光刻工艺

光刻工艺

一、提示:

光刻工艺是集成电路制造中最关键的工艺之一。光刻是一种复印图像和化学腐蚀相结合的综合性技术。光刻的本质是把临时电路结构复制到以后要进行刻蚀和掺杂的晶圆上。这些结构首先以图形形式制作在被称为光刻掩膜版的石英膜版上，光刻工艺首先将事先做好的光刻掩膜版上的图形精确地、重复地转移到涂有光刻胶的待腐蚀层上，然后利用光刻胶的选择性保护作用，对需腐蚀图形层进行选择性化学腐蚀，从而在表面形成与光刻版相同或相反的图层。

二、概要:

光刻实际是将图形转移到一个平面的任一复制过程。本章先介绍了光刻的概念，接着介绍了光刻工艺的基本步骤，并相继介绍了光刻过程中的必备的两种材料，即掩膜版和光刻胶，然后对多种光刻设备做了简要介绍。本章需重点掌握光刻工艺、光刻胶及光刻设备等。

三、关键知识:

光刻的概念：光刻处于晶圆加工过程的中心，一般认为是集成电路（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。光刻过程实际是图形由掩膜版转移到晶圆表面的过程。

光刻工艺的基本步骤：光刻工艺是一个复杂的过程，其中有很多影响其工艺宽容度的工艺变量。为了方便起见，这里将光刻工艺分成8个基本操作：气相成底膜、旋转涂胶、软烘（前烘）、曝光、烘焙、显影、坚膜（后烘）、显影检查。

光刻胶的分类：光刻包括两个基本的工艺类型，即正性光刻和负性光刻，因此用于光刻的光刻胶也有正胶和负胶之分。正性光刻是把与掩膜版上相同的图形复制到晶圆上，负性光刻是把与掩膜版上图形的相反图形复制到晶圆表面。

光刻设备：从早期的晶圆制造以来，光刻设备经历了几代的发展，每一代又以当时获得的特征尺寸分辨率所需的设备类型为基础。主要的光刻设备认为以下五代：接触式光刻机、接近式光刻机、扫描投影光刻机、分步重复光刻机和步进扫描光刻机。

四、重点讲解:

1、光刻的主要参数：

（1）特征尺寸：一般是指MOS管的最小栅长，减小特征尺寸可以在单个晶圆上布局更多的芯片。光刻技术决定了在晶圆上的特征尺寸数值。

（2）分辨率：是指将晶圆上两个邻近的特征图形区分开来的能力。焦深是光焦点周围的一

个范围，在这个范围内图像连续地保持清晰。因此在半导体制造中，既要获得更好的分辨率来形成特征尺寸的图形，又要保持合适的焦深。

（3）套准精度：光刻工艺要求晶圆表面上存在的图案与掩膜版上的图形精确对准，这种特性指标就是套准精度。

（4）工艺宽容度：在光刻的工艺过程中，还有很多工艺是可变量，工艺宽容度就是指光刻工艺能始终如一地处理符合特定要求产品的能力。

2、光刻工艺的基本步骤：

（1）气相成底膜：光刻前的晶圆首先要进行清洗、脱水烘焙，然后在晶圆表面形成一层底膜，以增强晶圆和光刻胶之间的粘附性。

（2）旋转涂胶：气相成底膜后晶圆表面要立即采用旋转涂胶的方法涂上液相光刻胶材。不同的光刻胶有不同的旋转涂胶条件，光刻胶胶膜的厚度和均匀性是非常关键的参数。（3）软烘：其目的是去除光刻胶中的溶剂。软烘提高了粘附性，提升了晶圆上光刻胶的均匀性，在刻蚀的过程中得到了更好的线宽控制。

（4）曝光：曝光前首先要进行对准操作，即掩膜版与涂好光刻胶的晶圆进行位置对准。对准和曝光的重要质量指标是线宽的分辨率、套准精度、颗粒和缺陷。

（5）烘焙：为了促进关键光刻胶的化学反应，需进行短时间的曝光后烘焙（PEB），提高光刻胶的粘附性并减少驻波。

（6）显影：显影是非常关键的步骤，重点是形成的特征尺寸要达到相应的规定要求。

<1>显影主要的问题有三类，即显影不足、不完全显影和过显影：显影不足的线条比正常显影的线条要宽并且在侧面有斜坡；不完全显影会在衬底上留下应该在显影过程中去掉的剩余光刻胶；过显影会去除太多的光刻胶，引起图形变窄或不好的外形。

