流动而引起分辨率的降低。 光学基础
光的反射（reflection）。光射到任何表面的时候都会发生反射，并且符合反射定律： 入射角等于反射角。在曝光的时候，光刻胶往往会在硅片表面或者金属层发生反射，使不希望被曝光的光刻胶被曝光，从而造成图形复制的偏差。常常需要用抗反射 涂层（ARC，Anti-Reflective Coating）来改善因反射造成的缺陷。
光的折射（refraction）。光通过一种透明介质进入到另一种透明介质的时候，发生方 向的改变。主要是因为在两种介质中光的传播速度不同（λ=v/f）。直观来说是两种介质中光的入射角发生改变。所以我们在90nm工艺中利用高折射率的水 为介质（空气的折射率为1.0，而水的折射率为1.47），采用浸入式光刻技术，从而提高了分辨率。而且这种技术有可能将被沿用至45nm工艺节点。
光的衍射或者绕射（diffraction）。光在传播过程中遇到障碍物（小孔或者轮廓分 明的边缘）时，会发生光传播路线的改变。曝光的时候，掩膜板上有尺寸很小的图形而且间距很窄。衍射会使光部分发散，导致光刻胶上不需要曝光的区域被曝光。 衍射现象会造成分辨率的下降。
光的干涉（interference）。波的本质是正弦曲线。任何形式的正弦波只要具有相同的频率就能相互干涉，即相长相消：相位相同，彼此相长；相位不同，彼此相消。在曝光的过程中，反射光与折射光往往会发生干涉，从而降低了图形特征复制的分辨率。
调制传输函数（MTF, Modulation Transfer Function）。用于定义明暗对比度的参数。即分辨掩膜板上明暗图形的能力，与光线的衍射效应密切相关。MTF=(Imax- Imin)/(Imax+Imin)，好的调制传输函数，就会得到更加陡直的光刻胶显影图形，即有高的分辨率。临界调制传输函数 （CMTF,Critical Modulation Transfer Function）。主要表征光刻胶本身曝光对比度的参数。即光刻胶分辨透射光线明暗的能力。一般来说光路系统的调制传输函数必须大于光刻胶的临界调制传 输函数，即MTF>CMTF。
数值孔径（NA, Numerical Aperture）。透镜收集衍射光（聚光）的能力。NA=n*sinθ=n*（透镜半径/透镜焦长）。一般来说NA大小为0.5~0.85。提高数值孔径的方法：1、提高介质折射率n，采用水代替空气；2、增大透镜的半径；
分辨率（Resolution）。区分临近最小尺寸图形的能力。 R=kλ/(NA)=0.66/(n*sinθ) 。提高分辨率的方法：1、减小光源的波长；2、采用高分辨率的光刻胶；3、增大透镜半径；4、采用高折射率的介质，即采用浸入式光刻技术；5、优化光学棱 镜系统以提高k（0.4~0.7）值（k是标志工艺水平的参数）。
焦深（DOF，Depth of Focus）。表示焦点周围的范围，在该范围内图像连续地保持清晰。焦深是焦点上面和下面的范围，焦深应该穿越整个光刻胶层的上下表面，这样才能够保证光 刻胶完全曝光。DOF=kλ/(NA)2。增大焦深的方法：1、增大光源的波长；2、采用小的数值孔径；3、利用CMP进行表面平坦化。由于前两种方法会 降低分辨率，而分辨率是芯片制造所努力提升的重要参数，因此我们需要在看上去相互矛盾的两个方面做出某种平衡。一般在保证基本的焦深要求下不降低分辨率， 即以分辨率为主。所以，现在一般采用CMP平坦化技术保证足够的焦深。 掩膜板/光罩
掩膜板/光罩（Photo Mask/Reticle）硅片上的电路元件图形都来自于版图，因此掩膜板的质量在光刻工艺中的扮演着非常重要的角色。 1、掩膜板的分类：
光掩膜板（Photo Mask）包含了整个硅片的芯片图形特征，进行1：1图形复制。这种掩膜板用于比较老的接近式光刻和扫描对准投影机中。
投影掩膜板（Reticle）只包含硅片上的一部分图形（例如四个芯片），一般为缩小比例 （一般为4：1）。需要步进重复来完成整个硅片的图形复制。一般掩膜板为6X6inch（152mm）大小，厚度约为0.09”~0.25” （2.28mm~6.35mm）。投影掩膜板的优点：1、投影掩膜板的特征尺寸较大（4×），掩膜板制造更加容易；2、掩膜板上的缺陷会缩小转移到硅片 上，对图形复制的危害减小；3、使曝光的均匀度提高。 2、掩膜板的制造：
