晶片光刻技術的基本原理及主要步驟

在集成電路的製造過程中，有一個重要的環節——光刻，正因為有了它，我們才能在微小的晶片上實現功能。 

根據維基百科的定義，光刻是半導體器件製造工藝中的一個重要步驟，該步驟利用曝光和顯影在光刻膠層上刻畫幾何圖形結構，然後通過刻蝕工藝將光掩模上的圖形轉移到所在襯底上。這裡所說的襯底不僅包含矽晶圓，還可以是其他金屬層、介質層，例如玻璃、SOS中的藍寶石。 

光刻技術的基本原理

光刻的基本原理是利用光致抗蝕劑（或稱光刻膠）感光後因光化學反應而形成耐蝕性的特點，將掩模板上的圖形刻制到被加工表面上。 

光刻半導體晶片二氧化矽的主要步驟是： 

1、塗布光致抗蝕劑； 

2、套準掩模板並曝光； 

3、用顯影液溶解未感光的光致抗蝕劑層； 

4、用腐蝕液溶解掉無光致抗蝕劑保護的二氧化矽層； 

5、去除已感光的光致抗蝕劑層。 

光刻技術的不斷發展從三個方面為集成電路技術的進步提供了保證： 

其一是大面積均勻曝光，在同一塊矽片上同時做出大量器件和晶片，保證了批量化的生產水平； 

其二是圖形線寬不斷縮小，使用權集成度不斷提高，生產成本持續下降； 

其三，由於線寬的縮小，器件的運行速度越來越快，使用權集成電路的性能不斷提高。隨著集成度的提高，光刻技術所面臨的困難也越來越多。

光刻技術的種類

光學光刻

光學光刻是通過廣德照射用投影方法將掩模上的大規模集成電路器件的結構圖形畫在塗有光刻膠的矽片上，通過光的照射，光刻膠的成分發生化學反應，從而生成電路圖。限制成品所能獲得的最小尺寸與光刻系統能獲得的解析度直接相關，而減小照射光源的波長是提高解析度的最有效途徑。因為這個原因，開發新型短波長光源光刻機一直是各個國家的研究熱點。目前，商業化光刻機的光源波長已經從過去的汞燈紫外光波段進入到深紫外波段（DUV），如用於0.25微米技術的分子雷射（波長為248納米）和用於0.18微米技術的準分子雷射(波長為193納米)。 

  

除此之外，根據光的幹涉特性，利用各種波前技術優化工藝參數也是提高解析度的重要手段。這些技術是運用電磁理論結合光刻實際對曝光成像進行深入的分析所取得的突破。其中有移相掩膜、離軸照明技術、鄰近效應校正等。運用這些技術，可在目前的技術水平上獲得更高解析度的光刻圖形。如1999年初Canon公司推出的FPA-1000ASI掃描步進機，該機的光源為193納米，通過採用波前技術，可在300毫米矽片上實現0.13微米光刻線寬。 

光刻技術是包含光刻機、掩模、光刻材料等一系列技術，涉及光、機、電、物理、化學、材料等多個研究方向。目前科學家正在探索更短波長的F2雷射（波長為157納米）光刻技術。由於大量的光吸收，獲得用於光刻系統的新型光學及掩模襯底材料是該波段技術的主要困難。光科技束是很多學科的綜合，任何一門學科的突破就能對光刻技術的發展做出巨大貢獻。  

電子束光刻

電子束光刻技術是微型技術加工發展的關鍵技術,他在納米製造領域中起著不可替代的作用。電子束光刻主要是刻畫微小的電路圖，電路通常是以納米微單位的。 

隨著中國納米技術和納米電子學的蓬勃發展,納米加工技術的研究越來越重要,而電子束光刻技術將是納米結構圖形加工中非常重要的手段。電子束光刻技術要應用於納米尺度微小結構的加工和集成電路的光刻,必須解決幾個關鍵的技術問題:電子束高精度掃描成像曝光效率低;電子在抗蝕劑和基片中的散射和背散射現象造成的鄰近效應;在實現納米尺度加工中電子抗蝕劑和電子束曝光及顯影、刻蝕等工藝技術問題。 

  

