淺談半導(dǎo)體制造中的光刻工藝

在之前的文章里，我們介紹了晶圓制造、氧化過(guò)程和集成電路的部分發(fā)展史?，F(xiàn)在，讓我們繼續(xù)了解光刻工藝，通過(guò)該過(guò)程將電子電路圖形轉(zhuǎn)移到晶圓上。光刻過(guò)程與使用膠片相機(jī)拍照非常相似。但是具體是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？

光刻，類似于洗印黑白照片

Photolithography(光刻)簡(jiǎn)稱為“Photo”。光刻工藝因通過(guò)將圖形掩模暴露在光線下將電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移到晶圓上而得名。在晶圓上制作復(fù)制品就像在感光紙上洗印黑白底片一樣。

隨著電路圖形變得越來(lái)越密集，芯片元件也需要使用高精度納米級(jí)工藝來(lái)縮小。制作這些更精細(xì)的電路圖形完全取決于光刻工藝，因此，隨著芯片變小，高精度和先進(jìn)的光刻技術(shù)是必不可少的。

準(zhǔn)備在晶圓上繪制電路圖形

讓我們仔細(xì)看看光刻工藝。第一步是使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件(EDA)設(shè)計(jì)出要繪制到晶圓上的電路。在這個(gè)電子電路圖形的畫布上，工程師將最終給出一個(gè)精確設(shè)計(jì)的圖形，這將確定半導(dǎo)體芯片的集成度。

制造具有照片底片一樣作用的光罩

使用鉻(Cr)將微觀電路體現(xiàn)在由超純石英制成的玻璃基板上，從而將電路圖形設(shè)計(jì)制成光罩。光罩也稱為掩膜，相當(dāng)于可以反映電路圖形的膠卷，具有照片底片的功能。為了實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的圖形，光罩的設(shè)計(jì)比電路的尺寸大得多，再使用透鏡光學(xué)收縮到晶圓上。

光刻原理示意圖

光刻工藝包括涂膠、曝光和顯影。

1，涂膠：在晶圓表面涂上光刻膠(PR, Photo resist)

現(xiàn)在我們的準(zhǔn)備工作已經(jīng)完成，下一步將在晶圓上繪制圖形。首先，將光刻膠(PR，對(duì)光高度敏感)均勻地涂覆在晶圓表面上。這使得晶圓像用于洗印照片的相紙。光刻膠層需要薄而均勻，并且對(duì)紫外線高度敏感，以產(chǎn)生高質(zhì)量和精確的電路圖形。
2，曝光：通過(guò)光線在晶圓上繪制電路

利用步進(jìn)器，將光罩上的電路設(shè)計(jì)投射并用紫外線轉(zhuǎn)移到經(jīng)過(guò)涂覆光刻膠的晶圓上。這個(gè)過(guò)程稱為“步進(jìn)曝光”。由于半導(dǎo)體芯片極其精密，曝光區(qū)域是可選擇且精確受控的。

3，顯影： 形成電路圖形

光刻過(guò)程的最后一步，即顯影，與沖洗照片的過(guò)程類似。這一步至關(guān)重要，因?yàn)樗鼪Q定了晶圓上電路圖形的最終形狀。當(dāng)顯影溶液噴涂到晶圓上時(shí)，某些區(qū)域被選擇性地移除以創(chuàng)建最終圖形。

光刻膠可以是正的，也可以是負(fù)的，這取決于它對(duì)光的反應(yīng)。如果使用的是正光刻膠，顯影時(shí)會(huì)移除光線照射(曝光)的區(qū)域，留下未照射(未曝光)的區(qū)域。如果使用的是負(fù)光刻膠，則相反。

顯影步驟結(jié)束后，光刻過(guò)程就完成了。使用包括光學(xué)顯微鏡在內(nèi)的各種儀器仔細(xì)檢查晶圓，只有通過(guò)所有檢查的晶圓才能進(jìn)入下一步。

這篇文章我們介紹了光刻工藝，將精確的電路設(shè)計(jì)投射到晶圓上。請(qǐng)繼續(xù)關(guān)注本系列的下一部分，我們將了解如何通過(guò)在蝕刻過(guò)程中選擇性地去除不必要的材料，從而在晶圓上創(chuàng)建所需的電路圖形。