光刻

光刻

光敏高分子对微电子技术的发展起着十分重要的作用，光刻和光刻胶（光致抗蚀剂）是微电子技术中的关键技术和关键材料。微电子技术中的光刻是印刷照相制版工艺的发展，下面以刻蚀二氧化硅为例来说明光刻的基本步骤。

首先在硅片上氧化或沉积一层二氧化硅（①），然后涂布一层光敏高分子材料即光刻胶（或称光致抗蚀剂）（②），烘干后加一块有电路图形的掩模（即底片），并用紫外光曝光（③）。由于光化学作用，曝光区和非曝光区上的光刻胶溶解度发生变化，利用合适的溶剂除去可溶部分（即显影），就得一图形，烘干（后烘）（④）后用氢氟酸将裸露二氧化硅腐蚀掉（⑤），最后

除去残留的光刻胶（⑥），于是硅片上便得到一个与掩模一致或相反的图形，后者称为负图形（A），前者称为正图形（B）。硅片上的二氧化硅成为硅的保护膜，通过在裸露的硅面上进行所谓离子注入、扩散掺杂或金属化（如电镀），便可在硅片上制出二极管、电阻、电容和导线。

（光刻技术过程）

典型的光刻硅：光刻中最重要的材料便是被称为光刻胶或光致抗蚀剂的光敏高分子化合物。光刻胶也就是前面印刷技术中讲到的感光树脂，它主要有三种类型：聚乙烯醇肉桂酸酯型、橡胶－叠氮型和邻醌重氮型。其中聚乙烯醇肉桂酸酯（Polyvinyl Cinnamate，PVCN）是最早用作光刻胶的光敏高分子化合物，由美国柯达公司开发。它在光照时发生环化二聚反应，两个肉桂酸酯间形成四元环，从而发生链间的交联，表示如下：

聚乙烯醇肉桂酸酯的光敏性不够好，为了提高它的光敏性，需要添加增感剂。增感剂有很多种，但最常用的是5-硝基二氢苊。加入增感剂后，光刻胶吸收光的范围可大大地扩展，交联固化速度也大大提高。

橡胶－叠氮型光刻胶是另一类重要的光刻胶。叠氮化合物在紫外光照下，可放出氮气形成具有双自由性质叫氮卡宾的物质，这种物质能以多种形式与双键甚至C－H键成键。

使用双叠氮化合物，光照时便可产生两个活泼的氮卡宾基，它可与橡胶上的两个双键反应，形成交联化合物。

邻醌重氮型光刻胶是一种水性光刻胶（可用水溶液显影的光刻胶）。首先制得酚醛树脂，然后将其接在邻醌重氮化合物的六元环上。被紫外光照的邻醌重氮化合物进行分子重排得到一种烯酮的化合物，后者见水便转化为羧酸，羧酸可溶解在稀碱水溶解中。而未光照的部分却不易溶解于水。

电子显微镜下的光刻图形

制约光刻分辨率的主要因素：

集成电路集成度的增加，在于光刻分辨率的增加，但是传统的光刻办法其分辨率不可能增加很大。影响光刻分辨率的的因素很多，光源、光刻胶、光刻条件和工艺本身都对分辨率有影响，现在我们考察一下传统光刻方法中的几个主要步骤对分辨率的影响。

（光通过掩膜的衍射）

曝光：衍射问题

曝光时，光有衍射效应，光线透过掩模要发生衍射，因此实际照射的区域要比掩模上的宽。

右图１是一个典型的入射光通过掩模后在光刻胶膜上的光强分布图。由于衍射效应，设计的光照区将变宽，当线条细到一定程度时便会互相叠合而模糊不清。线条间距越小，衍射越厉害；曝光波长愈长，衍射效应愈严重。

显影--溶胀问题

当用溶剂显影时，不溶的交联高分子胶膜可以发生溶胀，因此可以使图形变形。

腐蚀--各向同性腐蚀问题

腐蚀反应是一种各向同性的反应，如右图所示，反应不仅仅垂直向下反应，同时也要向侧面进行，因此难以得到一个墙壁很直的图形。腐蚀时间愈长，图形就会变得愈宽。由于以上因素（当然，其它方面的问题也可引起分辨率的丧失），传统光刻方法的最高分辨率只有2～3微米。随着大规模集成电路和超大规模集成电路的发展，人们对光刻分辨率的要求愈来愈高。1995年为0.35μm，1998年为0.18μm，现在努力的方向是0.18μm，接着就是0.13μm。很显然原有的光刻工艺已不能满足要求，为此对传统的光刻方法进行了很多改进以满足分辨率的要求，增加集成电路的集成度。

光源曝光的波长越长，衍射效应越厉害，因此要采用短波长的紫外光作为光源。例如由436nm的G线光源改为365nm的I线光源和248nm的激光。

曝光设备将传统光刻中的接触曝光（掩模与硅片直接接触）改为投影曝光，以后又改为分步缩小投影曝光。

底片（掩模）采用一种叫相位移的掩模代替传统的黑白底片掩模。

干法腐蚀与显影用离子束进行干性腐蚀，不用腐蚀液进行湿法腐蚀。离子束腐蚀是定向腐蚀，避免了侧向腐蚀。

其它采用一些新的工艺，例如多层光刻胶、表面影像方法等。

在传统光刻中，显影引起的光刻胶图形变形、沾污，会使分辨率受到很大影响，这是光刻成品率低的主要原因。为了避免显影引起的问题，国外学者尝试了很多方法，但都不太理想。下面我们介绍一下自己的工作--无显影气相光刻技术（Development-Free V apor Photolithography，DFVP）。无显影气相光刻工艺流程

无显影气相光刻的工艺过程如图所示。同传统光刻相比，两者的相同点为均是在带有二氧化硅的硅片上涂上一层聚乙烯肉桂酸酯型光刻胶，烘干后加掩模曝光。不同点在于无显影气相光刻省去了显影和后烘等步骤。另外，它得到的图形恰好与使用传统光刻方法得到的图形相反，原来的光致抗蚀剂变成了"光致腐蚀剂"。

无显影气相光刻与传统光刻技术的差异

两种光刻操作时的唯一区别在于，腐蚀时传统光刻是将硅片放入氢氟酸溶液中，而无显影气相光刻则是将曝光后的硅片放入一个腐蚀器内。腐蚀器内的温度在120℃以上，将氮气或空气鼓泡通过装有氢氟酸溶液的瓶子后通入腐蚀器内，经一定时间后，非曝光区胶膜下的二氧化硅将保持完好，而曝光区胶膜下的二氧化硅被刻蚀除去。从腐蚀器中取出并除去胶膜后得到一正图形。和传统光刻相比无显影气相光刻所得的图形分辨率高，纵宽比高，但要求曝光时间长。

无显影气相光刻与传统光刻技术的差异

两种光刻操作时的唯一区别在于，腐蚀时传统光刻是将硅片放入氢氟酸溶液中，而无显影气相光刻则是将曝光后的硅片放入一个腐蚀器内。腐蚀器内的温度在120℃以上，将氮气或空气鼓泡通过装有氢氟酸溶液的瓶子后通入腐蚀器内，经一定时间后，非曝光区胶膜下的二氧化硅将保