光刻技术的发展与应用

光刻胶的三维图形
光刻工艺的8个基本步骤
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（见下 图）。
光刻的8个步骤
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。
对准和曝光
步骤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。
步骤6：显影
显影是在硅片表面光刻胶中产生图形的关键
光刻的基本概念
光刻处于硅片加工过程的中心，这可以通过
在各制造工艺中如何从光刻工艺流进流出中 证明（见下图）。光刻常被认为是IC制造中 最关键的步骤，需要高性能以便结合其他工 艺获得高成品率。据估计，光刻成本在整个 硅片加工成本中几乎占不到三分之一。
硅片制造工艺流程

转移到硅片表面的光刻图形的形状完全取决于硅片 层面的构成。图形可能是硅片上的半导体器件、隔 离槽、接触孔、金属互连线以及互联金属层的通孔。 这些图形被转移到光敏光刻胶材料上，为进行刻蚀 或离子注入的衬底做好准备。形成的光刻胶图形是 三维的，因为光刻胶中的图形具有长、宽、高（见 下图）。在一个硅片上可能有成百个完全相同的芯 片，每一个都需要将合适的图形转移到管芯上。

步骤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 见下图。 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。
步骤8：显影后检查


一旦光刻胶在硅片上形成图形，就要进行检查以确定光刻 胶图形的质量。这种检查系统对于高集成的关键层几乎都 是自动完成的，检查有两个目的：找出光刻胶有质量问题 的硅片，描述光刻胶工艺性能以满足规范要求。如果确定 胶有缺陷，通过去胶可以把它们除去，硅片也可以返工。 与任何制造工艺一样，光刻工艺的目标是无缺陷产品。然 而，不检查并在胶中留下缺陷将是灾难性的问题。显影后 检查可以发现错误并就地纠正，这是硅片制造过程中少有 的可以纠正的几步之一。一旦有缺陷的硅片被送到下一个 图形形成步骤（通常是刻蚀），就没有纠正错误的机会了。 如果一个硅片被错误刻蚀，它就有了致命的缺陷，被认为 是废品，对公司来说就没有进一步的价值了。这就是检查 数据对于描述和提高光刻胶工艺特性如此重要的原因。
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（见图 2.5）。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。
旋转涂胶
步骤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Fra Baidu bibliotek的降温步骤，以得到光刻胶 一致特性的硅片温度控制。
步骤4：对准和曝光
光刻技术的发展史
光刻技术是利用光学复制的方法把超小图样
刻印到半导体薄片上来制作复杂电路的技术。 光刻技术是微制造领域最为成功的技术。自 从它在1959年被发明以来，就成为半导体工 业最有用的工具。迄今为止，基本上所有的 集成电路都是通过它制造的。
光刻的原理与评价指标


光刻的原理与印相片相同，涂在硅片上的光刻胶相当于相纸， 掩模相当于底片。用特定波长的光照射光刻胶，光刻胶有感 光性和抗蚀性即正负性两种类型。正胶曝光部分在显影液中 被溶解，没有曝光的胶层留下；负胶的曝光部分在显影液中 不溶解，而没有曝光的胶层却被溶解掉。经过显影，则显出 光刻图形。光学光刻是由投影光学系统和掩模版相结合来产 生光刻图形的。曝光方式普遍采用分布重复投影式曝光，即 将一组图形重复上百次制作在一大片硅片上。 评价光刻质量的指标主要有分辨率（单位长度上可分辨的高 反差线对数）、光刻精度（线宽尺寸控制及套刻精度）、产 率和成品率等。影响光刻质量的主要因素有曝光系统、曝光 方式、光掩模、光刻胶和刻蚀方法等。
光刻技术的发展与应用
光刻技术的发展史
在微电子制造技术中，最为关键的是用于电
路图形生产和复制的光刻技术，光刻技术的 研究与开发，在每一代集成电路技术的更新 中都扮演着技术先导的角色。目前国际微电 子领域最引人关注的热点，就是即将到来的 光刻技术变革，这一变革将对整个微电子制 造技术的发展产生深远的影响。
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 （见下图），然后显影，硅片用离子水（DI） 冲洗后甩干。
光刻胶显影
步骤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程非常关键。正胶 的坚膜烘焙温度约为120℃到140℃，这比软 烘温度要高，但也不能太高，否则光刻胶就 会流动从而破坏图形。