浅谈光刻工艺_光刻工艺简介

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《浅谈光刻工艺》

匡海军

（湘潭大学材料与光电物理学院 09级测控技术与仪器三班，学号2009700931）

摘要: 光刻技术作为半导体及其相关产业发展和进步的关键技术之一。光刻是通过一系列生产步骤将晶圆表面薄膜的特定部分除去的工艺，在此之后，晶圆表面会留下带有微图形结构的薄膜。被除去的部分可能形状是薄膜内的孔或是残留的岛状部分。

关键词：光刻技术原理、光刻工艺过程、光刻三要素、下一代光刻技术

1.光刻工艺技术原理与目的“光刻”的基本原理是利用光敏的抗蚀涂层发生光化学反应，结合刻蚀方法在各种薄膜上(如Si02等绝缘膜和各种金属膜)生成合乎要求的图形，以实现选择掺杂、形成金属电极和布线或表面钝化的目的。

2.光刻工艺过程

一般的光刻工艺要经历硅片清洁处理（表面清洗烘干）、涂敷光刻胶（涂底、旋涂光刻胶）、前烘、对准曝光、显影、硬烘（坚膜）、腐蚀（刻蚀）、检测等工序。

(a)清洁处理（表面清洗烘干）：使Si02层表面清洁干燥，保证光刻胶与Si02表面有很好的粘附。为此目的，有时需要在800℃下烘焙(最好是通氧气)以进行增粘处理。采用涂增粘剂的方法也可达到同样目的。

(b)涂敷光刻胶（涂底、旋涂光刻胶）：光刻胶是一种高分子有机化合物，由光敏化合物、树脂和有机溶剂组成。加入有机溶剂是为了使光刻胶有一定的粘度，便于在Si层表面涂敷均匀。受特定波长光线的照射后，光刻胶的化学结构将发生变化。如果光刻胶受光照的区域在显影时容易除去，称之为正性胶；反之如果在显影中曝过光的胶被保留，末曝光的胶被除去，则称之为负性胶。

涂敷时将光刻胶滴在硅片上，然后使硅片高速旋转，在离心力和胶表面张力(与粘度有关)共同作用下，在表面形成一层厚度一定而且均匀的胶层。

(c)前烘：将涂好胶的硅片放于70℃左右温度下供10min，使光刻胶中溶剂缓慢、充分地挥发掉，保持光刻胶干燥。常用红外线加热或热板前烘方法。

(d)对准曝光：将光刻版(又称为掩模)放在光刻胶层上，然后用一定波长的紫外光照射，使光刻胶发生光化学反应。光刻版是一种采用玻璃制作的照相底板，光刻版上的图形就是由设计人员根据集成电路功能和特性要求设计的版图图形。

若不是第一次光刻图形，应保证本次光刻图形与硅片上已有的前几次光刻图形间的套准。

曝光方法：a、接触式曝光、b、接近式曝光、c、投影式曝光三种。

(e)显影：经过曝光后的光刻胶中受到光照的部分因发生光化学反应，大大地改变了这部分光刻胶在显影液中的溶解度。对采用负性胶的情况，未受光照的那部分光刻胶在显影中被溶解掉。

(f)硬烘（坚膜）：由于显影时胶膜被泡软，为了去除显影后胶层内残留的溶剂，使显影后的胶膜进一步变硬并使其与Si02层更好地粘附，增强其耐腐蚀性能，要将显影后的硅片放在150—200℃温度下供焙20—40mino(g)腐蚀（刻蚀）：对坚好膜的片子进行腐蚀处理。由于在Si02层上方留下的胶膜具有抗腐蚀性能，所以腐蚀时只是将没有胶膜保护的二氧化硅部分腐蚀掉。目前采用的腐蚀方法有湿法腐蚀和干法腐蚀两种。

(h)检测:主要是检查硅片表面的缺陷。通常将一个无缺陷得标准图形存于电脑中，然后用每个芯片的图形与标准相比较，出现多少不同的点，就会在硅片的defect map中显示多少个缺陷。

3.光刻三要素：光刻胶、掩膜板和光刻机

光刻胶又称光致抗蚀剂，由感光树脂、增感剂（见光谱增感染料）和溶剂三种主要成分组成的对光敏感的混合液体。感光树脂经光照后，在曝光区能很快地发生光固化反应，使得这种材料的物理性能，特别是溶解性、亲合性等发生明显变化。经适当的溶剂处理，溶去可溶性部分。光刻胶的分类：光聚合型、光分解型、光交联型。传统光刻胶：正胶和负胶。正胶（聚异戊二烯）：分辨率高，在超大规模集成电路工艺中，一般只采用正胶。负 胶(性酚醛树脂的酚醛甲醛)：分辨率差，适于加工线宽≥3m的线条。