實踐證明,電子束鄰近效應校正技術、電子束曝光與光學曝光系統的匹配和混合光刻技術及抗蝕劑曝光工藝優化技術的應用,是一種提高電子束光刻系統實際光刻分辨能力非常有效的辦法。電子束光刻最主要的就是金屬化剝離，第一步是在光刻膠表面掃描到自己需要的圖形。第二部是將曝光的圖形進行顯影，去除未曝光的部分，第三部在形成的圖形上沉澱金屬，第四部將光刻膠去除，在金屬剝離的過程中，關鍵在於光刻工藝的膠型控制。最好使用厚膠，這樣有利於膠劑的滲透，形成清晰的形貌。 

聚焦粒子束光刻

聚焦離子束(Focused Ion beam, FIB)的系統是利用電透鏡將離子束聚焦成非常小尺寸的顯微切割儀器，她的原理與電子束光刻相近，不過是有電子變成離子。目前商業用途系統的離子束為液態金屬離子源，金屬材質為鎵，因為鎵元素具有熔點低、低蒸氣壓、及良好的抗氧化力；典型的離子束顯微鏡包括液相金屬離子源、電透鏡、掃描電極、二次粒子偵測器、5-6軸向移動的試片基座、真空系統、抗振動和磁場的裝置、電子控制面板、和計算機等硬設備，外加電場於液相金屬離子源 可使液態鎵形成細小尖端，再加上負電場(Extractor) 牽引尖端的鎵，而導出鎵離子束，在一般工作電壓下，尖端電流密度約為1埃10-8 Amp/cm2，以電透鏡聚焦，經過一連串變化孔徑 (Automatic Variable Aperture, AVA)可決定離子束的大小，再經過二次聚焦至試片表面，利用物理碰撞來達到切割之目的。 

在成像方面，聚焦離子束顯微鏡和掃描電子顯微鏡的原理比較相近，其中離子束顯微鏡的試片表面受鎵離子掃描撞擊而激發出的二次電子和二次離子是影像的來源，影像的解析度決定於離子束的大小、帶電離子的加速電壓、二次離子訊號的強度、試片接地的狀況、與儀器抗振動和磁場的狀況，目前商用機型的影像解析度最高已達 4nm，雖然其解析度不及掃描式電子顯微鏡和穿透式電子顯微鏡，但是對於定點結構的分析，它沒有試片製備的問題，在工作時間上較為經濟。 

聚焦離子束投影曝光除了前面已經提到的曝光靈敏度極高和沒有鄰近效應之外還包括焦深大於曝光深度可以控制。離子源發射的離子束具有非常好的平行性，離子束投影透鏡的數值孔徑只有0.001，其焦深可達100μm，也就是說，矽片表面任何起伏在100μm之內，離子束的分辨力基本不變。而光學曝光的焦深只有1～2μm為。她的主要作用就是在電路上進行修補 ，和生產線製成異常分析或者進行光阻切割。 

移相掩模

光刻解析度取決於照明系統的部分相干性、掩模圖形空間頻率和襯比及成象系統的數值孔徑等。相移掩模技術的應用有可能用傳統的光刻技術和i線光刻機在最佳照明下刻劃出尺寸為傳統方法之半的圖形，而且具有更大的焦深和曝光量範圍。例如使用PSM，在NA=0.5，λ=248nm，解析度可達0.15um；NA=0.6，λ=365nm，實際解析度可達0.2um。相移掩模方法有可能克服線/間隔圖形傳統光刻方法的局限性。 

隨著移相掩模技術的發展,湧現出眾多的種類, 大體上可分為交替式移相掩膜技術、衰減式移相掩模技術；邊緣增強型相移掩模, 包括亞解析度相移掩模和自對準相移掩模；無鉻全透明移相掩模及複合移相方式( 交替移相+ 全透明移相+ 衰減移相+ 二元鉻掩模) 幾類。尤其以交替型和全透明移相掩模對解析度改善最顯著, 為實現亞波長光刻創造了有利條件。全透明移相掩模的特點是利用大於某寬度的透明移相器圖形邊緣光相位突然發生180度變化, 在移相器邊緣兩側衍射場的幹涉效應產生一個形如「刀刃」光強分布, 並在移相器所有邊界線上形成光強為零的暗區, 具有微細線條一分為二的分裂效果, 使成像解析度提高近1 倍。 