<2>在显影过程中，必须要控制好几个关键的显影参数：显影温度、显影时间、显影液量、真空吸盘、清洗、排风和显影液浓度。

（7）坚膜：由于曝光后的晶圆要进行显影，晶圆要接触一定量的显影液溶剂，坚膜就是要挥发掉存留在光刻胶中的各种溶剂，以提高光刻胶对晶圆表面的粘附性。

（8）显影检查：主要是查找光刻胶有缺陷的硅片，并查看光刻胶的工艺性能是否满足规定要求。显影检查包括对光刻胶粘附性和光刻胶质量的检查。

3、光刻胶

光刻胶一般由感光剂（光致抗蚀剂）、增强剂和溶剂组成。

（1）光刻胶需满足的特点有：

<1>能方便地涂覆在衬底表面以形成连续的薄膜，并能和衬底表面形成很好粘附；

<2>分辨率要高，以使形成的图像线条清晰；

<3>对特定波长的光有较强的光敏感性，即感光度（S）高；

<4>对腐蚀衬底所用的腐蚀液要有足够的抗腐蚀能力；

<5>受光照后，显影液对需要溶解的需溶物能全部溶解；

<6>光刻胶性能要稳定，不能有暗（光）反应。

（2）光学光刻胶的分类：

<1>负性光刻胶：受紫外光照射的区域会交联硬化，变得难溶于显影液溶剂中，显隐时这部分光刻胶被保留，在光刻胶上形成一种负相的掩膜版图形。

优点：很高的感光速度、极好的粘附性和抗腐蚀性、成本低；

缺点：分辨率低，不适用于细线条光刻。

<2>正性光刻胶：受紫外光照射的区域更容易溶于显影溶剂，在光刻胶上形成一种正相的掩膜版图形。

优点：较高的固有分辨率、较强的抗干法腐蚀能力和抗热处理能力、良好的台阶覆盖；

缺点：粘附性差、抗湿法腐蚀能力差、成本高。

4、五种光刻机：

（1）接触式光刻机：接触式光刻机的掩膜版包括了要复制到晶圆表面的所有芯片图形。接触式光刻系统依赖人操作，因为掩膜版和光刻胶是直接接触的，所以容易被污染，但因非常近的接触，可以得到高分辨率的图形。

（2）接近式光刻机：掩膜版与光刻胶不直接接触，与光刻胶表面接近，在掩膜版和晶圆表面光刻胶之间大致有2.5~25um的间距，减小了系统的分辨能力。

（3）扫描投影光刻机：是利用反射镜系统把有1：1图像的整个掩膜版图形投影到晶圆表面，紫外光线通过一个狭缝聚焦在晶圆上，能够获得均匀的光源，掩膜版和涂胶的晶圆被放置在扫描架上，并一致地通过窄紫外光束对晶圆上的光刻胶曝光。这种设备适用于线宽大于1um 的非关键层。

（4）分步重复光刻机：这种设备投影一个曝光场，然后步进到晶圆上另一个位置重复曝光。它的优势是具有使用缩小透镜的能力，主要用于图形的特征尺寸小0.25um。

（5）步进扫描光刻机：是融合扫描投影光刻机和分步重复光刻机的技术，通过使用缩小透镜扫描一个大曝光场图像到晶圆上的一部分实现光刻。优点是，增大了曝光场，可以获得较大的芯片尺寸；具有整个扫描过程中调节聚焦的能力，使透镜缺陷和晶圆平整度变化等够得到补偿。

5、光刻质量控制

（1）光刻胶的质量控制：主要体现在粘附性和胶膜厚度等方面；

（2）对准和曝光的质量控制：主要体现在光源的强度、光源的聚焦、图形的分辨率和投影掩膜版的质量控制上；

（3）显影检查：是为了找出光刻胶中成形图形的缺陷，继续进行随后的刻蚀或掺杂之前必须要进行检查以去除有缺陷的晶圆。

五、本章小结:

本章主要讲述了光刻工艺的基本原理、工艺流程等。光刻工艺原理部分主要讲述了光刻的概念、目的和光刻的工艺参数及光刻的环境条件要求。光刻的工艺流程部分主要讲述了光刻工艺的具体步骤及每一工艺步骤的基本原理、工艺过程和工艺操作。最后讲述了光刻的质量控制。