掩膜板（光掩模板或者光罩），曝光过程中的原始图形的载体，通过曝光过程，这些图形的信息将被传递到芯片上。制造芯片时用的。

光刻机也就是光盘刻录机，简单说就是刻录碟片的电脑硬件

4.下一代光刻技术

 1.浸入式光刻技术

由公式R=k*λ/(NA)= =kλ/(n*sinα)，空气的折射率为1，水的折射率为1.47（相对于193nm的深紫外光而言）；所以，用水来代替空气，可以提高光刻系统的数值 孔径（NA，Numerical Aperture），最终可以提升分辨率。在ITRS2003版本中，增加了浸入式光刻，作为45nm节点的解决方案。近年，浸入式光刻发展非常迅猛，并 获得了产业界持续发展的信心。在ITRS2005版本中，已将浸入式光刻列为32nm甚至22nm节点的可能解决方案

挑战：气泡问题（Water Bubble）；温度不均匀（Temperature Effect）。下一步发展中的挑战在于研发高折射率的抗蚀剂、高折射率的液体和高折射率的光学材料。

 2.深紫外光刻

通过缩小光源的波长来改善分辨率。F2的准分子激光光源157nm。有望成为50～70nm的解决方案。需要同浸入式结合才有可能存在，而且可能性比较小的选择。

挑战：易被氧气吸收，需要真空环境；光强比较弱，易被透镜吸收，折射透镜系统设计非常复杂；高灵敏度的光刻胶。

 3.极紫外光刻

又称作软X射线（Soft X-ray）。极紫外光的波长为11～14nm，可以大幅提升分辨率。由于极紫外光非常容易被吸收，所以光学系统（透镜等）和掩膜板都要采用反射式传递图 形信息。光刻胶为PMMA。在ITRS2005版本中，已将EUV光刻列为32nm、22nm甚至16nm节点的可能解决方案。

挑战：极紫外光容易被吸收，必须真空环境；掩膜板很特殊，制作困难；设备的成本很高。

 4.电子束直写光刻

电子束的能量越高，波长越短。一般为0.1nm。利用尺寸非常小的电子束在光刻胶上直写，不需要掩膜板。可以用电磁场聚焦，易于控制。现在用于掩膜板的制作。光刻胶为PMMA。可以作为10nm的潜在解决方案。

挑战：因为会发生电子散射而产生临近效应；常能低，大概1片/小时。 5.电子束投影光刻

采用掩膜板的电子束投影，其产能比较高。波长约0.1nm。（在ITRS2004版本中，已经取消电子束投影光刻技术作为45nm节点以后的可能解决方案）

挑战：电子束的散射引起的临近效应。

 6.角度限制投影电子束光刻

掩膜板的基底材料是铍（Be），阻挡层是金（Au）。通过对入射电子的不同散射，使大散射 部分（通过阻挡层的电子），不会使光刻胶曝光。它的掩膜板制作比极紫外光刻容易；具有大的焦深；可以用深紫外光刻胶；100Kev的能量。（在 ITRS2004版本中，已经将PEL光刻技术撤销，因为该技术只是作为地区性的解决方案）

 7.离子束投影光刻

与电子束直写光刻技术类似。不需要掩膜板，应用高能粒子束直写。粒子束的散射没有电子束那么强，所以具有更好的分辨率。使用PMMA光刻胶。常用于：掩膜板的修复；监测和修复IC电路。（在ITRS2003版本中，已经将离子束投影光刻技术撤销）

挑战：粒子束的产生没有电子束容易；产能很低。

 8.紫外纳米压印光刻

紫外纳米压印技术是一种高产能、低成本、高分辨率的光刻技术。图形的分辨率直接决定于模板的 分辨率。主要工艺过程：模板制作、硅衬底滴胶、压印、曝光、脱模、反映离子刻蚀。图形精度可以达到5nm。ITRS2005中，紫外纳米压印作为 32nm、22nm甚至16nm的潜在解决方案。

 9.双重图形光刻

将设计版图分成两块掩膜板以降低光刻图形间距要求的技术。在ITRS2006修正版中，将双重图形光刻作为潜在的45nm光刻解决方案之一。将一套高密度的电路图分解成为两套独立的、密度低一些的图形。它的基本步骤是先印制一半的图形，显影，刻蚀；然后重新旋涂一层光刻胶，再印制另一半的图形，最后利用硬掩膜或者是选择性刻蚀来完成整个光刻过程。如果配合浸入式光刻技术，可能将推至22nm的水平

挑战：两次曝光之间的套刻精度；掩膜板的制作；产能降低。

总之，未来光刻技术的发展将会更快，技术上将会更加集中，一些没有市场前景和应用的技术将会淘汰。

参考文献

1.《微电子学概论》

2.《光刻技术的发展状况》 3.《光刻工艺》 4.《光刻工艺过程》 5.《光刻流程图》 6.《集成电路-光刻工艺》 7.百度*文库《压印光刻》 8.百度*文库《主流光刻技术》 9.百度*文库——《光刻技术新进展》 10.百度*文库《传统光刻技术》

11.百度*百科——《光刻胶》、《光刻机》 12.百度*知道——《掩膜板》