光學曝光技術的潛力, 無論從理論還是實踐上看都令人驚嘆, 不能不刮目相看。其中利用控制光學曝光過程中的光位相參數, 產生光的幹涉效應,部分抵消了限制光學系統解析度的衍射效應的波前面工程為代表的解析度增強技術起到重要作用, 包括: 移相掩模技術、光學鄰近效應校正技術、離軸照明技術、光瞳空間濾波技術、駐波效應校正技術、離焦迭加增強曝光技術、表面成像技術及多級膠結構工藝技術。在實用化方面取得最引人注目進展的要數移相掩模技術、光學鄰近效應校正技術和離軸照明技術, 尤其浸沒透鏡曝光技術上的突破和兩次曝光技術的應用, 為解析度增強技術的應用更創造了有利條件。

X射線光刻

軟Ｘ射線投影光刻作為特徵線寬小於０．１μｍ的集成電路製造技術，倍受日美兩個集成電路製造設備生產大國重視。隨著用於軟Ｘ射線投影光刻的無汙染雷射等離子體光源、高解析度大視場投影光學系統、無應力光學裝調工藝、深亞納米級鏡面加工和多層膜製備、低缺陷反射式掩膜、表面成像光刻膠、精密掃描機構等關鍵技術均取得了突破。

光刻技術的詳細工序

一、清洗矽片（Wafer Clean） 

清洗矽片的目的是去除汙染物去除顆粒、減少針孔和其它缺陷，提高光刻膠黏附性 

基本步驟：化學清洗——漂洗——烘乾。  

矽片經過不同工序加工後，其表面已受到嚴重沾汙，一般講矽片表面沾汙大致可分在三類： 

1、有機雜質沾汙： 可通過有機試劑的溶解作用，結合超聲波清洗技術來去除。 

2、顆粒沾汙：運用物理的方法可採機械擦洗或超聲波清洗技術來去除粒徑 ≥ 0.4 μm顆粒，利用兆聲波可去除 ≥ 0.2 μm顆粒。 

3、金屬離子沾汙：必須採用化學的方法才能清洗其沾汙，矽片表面金屬雜質沾汙有兩大類： 

a. 一類是沾汙離子或原子通過吸附分散附著在矽片表面。 

b. 另一類是帶正電的金屬離子得到電子後面附著（尤如「電鍍」）到矽片表面。 

矽拋光片的化學清洗目的就在於要去除這種沾汙。 

二、預烘和底膠塗覆（Pre-bake and Primer Vapor） 

由於光刻膠中含有溶劑，所以對於塗好光刻膠的矽片需要在80度左右的。矽片脫水烘焙能去除圓片表面的潮氣、增強光刻膠與表面的黏附性、通常大約100 °C。這是與底膠塗覆合併進行的。 

底膠塗覆增強光刻膠(PR)和圓片表面的黏附性。廣泛使用: (HMDS)六甲基二矽胺、在PR旋轉塗覆前HMDS蒸氣塗覆、PR塗覆前用冷卻板冷卻圓片。 

三、光刻膠塗覆（Photoresist Coating） 

光刻膠塗覆通常的步驟是在塗光刻膠之前，先在900-1100度溼氧化。氧化層可以作為溼法刻蝕或B注入的膜版。作為光刻工藝自身的第一步，一薄層的對紫外光敏感的有機高分子化合物，即通常所說的光刻膠，要塗在樣品表面(SiO2)。首先光刻膠被從容器中取出滴布到置於塗膠機中的樣品表面，(由真空負壓將樣品固定在樣品臺上)，樣品然後高速旋轉，轉速由膠粘度和希望膠厚度確定。在這樣的高速下，膠在離心力的作用下向邊緣流動。 

塗膠工序是圖形轉換工藝中最初的也是重要的步驟。塗膠的質量直接影響到所加工器件的缺陷密度。為了保證線寬的重複性和接下去的顯影時間，同一個樣品的膠厚均勻性和不同樣品間的膠厚一致性不應超過±5nm(對於1.5um膠厚為±0.3%)。 

光刻膠的目標厚度的確定主要考慮膠自身的化學特性以及所要複製圖形中線條的及間隙的微細程度。太厚膠會導致邊緣覆蓋或連通、小丘或田亙狀膠貌、使成品率下降。在MEMS中、膠厚(烤後)在0.5-2um之間，而對於特殊微結構製造，膠厚度有時希望1cm量級。在後者，旋轉塗膠將被鑄膠或等離子體膠聚合等方法取代。常規光刻膠塗布工序的優化需要考慮滴膠速度、滴膠量、轉速、環境溫度和溼度等，這些因素的穩定性很重要。  

