光刻工藝的基本步驟

傳統(tǒng)的光刻工藝是相對目前已經(jīng)或尚未應(yīng)用于集成電路產(chǎn)業(yè)的先進光刻工藝而言的，普遍認為 193nm 波長的 ArF 深紫外光刻工藝是分水嶺（見下表）。這是因為 193nm 的光刻依靠浸沒式和多重曝光技術(shù)的支撐，可以滿足從 0.13um至7nm 共9個技術(shù)節(jié)點的光刻需要。

為了將掩模版（也稱掩膜版）上的設(shè)計線路圖形轉(zhuǎn)移到硅片 上，首先需要通過曝光工藝（俗稱光刻）來實現(xiàn)轉(zhuǎn)移，然后通過刻蝕工藝得到硅圖形：由于光刻工藝區(qū)的照明采用的是感光材料不敏感的黃色光源，因此又稱黃光區(qū)。光刻技術(shù)最先應(yīng)用于印刷行業(yè)，并且是早期制造 PCB 的主要技術(shù)。

自20世紀 50年代起，光刻技術(shù)逐步成為集成電路芯片制造中圖形轉(zhuǎn)移的主流技術(shù)。光刻工藝的關(guān)鍵指標包括分辦率、靈敏度、套準精度、缺陷率等。光刻工藝中最關(guān)鍵的材料是作為感光材料的光刻膠，由于光刻膠的敏感性依賴于光源波長，所以g/i線、248nm KrF、193nm ArF?等光刻工藝需要采用不同的光刻膠材料，如i線光刻膠中最常見的重氮荼醌(DNQ）線性酚醛樹脂就不適用于 193nm 光刻工藝。

光刻膠按極性可分為正光刻膠（簡稱正膠）和負光刻膠（簡稱負膠）兩種，其性能差別在于：負光刻膠曝光區(qū)域在曝光顯影后變硬而留在圓片表面，未曝光部分被顯影劑溶解；正光刻膠經(jīng)過曝光后，曝光區(qū)域的膠連狀聚合物會因為光溶解作用而斷裂變軟，最后被顯影劑溶解，而未曝光的部分則保留在圓片表面。先進芯片的制造大都使用正光刻膠，這是因為正光刻膠能達到納米圖形尺寸所要求的高分辦率。16nm/14nm 及以下技術(shù)代在通孔和金屬層又發(fā)展出正膠負顯影技術(shù)，將末經(jīng)曝光的正光刻膠使用負顯影液清洗掉，留下曝光的光刻膠，這種方法可提高小尺寸溝槽的成像對比度。

典型的光刻工藝主要過程包括8個步驟：底膜準備 一?涂光刻膠 一?軟烘 一?對準和曝光 一 曝光后烘 ?— ?顯影?一 堅膜 一 顯影檢測。

(1）底膜準備：主要是清洗和脫水。因為任何污染物都會減弱光刻膠與硅片之間的附著力，所以徹底的清洗可以提升硅片與光刻膠之間的黏附性

(2）涂光刻膠：通過旋轉(zhuǎn)硅片的方式實現(xiàn)。不同的光刻膠要求不同的涂膠工藝參數(shù)，包括旋轉(zhuǎn)速度、膠厚度和溫度等。

(3）軟烘：通過烘烤可以提高光刻膠與硅片的黏附性，以及光刻膠厚度的均勻性，以利于后續(xù)刻蝕工藝的幾何尺寸的精密控制。

(4）對準和曝光 (Alignment and Exposure)：這是光刻工藝中最重要的環(huán)節(jié)，是指將掩模版圖形與硅片已有圖形（或稱前層圖形）對準，然后用特定的光照射，光能激活光刻膠中的光敏成分，從而將掩模版圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上。對準和曝光所用的設(shè)備為光刻機，它是整個集成電路制造工藝中單臺價格最高的工藝設(shè)備。光刻機的技術(shù)水平代表了整條生產(chǎn)線的先進程度。

(5） 曝光后烘烤 (Post Exposure Bake, PEB)：即曝光后進行短時間的烘烤處理，其作用與在深紫外光刻膠和常規(guī) i-線光刻膠中的作用有所不同。對于深紫外光刻膠，曝光及后烘去除了光刻膠中的保護成分，使得光刻膠能溶解于顯影液，因此曝光后烘是必須進行的；對于常規(guī) i-線光刻膠，后烘可提高光刻膠的黏附性并減少駐波（駐波對光刻膠邊緣形貌會有不良影響）。

(6) ? 顯影(Development)：即用顯影液溶解曝光后的光刻膠可溶解部分(正光刻膠)，將掩模版圖形準確地用光刻膠圖形顯現(xiàn)出來。顯影工藝的關(guān)鍵參數(shù)包括顯影溫度和時間、顯影液用量和濃度、清洗等，通過調(diào)整顯影中的相關(guān)參數(shù)可提高曝光與未曝光部分光刻膠的溶解速率差，從而獲得所需的顯影效果。

(7）堅膜(Hard Bake)：又稱堅膜烘焙，是將顯影后的光刻膠中剩余的溶劑、顯影液、水及其他不必要的殘留成分通過加熱蒸發(fā)去除，以提高光刻膠與硅襯底的黏附性及光刻膠的抗刻蝕能力。堅膜過程的溫度視光刻膠的不同及堅膜方法的不同而有所不同，以光刻膠圖形不發(fā)生形變?yōu)榍疤?，并?yīng)使光刻膠變得足夠堅硬。

(8）顯影檢測 ( After Development Inspection, ADI)：即檢查顯影后光刻膠圖形的缺陷。通常利用圖像識別技術(shù)，自動掃描顯影后的芯片圖形，與預存的無缺陷標準圖形進行比對，若發(fā)現(xiàn)有不同之處，就視為存在缺陷。如果缺陷超過一定的數(shù)量，則該硅片被判定未通過顯影檢測，視情況可對該硅片進行報廢或返工處理。在集成電路制造過程中，絕大多數(shù)工藝都是不可逆的，而光刻是極少數(shù)可進行返工（Rework）的一道工序。

當特征尺寸縮小時，縮短曝光的波長能滿足圖形分辦率的要求。有兩種光源被廣泛使用在光刻技術(shù)中，即水銀燈管和準分子激光。曝光的光源必須穩(wěn)定、可靠、可調(diào)整，且波長短、強度高、壽命長。特征尺寸縮小到亞微米后，必須用單一波長的光源才能達到分辨率的要求。

目前，主流的關(guān)鍵工藝層的光刻工藝主要使用深紫外光源。

審核編輯：湯梓紅