掩膜板的基材一般为熔融石英（quartz），这种材料对深紫外光（DUV，KrF-248nm，ArF-193nm）具有高的光学透射，而且具有非常低的温度膨胀和低的内部缺陷。
掩膜板的掩蔽层一般为铬（Cr，Chromium）。在基材上面溅射一层铬，铬层的厚度一般为800~1000埃，在铬层上面需要涂布一层抗反射涂层（ARC，Anti-Reflective Coating）。
制作过程：a、在石英表面溅射一层铬层，在铬层上旋涂一层电子束光刻胶；b、利用电子束（或 激光）直写技术将图形转移到电子束光刻胶层上。电子源产生许多电子，这些电子被加速并聚焦（通过磁方式或者电方式被聚焦）成形投影到电子束光刻胶上，扫描 形成所需要的图形；c、曝光、显影；d、湿法或者干法刻蚀（先进的掩膜板生产一般采用干法刻蚀）去掉铬薄层；e、去除电子束光刻胶；d、粘保护膜 （Mount Pellicle）。保护掩膜板杜绝灰尘（Dust）和微小颗粒（Particle）污染。保护膜被紧绷在一个密封框架上，在掩膜板上方约5~10mm。 保护膜对曝光光能是透明的，厚度约为0.7~12μm（乙酸硝基氯苯为0.7μm；聚酯碳氟化物为12μm）。 3、掩膜板的损伤和污染
掩膜板是光刻复制图形的基准和蓝本，掩膜板上的任何缺陷都会对最终图形精度产生严重的影响。所以掩膜板必须保持“完美”。
使用掩膜板存在许多损伤来源：掩膜板掉铬；表面擦伤，需要轻拿轻放；静电放电（ESD），在 掩膜板夹子上需要连一根导线到金属桌面，将产生的静电导出。另外，不能用手触摸掩膜板；灰尘颗粒，在掩膜板盒打开的情况下，不准进出掩膜板室（Mask Room），在存取掩膜板时室内最多保持2人。
因为掩膜板在整个制造工艺中的地位非常重要。在生产线上，都会有掩膜板管理系统（RTMS，Reticle Management System）来跟踪掩膜板的历史（History）、现状（Status）、位置（Location）等相关信息，以便于掩膜板的管理。 光刻胶
光刻胶是一种有机化合物，它受紫外光曝光后，在显影液中的溶解度会发生变化。一般光刻胶以液态涂覆在硅片表面上，曝光后烘烤成固态。
1、光刻胶的作用：a、将掩膜板上的图形转移到硅片表面的氧化层中；b、在后续工序中，保护下面的材料（刻蚀或离子注入）。 2、光刻胶的物理特性参数：
a、分辨率（resolution）。区别硅片表面相邻图形特征的能力。一般用关键尺寸（CD，Critical Dimension）来衡量分辨率。形成的关键尺寸越小，光刻胶的分辨率越好。
b、对比度（Contrast）。指光刻胶从曝光区到非曝光区过渡的陡度。对比度越好，形成图形的侧壁越陡峭，分辨率越好。
c、敏感度（Sensitivity）。光刻胶上产生一个良好的图形所需一定波长光的最小能量值（或最小曝光量）。单位：毫焦/平方厘米或mJ/cm2。光刻胶的敏感性对于波长更短的深紫外光（DUV）、极深紫外光（EUV）等尤为重要。
d、粘滞性/黏度（Viscosity）。衡量光刻胶流动特性的参数。粘滞性随着光刻胶中的 溶剂的减少而增加；高的粘滞性会产生厚的光刻胶；越小的粘滞性，就有越均匀的光刻胶厚度。光刻胶的比重（SG，Specific Gravity）是衡量光刻胶的密度的指标。它与光刻胶中的固体含量有关。较大的比重意味着光刻胶中含有更多的固体，粘滞性更高、流动性更差。粘度的单 位：泊（poise），光刻胶一般用厘泊（cps，厘泊为1%泊）来度量。百分泊即厘泊为绝对粘滞率；运动粘滞率定义为：运动粘滞率=绝对粘滞率/比重。 单位：百分斯托克斯（cs）＝cps/SG。
e、粘附性（Adherence）。表征光刻胶粘着于衬底的强度。光刻胶的粘附性不足会导致硅片表面的图形变形。光刻胶的粘附性必须经受住后续工艺（刻蚀、离子注入等）。