四、前烘（Soft Bake） 

完成光刻膠的塗抹之後，需要進行軟烘乾操作，這一步驟也被稱為前烘。前烘能夠蒸發光刻膠中的溶劑溶劑、能使塗覆的光刻膠更薄。 

在液態的光刻膠中，溶劑成分佔65％－85％。雖然在甩膠之後，液態的光刻膠已經成為固態的薄膜，但仍有10％－30％的溶劑，容易沾汙灰塵。通過在較高溫度下進行烘培，可以使溶劑從光刻膠中揮發出來（前烘後溶劑含量降至5％左右），從而降低了灰塵的沾汙。同時，這一步驟還可以減輕因高速旋轉形成的薄膜應力，從而提高光刻膠 襯底上的附著性。

在前烘過程中，由於溶劑揮發，光刻膠厚度也會減薄，一般減薄的幅度為10％－20％左右。 

五、對準（Alignment）

光刻對準技術是曝光前一個重要步驟作為光刻的三大核心技術之一，一般要求對準精度為最細線寬尺寸的 1/7---1/10。隨著光刻分辨力的提高 ，對準精度要求也越來越高 ，例如針對 45am線寬尺寸 ，對準精度要求在5am 左右。 

受光刻分辨力提高的推動 ，對準技術也經歷 迅速而多樣的發展 。從對準原理上及標記結 構分類 ，對準技術從早期的投影光刻中的幾何成像對準方式 ，包括視頻圖像對準、雙目顯微鏡對準等，一直到後來的波帶片對準方式 、幹涉強度對準 、雷射外差幹涉以及莫爾條紋對準方式 。從對準信號上分 ，主要包括標記的顯微圖像對準 、基於光強信息的對準和基於相位信息對準。 

  

對準法則是第一次光刻只是把掩膜版上的Y軸與晶園上的平邊成90，如圖所示。接下來的掩膜版都用對準標記與上一層帶有圖形的掩膜對準。對準標記是一個特殊的圖形（見圖），分布在每個晶片圖形的邊緣。經過光刻工藝對準標記就永遠留在晶片表面，同時作為下一次對準使用。 

對準方法包括： 

a、預對準，通過矽片上的notch或者flat進行雷射自動對準 

b、通過對準標誌，位於切割槽上。另外層間對準，即套刻精度,保證圖形與矽片上已經存在的圖形之間的對準。 

六、曝光（Exposure） 

在這一步中，將使用特定波長的光對覆蓋襯底的光刻膠進行選擇性地照射。光刻膠中的感光劑會發生光化學反應，從而使正光刻膠被照射區域（感光區域）、負光刻膠未被照射的區域（非感光區）化學成分發生變化。這些化學成分發生變化的區域，在下一步的能夠溶解於特定的顯影液中。 

在接受光照後，正性光刻膠中的感光劑DQ會發生光化學反應，變為乙烯酮，並進一步水解為茚並羧酸（Indene-Carboxylic-Acid, CA），羧酸在鹼性溶劑中的溶解度比未感光部分的光刻膠高出約100倍，產生的羧酸同時還會促進酚醛樹脂的溶解。利用感光與未感光光刻膠對鹼性溶劑的不同溶解度，就可以進行掩膜圖形的轉移。 

曝光方法： 

a、接觸式曝光（Contact Printing）掩膜板直接與光刻膠層接觸。

b、接近式曝光（Proximity Printing）掩膜板與光刻膠層的略微分開，大約為10～50μm。

c、投影式曝光（Projection Printing）。在掩膜板與光刻膠之間使用透鏡聚集光實現曝光。

d、步進式曝光(Stepper)

七、顯影(development) 

通過在曝光過程結束後加入顯影液，正光刻膠的感光區、負光刻膠的非感光區，會溶解於顯影液中。這一步完成後，光刻膠層中的圖形就可以顯現出來。為了提高解析度，幾乎每一種光刻膠都有專門的顯影液，以保證高質量的顯影效果。 

顯影工序使將在曝光過程中形成的隱性圖形成為光刻膠在與不在的顯性圖形，以作為下一步加工的膜版。顯影中進行的是選擇性溶解的過程，最重要的是曝光區和未曝光區之間溶解率的比值(DR)。商用正膠有大於1000的DR比，在曝光區溶解速率為3000nm/min，在未曝光區只有幾nm/min。 

現在有二種顯影方法，一是溼顯影，他IC和微加工中正廣泛使用，另一種是幹顯影。 

  

