

中要滤波长与要求不符和的（I-line波长365nm，DUV KrF是248nm，而ArF则是193nm），

并且要使光束达到均匀一致，光束的大小也要符合曝光区域的要求。通常ASML光束不均匀性

可以做到1.5%以下，而曝光范围精度可以控制在100um以下。

7) 环境控制系统（C&T），主要分成温度控制和洁净度两部分。温度控制主要通过循环冷却

水和热交换机来实现，而洁净度由downflow鼓入干净空气和向外的强排风来实现。光刻机内

部可以达到class 1的环境。

四、光刻参数介绍

光刻工艺中重要的参数很多，例如数值孔径（NA），空间相干系数（Sigma），能量（dose）,

焦点偏移（Focus offset），对准偏差补值（OVL offset），曝光平面旋转等等，其中最为重要的

就是NA。下面是光刻工艺中最为重要的两个公式：

λ是指曝光所用光源的波长

Resolution就是分辨率，也就是我们表征光刻机能力最重要的一个参数，分辨率越小表明

设备能做到的线宽越小，设备越先进；DOF即景深，是有效成像对应的Focus范围，也是表征

设备性能的重要参数，DOF越大表明设备工艺容忍度越高，设备越先进。而K

1

、K

2

是两个与系

统相关的系数，由这两个公式我们可以看到λ与resolution成正比，由此光刻机曝光光源由紫外

线像深紫外线发展，目前最先进的是ArF激光产生的193nm光源。而NA则是与分辨率成反比，

从下面stepper和scanner的NA发展中就可发现。但是我们在要求分辨率越来越小的同时也

希望尽量增加DOF，这要求减小NA增加λ。所以NA的变化不能太大，好在随着光刻胶与光罩

技术的发展，对DOF的要求越来越小，I-line光刻机要求的DOF一般在0.6um以上，而ArF

光刻机在0.2um就可以了。

NA，Sigma这些参数极为重要，在产品工艺建立初期，我们就需要通过模拟软件算出最佳

设定，并通过实验来验证，在以后的工艺维护中不会轻易更改。而验证这些设定方法就是看不同

设定下工艺窗口的大小，表征工艺窗口的两个主要指标就是DOF和EL（有效能量范围），工艺

窗口越大表明工艺越稳定。后期工艺维护中就在在DOF与EL的范围内来调整focus offset和

dose。

OVL补值是和不同层之间对准相关的设定，由于工艺和光罩，晶圆的偏差，我们不一定要

求光刻机在对得最好的位置曝光，而是在一定偏移下曝光才能得到对得最好的图形。OVL补值

关系到当层和前层工艺、设备、光刻胶等等条件，比较难控制，一般在OVL要求很高的工艺中，

把相关因素都编在一个自动补值的软件中，让软件来自动计算补值才相对准确。如果OVL要求

不是特别高，我们在做好不同设备间OVL一致性检查和补值后，通过抽检产品来监控有无异常

即可。

五、光刻在GaAs中的应用

光刻工艺在GaAs中的应用会有所不同，一方面有普通意义上的光刻，对光刻胶形成的图形

侧壁要求85〫以上。光刻在GaAs工艺中另外一个应用就是lift－off，光刻胶要做成倒梯形，

在垂直方向长金属后，可以用去胶溶液将光刻胶除去，留下想要图形。这与用光刻胶直接留下想

要的图形的传统意义光刻是很不一样的。Lift－off光刻工艺中的重点就是结合光刻胶的特性，设

置合适的focus offset。

总之光刻是IC电子元器件形成的重要工序，光刻工艺的发展才使得线宽越来越小，集成度

越来越高，我们所用的电子产品才能越来越小巧精致。