f、抗蚀性（Anti-etching）。光刻胶必须保持它的粘附性，在后续的刻蚀工序中保护衬底表面。耐热稳定性、抗刻蚀能力和抗离子轰击能力。
g 、表面张力（Surface Tension）。液体中将表面分子拉向液体主体内的分子间吸引力。光刻胶应该具有比
较小的表面张力，使光刻胶具有良好的流动性和覆盖。
h、存储和传送（Storage and Transmission）。能量（光和热）可以激活光刻胶。应该存储在密闭、低温、不透光的盒中。同时必须规定光刻胶的闲置期限和存贮温度环境。一旦超过存储时间或较高的温度范围，负胶会发生交联，正胶会发生感光延迟。 3、光刻胶的分类
a、根据光刻胶按照如何响应紫外光的特性可以分为两类：负性光刻胶和正性光刻胶。
负性光刻胶（Negative Photo Resist）。最早使用，一直到20世纪70年代。曝光区域发生交联，难溶于显影液。特性：良好的粘附能力、良好的阻挡作用、感光速度快；显影时发生变形和膨胀。所以只能用于2μm的分辨率。
正性光刻胶（Positive Photo Resist）。20世纪70年代，有负性转用正性。正性光刻胶的曝光区域更加容易溶解于显影液。特性：分辨率高、台阶覆盖好、对比度好；粘附性差、抗刻蚀能力差、高成本。 b、根据光刻胶能形成图形的最小光刻尺寸来分：传统光刻胶和化学放大光刻胶。
传统光刻胶。适用于I线（365nm）、H线（405nm）和G线（436nm），关键尺寸在0.35μm及其以上。 化学放大光刻胶（CAR，Chemical Amplified Resist）。适用于深紫外线（DUV）波长的光刻胶。KrF（248nm）和ArF（193nm）。
4、光刻胶的具体性质
a、传统光刻胶：正胶和负胶。光刻胶的组成：树脂（resin/polymer），光刻胶中 不同材料的粘合剂，给与光刻胶的机械与化学性质（如粘附性、胶膜厚度、热稳定性等）；感光剂，感光剂对光能发生光化学反应；溶剂（Solvent），保持 光刻胶的液体状态，使之具有良好的流动性；添加剂（Additive），用以改变光刻胶的某些特性，如改善光刻胶发生反射而添加染色剂等。
负性光刻胶。树脂是聚异戊二烯，一种天然的橡胶；溶剂是二甲苯；感光剂是一种经过曝光后释放出氮气的光敏剂，产生的自由基在橡胶分子间形成交联。从而变得不溶于显影液。负性光刻胶在曝光区由溶剂引起泡涨；曝光时光刻胶容易与氮气反应而抑制交联。
正性光刻胶。树脂是一种叫做线性酚醛树脂的酚醛甲醛，提供光刻胶的粘附性、化学抗蚀性， 当没有溶解抑制剂存在时，线性酚醛树脂会溶解在显影液中；感光剂是光敏化合物（PAC，Photo Active Compound），最常见的是重氮萘醌（DNQ），在曝光前，DNQ是一种强烈的溶解抑制剂，降低树脂的溶解速度。在紫外曝光后，DNQ在光刻胶中化学 分解，成为溶解度增强剂，大幅提高显影液中的溶解度因子至100或者更高。这种曝光反应会在DNQ中产生羧酸，它在显影液中溶解度很高。正性光刻胶具有很 好的对比度，所以生成的图形具有良好的分辨率。
b、化学放大光刻胶（CAR，Chemical Amplified Resist）。树脂是具有化学基团保护（t-BOC）的聚乙烯（PHS）。有保护团的树脂不溶于水；感光剂是光酸产生剂（PAG，Photo Acid Generator），光刻胶曝光后，在曝光区的PAG发生光化学反应会产生一种酸。该酸在曝光后热烘（PEB，Post Exposure Baking）时，作为化学催化剂将树脂上的保护基团移走，从而使曝光区域的光刻胶由原来不溶于水转变为高度溶于以水为主要成分的显影液。化学放大光刻胶 曝光速度非常快，大约是DNQ线性酚醛树脂光刻胶的10倍；对短波长光源具有很好的光学敏感性；提供陡直侧墙，具有高的对比度；具有0.25μm及其以下 尺寸的高分辨率。 光源
光刻是光源发出的光通过掩膜板和透镜系统照射到光刻胶的特定部分并使之曝光，以实现图形的复 制和转移。波长越小、得到的图形分辨率越高。曝光光源的另外一个重要参数就是光的强度。光强定义为单位面积上的功率（mW/cm2），该光强应在光刻胶表 面测量。光强也可以被定义为能量：单位面积上的光亮或亮度。曝光能量（剂量）＝曝光强度×曝光时间。单位：毫焦每平方厘米（mJ/ cm2）。