八、堅膜 （Hard Bake） 

刻膠顯影完成後，圖形就基本確定，不過還需要使光刻膠的性質更為穩定。硬烘乾可以達到這個目的，這一步驟也被稱為堅膜。在這過程中，利用高溫處理，可以除去光刻膠中剩餘的溶劑、增強光刻膠對矽片表面的附著力，同時提高光刻膠在隨後刻蝕和離子注入過程中的抗蝕性能力。另外，高溫下光刻膠將軟化，形成類似玻璃體在高溫下的熔融狀態。這會使光刻膠表面在表面張力作用下圓滑化，並使光刻膠層中的缺陷（如針孔）減少，這樣修正光刻膠圖形的邊緣輪廓。 

用O2等離子體對樣品整體處理，以清除顯影后可能的非望殘留叫de-scumming。特別是負膠但也包括正膠，在顯影后會在原來膠-基板界面處殘留聚合物薄層，這個問題在結構小於1um或大深-寬比的結構中更為嚴重。當然在De-scumming過程中留膠厚度也會降低，但是影響不會太大。 

最後，在刻蝕或鍍膜之前需要硬烤以去除殘留的顯影液和水，並退火以改善由於顯影過程滲透和膨脹導致的界面接合狀況。同時提高膠的硬度和提高抗刻蝕性。硬烤溫度一般高達120度以上，時間也在20分左右。主要的限制是溫度過高會使圖形邊緣變差以及刻蝕後難以去除。 

九、刻蝕或離子注入 

刻蝕是半導體器件製造中利用化學途徑選擇性地移除沉積層特定部分的工藝。刻蝕對於器件的電學性能十分重要。如果刻蝕過程中出現失誤，將造成難以恢復的矽片報廢，因此必須進行嚴格的工藝流程控制。半導體器件的每一層都會經歷多個刻蝕步驟。

刻蝕一般分為電子束刻蝕和光刻，光刻對材料的平整度要求很高，因此，需要很高的清潔度。 但是，對於電子束刻蝕，由於電子的波長極短，因此解析度與光刻相比要好的多。 因為不需要掩模板，因此對平整度的要求不高，但是電子束刻蝕很慢，而且設備昂貴。

對於大多數刻蝕步驟，晶圓上層的部分位置都會通過「罩」予以保護，這種罩不能被刻蝕，這樣就能對層上的特定部分進行選擇性地移除。在有的情況中，罩的材料為光阻性的，這和光刻中利用的原理類似。而在其他情況中，刻蝕罩需要耐受某些化學物質，氮化矽就可以用來製造這樣的「罩」。 

離子注入是一種將特定離子在電場裡加速，然後嵌入到另一固體材料之中的技術手段。使用這個技術可以改變固體材料的物理化學性質，現在已經廣泛應用於半導體器件製造和某些材料科學研究。離子注入可以導致核轉變，或改變某些固體材料的晶體結構。 

十、光刻膠的去除 

光刻膠的主要功能是在整個區域進行化學或機械處理工藝時，保護光刻膠下的襯底部分。所以當以上工藝結束之後，光刻膠應全部去除，這一步驟簡稱去膠。只有那些高溫穩定的光刻膠，例如光敏感聚醯亞胺，可以作為中間介質或緩衝塗層而留在器件上。 

為避免對被處理表面的任何損傷，應當使用低溫下溫和的化學方法。超聲波的應用也可以增強剝離效能。因為有腐蝕問題、一些已知的剝離液不能作用與鋁等金屬表面；在此情況下、臭氧或氧等離子體(灰化)是首先採用的。這些等離子體同樣成功地作為非鋁表面的光刻交剝離劑，但是，器件表面的損壞仍是要解決的問題。 

刻蝕或離子注入之後，已經不再需要光刻膠作保護層，可以將其除去。 

去膠的方法分類如下： 

溼法去膠：a、有機溶劑去膠：利用有機溶劑除去光刻膠；b、無機溶劑：通過使用一些無機溶劑，將光刻膠這種有機物中的碳元素氧化為二氧化碳，進而而將其除去 

幹法去膠：利用等離子體將光刻膠剝除。 

除了這些主要的工藝以外，還經常採用一些輔助過程，比如進行大面積的均勻腐蝕來減小襯底的厚度，或者去除邊緣不均勻的過程等等。一般在生產半導體晶片或者其它元件時，一個襯底需要多次重複光刻。

責任編輯：xj

原文標題：晶片光刻技術解讀

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