集成电路光刻工艺设计

集成电路光刻工艺设计

集成电路称为IC（Integrated Circuit），集成电路装备也已成为高技术装备产业的典型代表，中国日渐发展成为世界集成电路制造业的重要区域。在实际的集成电路生产线上，具有相同电路性能的产品会存在多个不同的工艺流程（产品版本），生产过程中，产品工程师会根据产品检测人员的监测统计数据及客户的具体要求临时增加一些工序或者改变产品的工艺流程，以保证产品的性能、合格率等。有时，产品工程师会根据硅片材质及参数的不同为产品设置临时工艺，经实践验证，若能取得较好的成效，临时工艺可能升格为一个版本。若经验证不能取得较好的成效，则不再执行此临时工艺。临时工艺更改实际上改变了产品的工艺流程或者加工过程参数（如加工时间），这类不确定性事件也会对生产线的系统性能指标产生严重影响。当前的设计过程中产生并积累了大量的相关领域知识，但是在企业的发展过程中，许多知识并没有得到很好的利用。随着市场经济的发展，企业竞争压力明显增大。客户对产品的设计和生产质量提出越来越高的要求，同时时间就是生命，企业发展的关键，如何能够在更短的时间内设计生产出高质量的产品成为当前企业发展的关键因素。因此如何提高设计过程的智能化程度成为一个重要的研究方向。另一方面，计算机辅助设计技术已经成为设计研制集成电路、优化工艺设计及分析半导体器件特性必不可少的技术手段。经过多年的不断发展，人们开发出各种CAD软件，主要应用于电路模拟和版图设计方面，但是对集成电路工艺方面的应用的比较少，而集成电路制造过程中工艺设计则作为控制和影响集成电路生产线产品质量和生产率的主要影响因素，其参数和流程的选择、调整显得尤为重要，同时为了解决设计过程中工艺调整的问题，使设计过程能够优化选择已有的设计经验并将其参数和流程，充分利用集成电路工艺设计过程中大量的已有知识，本文以集成电路光刻工艺为研究对象，对集成电路工艺设计过程中的知识重用和智能化设计进行了深入研究，将知识工程理论引入到集成电路光刻工艺中，利用已有的设计经验知识，探求知识工程在集成电路光刻工艺领域的智能设计中的运用，为集成电路工艺设计技术提供参考。

集成电路光刻工艺过程是个非常复杂的过程，在集成电路工艺中具有很重要的作用（如图1-1所示）：

第一，在整个集成电路的制造过程中需要进行多次光刻工序，光刻是加工集成电

路工艺中的关键技术，通常，光刻次数越多，就意味着工艺越复杂，光刻所能加工的线条越细，意味着工艺线水平越高。光刻工艺是完成在整个硅片上进行开窗的工作，光刻一般会耗费总成本的30%；第二，为了在提高晶体管速度的同时减小芯片面积要不断减小集成电路的特征尺寸，从而使光刻工艺成为半导体技术的瓶颈。所以光刻技术的发展对集成电路性能和生产成本的降低有很大的决定作用光刻将掩膜上的几何图形转移到覆盖在半导体晶片表面的对光辐照敏感薄膜材料（光致刻蚀剂）上去的工艺过程。典型的光刻工艺包括以下步骤（如图1-2,负胶为例）：

表面准备、涂光刻胶、软烘焙、对准和曝光、显影、硬烘焙、显影目检、刻蚀、光刻胶去除、最终目检。在光刻胶上的图形转移到前一层后，去胶后最终目检是整个光刻工艺的最后一道工序。在集成电路制造过程中，主流的光刻设备是采用紫外线的光学设备。根据曝光方式的不同可以将光刻工艺划分为：接触式、接近式和投影式，根据光刻面数不同可以划分为单面对准光刻和双面对准光刻，根据光刻胶的类型不同分为薄胶光刻和厚胶光刻等。

集成电路光刻工艺流程的特点是：1）具有鲜明的阶段性，工艺过程划分为几个不同的阶段；2）具有时序性的特点光刻工艺加工工序具有鲜明的时序性，

如曝光工艺必须在烘干之前完成；3）产品类型、规格尺寸以及性能要求完全不同，但是在生产流程方面却有很多相同之处；4）工艺流程复杂，各工艺阶段参数和设备，加工时间的要求不同，工艺阶段设计目标和依据完全不同。集成电路光刻工艺的设计依据来源于产品的特征属性，产品的特征属性表现出清晰的层次性，包括了产品层、过程层和工序层。

光刻工艺流程是由一系列工艺步骤组成的，每个工艺步骤包含数量不等的具体的加工工序。对硅片来讲，加工工序的目的主要是在硅片上形成或去掉特定尺寸的电路层，或对形成的电路层进行检测、清洗等。可根据工艺功能要求将这些工序形成标准的加工过程，成为标准加工步骤。工艺工程师可根据需要增加新的标准加工步骤。制定产品工艺流程时，工程师可根据芯片结构设计或者选择相应的标准加工步骤依次在硅片上加工完成所需的电路层。把所用到的标准加工步骤按使用的先后顺序排列起来，就形成了一个完整的工艺流程。生产线上的流动产品可能在工程师的许可下改变其原有的工艺流程，所以产品的工艺流程也存在一定程度的不确定性。对某一特定功能的芯片电路，可以存在多种可行的电路层结构设计方案。按不同的结构设计方案加工芯片所用的工艺流程可能不同，但加工的芯片具有相同的电路功能，所以一种产品可能有多个不同的工艺流程，也就是多个不同的产品版本。图1-2光刻工艺步骤（负胶光刻为例）

集成电路光刻工艺设计研究意义

集成电路光刻工艺设计是一项技术性和经验性很强的工作，集成电路光刻工艺设计往往是凭借设计人员长期的技术积累来完成的，但是相对我国当前集成电路产业迅速发展，集成电路工艺设计人才缺口巨大的现状，导致这种设计方法存在一些不足。

主要表现在：

工艺的设计占据了实质性技术工作的大部分时间，很多设计过程是以往过程的重复，而光刻设计过程是工艺设计最重要的部分，这不仅仅导致了设员劳动轻度的增大，也导致了设计效率的下降，延长了产品生产的准备时间设计过程是一个繁琐的过程，设计过程需要进行设需求的分析、设计的选取、设备选取等等，因此设计过程的繁琐束缚了设计人员的设计思想发不利于工艺设计水平的提高；工艺设计过程是一个协同的设计过程，设计过程往往需要多个部门的信馈，以得到设计过程需要关注的知识。不同的工艺员甚至同一个工艺员每次的设计也往往不同，难以保证工艺的有效性和一致性，不利于工艺知识的继承和繁衍；当前，工艺设计人员的离职、退休导致企业的工艺人员的流失，使企业积累的工艺设计知识随之流失，而年轻、缺乏经验的设计人员胜任工作需要间的积累，这都导致了企业工艺设计知识不能形成有效的积累。

因此如何有效地利用已有工艺的设计知识，并且使工艺设计过程及结果的知行有效的积累，保持知识的一致性对光刻工艺的设计具有非常重要的意义