电磁波谱：整个可见光和不可见的电磁波。可见光谱（白光是所有可见光谱波长的光组成）：390nm～780nm；紫外光谱：4nm～450nm;
常见光源有：汞灯和准分子激光。另外，在先进或某些特殊场合也会用到其他曝光手段，如X射线、电子束和粒子束等。
1、汞灯（Mercury Lamp）
原理：电流通过装有氙汞气体的管子时，会产生电弧放电。电弧发射出一个特征光谱，包括波长处于240nm～500nm之间的紫外辐射光谱。
一般来说，特定波长的光源对应特定性能的光刻胶。在使用汞灯作光源时，需要利用一套滤波器去除不需要的波长和红外波长。所选择的波长应与硅片上的关键尺寸相匹配。高压汞灯一般用于Ｉ线（365nm）步进光刻机上。I line用于关键尺寸大于0.35μm的图形。 2、准分子激光（Excimer Laser）
20世纪80年代中期以来，激光光源以可以用于光学光刻。但是其可靠性和性能影响其在硅片生产上的实施直至90年代中期。其优点是可以提供较大的深紫外光强。迄今唯一用于光学曝光的激光光源是准分子激光。
原理：准分子是不稳定分子，由惰性气体原子和卤素构成，如氟化氩（ArF）。这些分子只存 在于准稳定激发态。当不稳定的准分子分解成两个组成原子时，激发态发生衰减，同时发射出激光。激光器通过两个平板电极的高压（10～20kV）脉冲放电来 激发高压惰性气体和卤素的混合物，使之维持着激发态的分子多于基态分子。实现连续发射激光。第一步激发：Kr*＋F2->KrF*＋F；第二步衰 减：KrF*->Kr＋F＋DUV。 常见的准分子激光光源为248nm的KrF（用于关键尺寸大于0.13μm的图形）和193nm的ArF（用于关键尺寸大于0.08μm的图形）。 光刻中常见的效应和概念
1、驻波效应（Standing Wave Effect）
现象：在光刻胶曝光的过程中，透射光与反射光（在基底或者表面）之间会发生干涉。这种相同频率的光波之间的干涉，在光刻胶的曝光区域内出现相长相消的条纹。光刻胶在显影后，在侧壁会产生波浪状的不平整
解决方案：a、在光刻胶内加入染色剂，降低干涉现象；b、在光刻胶的上下表面增加抗反射涂层（ARC，Anti-Reflective Coating）；c、后烘（PEB，Post Exposure Baking）和硬烘（HB，Hard Baking）。 2、摆线效应（Swing Curve Effect）
现象：在光刻胶曝光时，以相同的曝光剂量对不同厚度的光刻胶曝光，从而引起关键尺寸（CD，Critical dimension）的误差。
3、反射切口效应（Notching Effect）
现象：在光刻胶曝光时，由于接触孔尺寸的偏移等原因使入射光线直接照射到金属或多晶硅上发生发射，使不希望曝光的光刻胶被曝光，显影后，在光刻胶的底部出现缺口。 解决方案：a、提高套刻精度，防止接触孔打偏；b、涂覆抗反射涂层。 4、脚状图形（Footing Profiles）
现象：在光刻胶的底部，出现曝光不足。使显影后，底部有明显的光刻胶残留。
解决方案：a、妥善保管光刻胶，不要让其存放于碱性环境中；b、在涂覆光刻胶之前，硅片表面要清洗干净，防止硅基底上有碱性物质的残余。 5、T型图形（T-Top Profiles）
现象：由于表面的感光剂不足而造成表层光刻胶的图形尺寸变窄。 解决方案：注意腔室中保持清洁，排除腔室中的碱性气体污染。 6、分辨率增强技术（RET，Resolution Enhanced Technology）
包括偏轴曝光（OAI，Off Axis Illumination）、相移掩膜板技术（PSM，Phase Shift Mask）、光学近似修正（OPC，Optical Proximity Correction）以及光刻胶技术等。 a、偏轴曝光
改变光源入射光方向使之与掩膜板保持一定角度，可以改善光强分布的均匀性。但同时，光强有所削弱。
