光刻工艺

光刻的要求

分辨率（高）
曝光视场（大）
图形对准精度（高） ——1/3最小特征尺寸
产率（大）
缺陷密度（低）

掩模版制作

CAD设计、模拟、验证后由图形发生器产生数字图形

x1掩模版制作——光刻式
x4或x5投影光刻版——投影式光刻
x4或x5投影光刻版在制版时容易检查缺陷
版上缺陷可以修补
蒙膜保护防止颗粒玷污

通过电子束在光刻胶层写入目标电路图案
对涂覆的光刻胶进行显影，得到与目标图案对应的光刻胶掩模
以光刻胶为掩膜，刻蚀下方的铬层，江图案转移至铬层
剥离剩余的光刻胶，露出铬层上的图案
检测图案的关键尺寸，确保尺寸精度符合要求
验证图案的位置精度，保证各特征的相对位置精确
清洁掩模版表面的残留杂质
检测掩模版上的缺陷（如针孔、多余铬点）
对检测处的缺陷进行修复，保留图案的完整性
在加装防尘膜前，再次清洁掩模版表面
安装防尘膜，避免后续使用中颗粒物污染掩模图案
完成所有工序得到掩模版

三种硅片曝光模式及系统

接触式光刻机

MERCURY LAMP汞灯：提供光刻所需的紫外光源，是图案转移的能量来源
MIRROR反射镜+CONDENSER LENS聚光透镜：对汞灯发出的光进行反射、汇聚，使光线均匀、稳定的照射至掩模版区域。
TURNING MIRROR转向镜
EMULSION MASK乳胶掩模版：承载目标电路图案的模板
涂胶晶圆：表面涂覆光刻胶的半导体晶圆，是图案转移的最终目标载体。

接近式光刻机

MERCURY LAMP汞灯
ELLIPSOIDAL MIRROR椭球镜:汇聚汞灯光线，提升光强集中度
TURNING MIRROR转向镜
COLLIMATOR准直器：将发散光转换为平行光
FLY’S EYE LENS复眼透镜:优化光线均匀性，使照射到掩模版的光场更稳定
SECOND MIRROR第二反射镜
CONDENSER LENS聚光透镜
MASK掩模版
RESIST-COATED WAFER涂胶晶圆

接触式和接近式曝光系统：

利用Fresnel衍射理论计算的间隔范围：

$$\lambda<g<\frac{W^2}{\lambda}$$

最小分辨尺寸：

$$W_{min} = \sqrt{\lambda g}$$

扫描投影式光刻机

MERCURY LAMP汞灯
PRIMARY MIRROR (CONCAVE)主反射镜（凹面）：汇聚照明系统的光线，优化光场的集中度与传播方向
ILLUMINATION照明系统
PHOTOMASK掩模版
SECONDARY MIRROR (CONVEX)次反射镜（凸面）：辅助调整光路走向，配合主反射镜实现光线的精准导向
TRAPEZOIDAL梯形组件：参与投影光学系统的光路整形，保障图案投影的清晰度与均匀性
WAFER晶圆

步进投影式光刻机

LIGHT SOURCE光源
COLLIMATIING LENS SYSTEM准直透镜：将光源的发散光转换为平行光，保障光线的方向性与均匀性
RETICLE投影掩模板：承载目标电路图案的模板，与传统掩模版（mask）存在放大比例，适配投影系统的缩小需求
COMPOUND LENS SYSTEM复合透镜：实现图案的比例缩小投影，是保障投影精度的核心光学组件
RESIST-COATED WAFER涂胶晶圆：表面涂覆光刻胶的半导体基底，是电路图案转移的最终载体
STEPPING AXES步进轴：控制晶圆在X/Y方向精准移动，实现晶圆不同区域的逐次曝光

DSW（direct step on wafer）晶圆直接步进工艺，是半导体制程中光刻工序的一种晶圆曝光方式，通过逐次精准步进操作，实现电路图案在整个晶圆表面的完整覆盖。

First Step:在晶圆局部区域完成首次曝光，确定初始图案区域，后续步进区域围绕该区域展开。
Partially Complete: 由步进轴控制晶圆精准移动，依次在相邻区域重复曝光，逐步覆盖晶圆大部分区域，剩余少量区域待处理。
Complete:持续执行步进与曝光操作，直至电路图案覆盖整个晶圆表面，完成单次光刻的图案转移。

投影式——远场衍射： 像平面远离孔径，在孔径和像平面之间设置镜头

分辨率

点物S1的爱里斑中心恰好与另一个点物S2的爱里斑边缘（第一衍射极小）相重合时，恰可分辨两物点。
两个艾里光斑的分辨率：

$$R = \frac{1.22\lambda f}{d} = \frac{1.22\lambda f}{n(2fsin\alpha)} = \frac{0.61\lambda}{nsin\alpha}$$

分辨率：
$$R = k_1 \frac{\lambda}{NA}$$

$NA = nsin\alpha$ ,数值孔径，表示手机衍射光的能力。
提高分辨率：
1.使用短波长的光

2.减小 k1
3.增大 NA

焦深 DOF

$$\lambda / 4 = \delta-\delta\cos\theta$$

$$\lambda/4 = \delta[1-(1 - \theta^2/2)] = \delta\theta^2/2$$

$$\theta = \sin \theta = \frac{d}{2f} = NA$$

$$DOF = \delta = ±k_2\frac{\lambda}{(NA)^2}$$

调制传递函数MTF-对比度

$$MTF = \frac{I_{max} - I_{min}}{I_{max} + I_{min}}$$

光刻胶

光刻胶的作用：对于入射光子有化学变化，保持潜像至显影，从而实现图形转移，即空间图像->潜像。
灵敏度：单位面积的胶曝光所需的光能量
抗蚀性：刻蚀和离子注入

正胶分辨率高于负胶

g线和i线光刻胶的组成（正胶）

(a)基底：树脂，是一种低分子量的酚醛树脂，本身溶于显影液，溶解速率为15nm/s
(b)光敏材料：二氮醌（DQ）

DQ不溶于显影液，光刻胶在显影液中的溶解速率为1-2nm/sec

负胶

当VLSI电路需分辨率达到2um之前，基本上是采用负性光刻胶。负胶在显影时线条会变粗，使其分辨率不能达到很高。
但在分辨率要求不太高的情况下，负胶也有优点：

对衬底表面粘附性好
抗刻蚀能力强
曝光时间短，产量高
工艺宽容度较高
价格较低（约正胶的三分之一）

负胶的组成部分：

基底：合成环化橡胶树脂，对光照不敏感，但在有机溶液如甲苯和二甲苯中溶解很快。
光敏材料PAC：双芳化基，当光照后，产生交联的三维分子网络，使光刻胶在显影液中具有不溶性
溶剂：芳香族化合物

DUV深紫外光刻胶

传统DQN胶的问题：

对于< i 线波长强烈吸收
汞灯在DUV波段输出光强不如i线和g线，因此灵敏度不够
量子效率提高有限
PAG(photo-acid generator)
原理：入射光子于与PAG光子反应，产生酸分子，在后续的烘烤过程中，酸分子起催化剂作用，使曝光区域光刻胶改性。
总量子效率>>1，因此DUV胶的灵敏度有很大提高