浅议光刻工艺

浅议光刻工艺

摘要：

光刻是半导体器件制造工艺中的一个重要步骤，该步骤利用曝光和显影在光刻胶层上刻画几何图形结构，然后通过刻蚀工艺将光掩模上的图形转移到衬底上。这里所说的衬底不仅包含硅晶圆，还可以是其他金属层、介质层，例如玻璃、SOS 中的蓝宝石。传统的光刻技术是一种利用类似于照相复制的曝光与刻蚀相结合的技术，通过曝光和显影工序把集成电光刻掩模版的版图图形转移到光刻胶上，然后通过刻蚀工艺再转移到基片（如硅片）上，在基片表面生成微、纳米尺度的集成电路图形层。其他微、纳米加工领域也都借用半导体集成电路的工艺技术，尤其利用光刻技术实现微、纳米尺度的制造。

关键词：

微纳加工，光刻，半导体

一. 光刻的主要过程

首先，在涂抹光刻胶之前，硅衬底一般需要进行预处理。一般情况下，衬底表面上的水分需要蒸发掉，这一步通过脱水烘培来完成。此外，为了提高光刻胶在衬底表面的附着能力，还会在衬底表面涂抹化合物。目前应用的比较多的是六甲基乙硅氮烷、三甲基甲硅烷基二乙胺等。然后在这层化合物上覆上一层光刻胶，在这一步中，需要将光刻胶均匀、平整地分布在衬底表面上。完成光刻胶的涂抹之后，需要进行软烘干操作，这一步骤也被称为前烘。虽然在甩胶之后，液态的光刻胶已经成为固态的薄膜，但仍有10%-30%的溶剂，容易沾污灰尘。通过在较高温度下进行烘培，可以使溶剂从光刻胶中挥发出来（前烘后溶剂含量降至5%左右），从而降低了灰尘的沾污。同时，这一步骤还可以减轻因高速旋转形成的薄膜应力，从而提高光刻胶在衬底上的附着性。这层光阻剂在曝光（一般是紫外线）后可以被特定溶液（显影液）溶解，使特定的光波穿过光掩膜照射在光刻胶上，可以对光刻胶进行选择性照射（曝光）。然后使用前面提到的显影液，溶解掉被照射的区域，这样，光掩模上的图形就呈现在光刻胶上。通常还将通过烘干措施，改善剩余部分光刻胶的一些性质。

上述步骤完成后，就可以对衬底进行选择性的刻蚀或离子注入过程，未被溶解的光刻胶将保护衬底在这些过程中不被改变。

刻蚀或离子注入完成后，将进行光刻的最后一步，即将光刻胶去除，以方便进行半导体器件制造的其他步骤。通常，半导体器件制造的整个过程中，会进行很多次光刻流程。生产复杂集成电路的工艺过程中可能需要进行多达50步光刻，而生产薄膜所需的光刻次数会少一些。

图1.光刻过程

二. 光刻技术的优点及发展障碍

光刻的优点是它可以精确地控制形成图形的形状、大小，此外它可以同时在整个芯片表面产生外形轮廓。不过，其主要缺点在于它必须在平面上使用，在不平的表面上它的效果要差一些。此外它还要求衬底具有极高的清洁条件。下面我们就几种光刻技术的优点以及瓶颈进行阐述。

1. 传统光学光刻

通常情况下，对一台光学投影光刻系统而言，极限指的是光刻分辨力的物理极限。光刻分辨力R可以用瑞利公式表示为

R =k1λ/NA (1)

式中：k1为工艺因子；λ为曝光波长；NA为投影光刻物镜的数值孔径。从式(1)可以看出，提高光刻分辨力可以通过缩短波长、降低工艺因子和提高投影物镜的数值孔径NA来实现。随着半导体技术的进一步发展，传统的光学投影光刻技术的分辨力已经达到了物理极限，要进一步降低分辨力，无论从技术还是经济上都面临着巨大的困难和挑战。下面分析传统投影光刻分辨力的极限及相应的改进措施。

1.1 降低工艺因子(k1)

对于大生产环境，通常的工艺因子k1多为0.7左右；对于实验环境，工艺因子k1则降低到0.5左右。降低工艺因子的途径主要有OAI(离轴照明)、PSM (移相掩模)及OPC(光学邻近效应校正)等几方面。要达到超工艺因子k1值成像，就只有当掩模设计、照明条件和抗蚀剂工艺同时达到最佳化时才能实现。经过近10年的努力，人们通过采用OAI、PSM、OPC等光学工程，已经使工艺因子k1在生产环境中达到了0.4，而且上述因素组合正在将工艺因子k1提高到0.3乃至更小，当k1值降低到0.25时就达到了物理极限。

1.2 缩短曝光波长(λ)

