光刻技术

H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y

精密和超精密加工技术论文

论文名称：光刻技术及其应用

课程名称：精密和超精密加工技术专业：机械设计制造及其自动化班级：1208104

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哈尔滨工业大学

光刻技术及其应用

摘要：集成电路制造中利用光学- 化学反应原理和化学、物理刻蚀方法，将电路图形传递到单晶表面或介质层上，形成有效图形窗口或功能图形的工艺技术。随着半导体技术的发展，光刻技术传递图形的尺寸限度缩小了2～3个数量级（从毫米级到亚微米级），已从常规光学技术发展到应用电子束、 X射线、微离子束、激光等新技术；使用波长已从4000埃扩展到 0.1埃数量级范围。光刻技术成为一种精密的微细加工技术。本文就光刻技术的概念和工艺过程进行介绍，并对其发展与应用进行展望。

关键字：光刻技术，工艺流程，步骤，应用。

一、光刻技术的概念

光刻技术是在一片平整的硅片上构建半导体MOS管和电路的基础，这其中包含有很多步骤与流程。首先要在硅片上涂上一层耐腐蚀的光刻胶，随后让强光通过一块刻有电路图案的镂空掩模板（MASK）照射在硅片上。被照射到的部分(如源区和漏区)光刻胶会发生变质，而构筑栅区的地方不会被照射到，所以光刻胶会仍旧粘连在上面。接下来就是用腐蚀性液体清洗硅片，变质的光刻胶被除去，露出下面的硅片，而栅区在光刻胶的保护下不会受到影响。随后就是粒子沉积、掩膜、刻线等操作，直到最后形成成品晶片（WAFER）。

二、光刻技术的工艺流程

常规光刻技术是采用波长为2000～4500埃的紫外光作为图像信息载体，以光致抗蚀剂为中间（图像记录）媒介实现图形的变换、转移和处理，最终把图像信息传递到晶片(主要指硅片)或介质层上的一种工艺。在广义上，它包括光复印和刻蚀工艺两个主要方面。

①光复印工艺：经曝光系统将预制在掩模版上的器件或电路图形按所要求的位置，精确传递到预涂在晶片表面或介质层上的光致抗蚀剂薄层上。

②刻蚀工艺：利用化学或物理方法，将抗蚀剂薄层未掩蔽的晶片表面或介质层除去，从而在晶片表面或介质层上获得与抗蚀剂薄层图形完全一致的图形。集成电路各功能层是立体重叠的，因而光刻工艺总是多次反复进行。例如，大规模集成电路要经过约10次光刻才能完成各层图形的全部传递。在狭义上，光刻工艺仅指光复印工艺。

三、光刻技术的基本步骤

光刻工艺是一个复杂过程，它有很多影响其工艺宽容度的工艺变量。例

如减小的特征尺寸、对准偏差、掩膜层数目以及硅片表面的清洁度。为方便起见，我们可以将光刻的图形形成过程分为8个步骤。

1、气相成底膜处理

光刻的第一步是清洗、脱水和硅片表面成底膜处理。这些步骤的目的是增强硅片和光刻胶之间的粘附性。

硅片清洗包括湿法清洗和去离子水冲洗以去除沾污物，大多数的硅片清洗工作在进入光刻工作间之前进行。脱水致干烘焙在一个封闭腔内完成，以除去吸附在硅片表面的大部分水汽。硅片表面必须是清洁干燥的。脱水烘焙后硅片立即要用六甲基二硅胺烷（HMDS）进行成膜处理，它起到了粘附促进剂的作用。

2、旋转涂胶

成底膜处理后，硅片要立即采用旋转涂胶的方法涂上液相光刻胶材料。硅片被固定在一个真空载片台上，它是一个表面上有很多真空孔以便固定硅片的平的金属或聚四氯乙烯盘。一定数量的液体光刻胶滴在硅片上，然后对喷旋转得到一层均匀的光刻胶涂层见图。

不同的光刻胶要求不同的旋转涂胶条件，例如最初慢速旋转（例如500rpm），接下来跃变到最大转速3000rpm或者更高。一些光刻胶应用的重要质量指标是时间、速度、厚度、均匀性、颗粒沾污以及光刻胶缺陷，如针孔。

3、烘焙

光刻胶被涂到硅片表面后必须要经过软烘，软烘的目的是去除光刻胶中的溶剂。软烘提高了粘附性，提升了硅片上光刻胶的均匀性，在刻蚀中得到了更好的

线宽控制。典型的软烘条件是在热板上90℃到100℃烘30秒，接下来是在冷板上的降温步骤，以得到光刻胶一致特性的硅片温度控制。

4、对准和曝光

下一步被称做对准和曝光。掩膜版与涂了胶的硅片上的正确位置对准。硅片表面可以是裸露的硅，但通常在其表面有一层事先确定了的图形。一旦对准，将掩膜版和硅片曝光，把掩膜版图形转移到涂胶的硅片上。光能激活了光刻胶中的光敏成分。对准和曝光的重要质量指标是线宽分辨率、套刻精度、颗粒和缺陷。

常用的曝光方式分类有接触式曝光和非接触式曝光。接触式曝光和非接触式曝光的区别，在于曝光时掩模与晶片间相对关系是贴紧还是分开。

接触式曝光具有分辨率高、复印面积大、复印精度好、曝光设备简单、操作方便和生产效率高等特点。但容易损伤和沾污掩模版和晶片上的感光胶涂层,影响成品率和掩模版寿命,对准精度的提高也受到较多的限制。一般认为，接触式曝光只适于分立元件和中、小规模集成电路的生产。

非接触式曝光主要指投影曝光。在投影曝光系统中，掩膜图形经光学系统成像在感光层上，掩模与晶片上的感光胶层不接触,不会引起损伤和沾污,成品率较高，对准精度也高，能满足高集成度器件和电路生产的要求。但投影曝光设备复杂，技术难度高，因而不适于低档产品的生产。现代应用最广的是 1:1倍的全反射扫描曝光系统和x:1倍的在硅片上直接分步重复曝光系统。

5、曝光后烘焙

对于深紫外（DUV）光刻胶在100℃到110℃的热板上进行曝光后烘焙是必要的，这步烘焙应紧随在光刻胶曝光后。几年前，这对于非深紫外光刻胶是一种可选择的步骤，但现在即使对于传统光刻胶也成了一种实际的标准。

6、显影

显影是在硅片表面光刻胶中产生图形的关键步骤。光刻胶上的可溶解区域被化学显影剂溶解，将可见的岛或者窗口图形留在硅片表面。最通常的显影方法是旋转、喷雾、浸润，然后显影，硅片用离子水（DI）冲洗后甩干。

7、坚膜烘焙

显影后的热烘指的就是坚膜烘焙。烘焙要求挥发掉存留的光刻胶溶剂，提高光刻胶对硅片表面的粘附性。这一步是稳固光刻胶，对下面的刻蚀和离子注入过