在缩短波长方面，经历了g线(436 nm)→i线(365 nm)→远紫外线(248 nm的KrF准分子激光光源)→深紫外线(193 nm的ArF准分子激光光源)4个阶段。如果采用更短的波长，则需要非常复杂的光源系统，相应的光刻物镜需要昂贵的纯石英和氟化钙等材料，同时物镜设计、加工和装配技术所需要的精度也更高，因此要花费很大的代价。与此同时，波长越来越短又造成了焦深的大大减小，从而带来一系列问题，尽管现在仍在向更短波长的157nm的准分子激光光源进军，但人们不得不考虑其成本剧增带来的局限性。

1.3 提高物镜的数值孔径(NA)

在增大镜头的数值孔径方面，目前最新推出的193nm ArF光刻机的数值孔径

已达0.85，比最初的0.28增大了300%。非浸没式光刻物镜的数值孔径至此也已经接近了物理极限，再进一步提高几乎不可能。2001年，美国麻省理工学院林肯实验室的M．Switkes和M．Rothsehild首次提出将浸没式透镜用于光刻机的物镜设计中，随后成为研究热点。Nikon、Canon、ASML等大公司都做了这方面的研究，并于2003年2月的SPIE会议上公开了各自的研究成果，其NA达到了1.3；2004至2006年，它们又一次将NA 刷新到1.44；截止到2007年，Canon公司已经将NA 做到了1.64。但必须看到浸没式光刻的多个弊端，如控制液体气泡的污染、抗蚀剂与流体或面漆的相容性等，这都使得浸没式光刻的进一步发展受到了一定的限制。

2. 新型光刻技术

2.1准分子光刻技术

准分子光刻技术作为当前主流的光刻技术，其中193nm浸没式光刻技术是所有光刻技术中最为长寿且最富有竞争力的，也是目前如何进一步发挥其潜力的研究热点。传统光刻技术光刻胶与曝光镜头之间的介质是空气，而浸没式技术则是将空气换成液体介质。实际上，由于液体介质的折射率相比空气介质更接近曝光透镜镜片材料的折射率，等效地加大了透镜口径尺寸与数值孔径，同时可以显著提高焦深和曝光工艺的容度，浸没式光刻技术正是利用这个原理来提高其分辨率。浸没式光刻技术所面临的挑战主要有：如何解决曝光中产生的气泡和污染等缺陷的问题；研发和水具有良好的兼容性且折射率大于1.8的光刻胶的问题；研发折射率较大的光学镜头材料和浸没液体材料；以及有效数值孔径NA值的拓展等问题。针对这些难题挑战，国内外学者以及一些公司已经做了相关研究并提出相应的对策。浸没式光刻机将朝着更高数值孔径发展，以满足更小光刻线宽的要求。

2.2电子束光刻技术

电子束光刻技术是利用电子枪所产生的电子束，通过电子光柱的各极电磁透镜聚焦、对中、各种象差的校正、电子束斑调整、电子束流调整、电子束曝光对准标记检测、电子束偏转校正、电子扫描场畸变校正等一系列调整，最后通过扫描透镜根据电子束曝光程序的安排，在涂布有电子抗蚀剂（光刻胶）的基片表面上扫描写出所需要的图形。电子束光刻基本上分两大类，一类是大生产光掩模版制造的电子束曝光系统，另一类是直接在基片上直写纳米级图形的电子束光刻系统。电子束光刻技术起源于扫描电镜，最早由德意志联邦共和国杜平根大学的G.Mollenstedt等人在20世纪60年代提出。

电子束曝光的波长取决于电子能量，电子能量越高，曝光的波长越短，因而电子束光刻不受衍射极限的影响，所以电子束光刻可获得接近于原子尺寸的分辨率。但是，由于电子束入射到抗蚀剂及基片上时，电子会与固体材料的原子发生“碰撞”产生电子散射现象，包括前散射和背散射电子，这些散射电子同样也参与“曝光”，前散射电子波及范围可在几十纳米，从基片上返回抗蚀剂中背散射电子可波及到几十微米之远。所有实际电子束曝光、显影后图形的边缘要往外扩展，这就是所谓的“电子束邻近效应”。同时，半导体基片上如果有绝缘的介质膜，电子通过它时也会产生一定量的电荷积累，这些积累的电荷同样会排斥后续曝光的电子，产生偏移，而不导电的绝缘体（如玻璃片）肯定不能采用电子束曝光。还有空间交变磁场、实验室温度变化等都会引起电子束曝光产生“漂移”现象。因此，即使拥有2 nm电子束斑的曝光系统，要曝光出50nm以下的图形结构也不容易。麻省理工学院（MIT）已经采用的电子束光刻技术分辨率将推进到