光刻的分類(lèi)和工藝流程

光刻工藝：與小時(shí)候玩的“日光照相”原理相似，光刻包括曝光裝置、感光材料的光刻膠、有版圖的掩膜版，還包括涂膠顯影工藝。

圖1、光刻工藝的流程

光刻的工藝流程主要如圖1所示，首先，在準(zhǔn)備刻蝕的薄膜上面涂上光刻膠，

該工序使用涂膠裝置(涂膠機(jī))。為了去除光刻膠中含有的溶劑，在70 ~ 90°C的溫度下進(jìn)行前烘(Pre -Bake)。在曝光裝置上“繪制”掩膜圖形。接下來(lái)進(jìn)行顯影，只留下必要的光刻膠。之后，為了完全去除顯影液和清洗液成分，增強(qiáng)與刻蝕物的附著性，在100℃左右進(jìn)行后烘(Past Bake)。有時(shí)候，前烘被稱(chēng)為較烘，后烘被稱(chēng)為硬烘。這是系列化的光刻流程。

如上所述，光刻只是創(chuàng)建光刻膠的圖形。從這個(gè)意義來(lái)說(shuō)，光刻與草圖或素插相當(dāng)，刻蝕和灰化是實(shí)際繪畫(huà)的過(guò)程。

接觸式曝光：將掩膜版與晶圓接觸進(jìn)行曝光，光學(xué)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、價(jià)格較低，缺點(diǎn)是晶圓上的灰塵會(huì)黏到掩膜版上以及硅片會(huì)劃傷掩膜版。此外，接觸式曝光需要掩膜版覆蓋晶圓的全部區(qū)域，曝光圖形是1：1復(fù)制，因此，曝光精度不高，一般在微米量級(jí)。

圖2、接觸式曝光示意圖

縮小投影：為解決接觸式曝光的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了縮小投影曝光的方法，該方法已經(jīng)實(shí)用化。使用光學(xué)系統(tǒng)將掩膜版圖案縮小復(fù)制到晶圓上，因此不會(huì)有灰塵黏附以及刮傷掩膜版的問(wèn)題。由于光刻圖形通常縮小到1/4或者1/5，因此可以大大提高光刻的精度。

但不能像接觸式曝光一樣，晶圓和掩膜版固定不動(dòng)，投影式曝光晶圓與掩膜版都會(huì)移動(dòng)，有步進(jìn)、重復(fù)曝光、掃描晶圓的方法。

圖3、縮小投影曝光示意圖

電子束曝光：該方法式將圖形轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)，使用電子束曝光設(shè)備直接將圖案復(fù)制到光刻膠上，光刻精度很高，但是價(jià)格昂貴、耗時(shí)較長(zhǎng)，難以量產(chǎn)。

推動(dòng)微細(xì)化的曝光技術(shù)的演變

未來(lái)推進(jìn)微細(xì)化，光的波長(zhǎng)需要變短，因此需要開(kāi)發(fā)相應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)以及光刻膠。

分辨率：

λ：曝光波長(zhǎng)

NA：鏡頭光圈（Numerical Aperture）

k：取決于工藝參數(shù)

為了提高分辨率

1、λ短波長(zhǎng)→光源；

2、NA增大→鏡頭系統(tǒng)的改進(jìn)

3、k因子改進(jìn)→光刻膠改進(jìn)和其它超分辨技術(shù)

焦深：可以看成是對(duì)焦的深度，焦深較大時(shí)，在焦深范圍內(nèi)，即使晶圓表面有臺(tái)階，在臺(tái)階上下轉(zhuǎn)移圖形也不會(huì)有差異；但如果焦深較小，則存在問(wèn)題。

為了提高分辨率，應(yīng)減小λ，NA增大時(shí)，焦深變小。焦深變小，會(huì)導(dǎo)致有臺(tái)階的圖形曝光異常，因此，CMP技術(shù)也很重要。

光源和曝光設(shè)備的歷史：

為了提高分辨率，曝光波長(zhǎng)的變短是必要的。分辨率的提高依賴(lài)于光源、光刻膠、光學(xué)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。在1um到亞微米之間，高壓汞燈的G線（G-line）被使用。半微米到亞半微米之間，統(tǒng)同一高壓水銀燈的I線（I-Line）被使用。

圖4、曝光光源的歷史

之后，0.35um和0.25um以下使用KrF準(zhǔn)分子激光的246nm光源，從0.1um以下的90nm節(jié)點(diǎn)開(kāi)始使用ArF準(zhǔn)分子激光器的193nm光源，而且進(jìn)入ArF浸液和雙重圖形的時(shí)代。

掩膜版和防塵薄膜

掩膜版：掩膜版微電子制造過(guò)程中的圖形轉(zhuǎn)移母版，掩膜版的作用是將設(shè)計(jì)者的電路圖形通過(guò)曝光的方式轉(zhuǎn)移到下游行業(yè)的基板或晶圓上，從而實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。作為光刻復(fù)制圖形的基準(zhǔn)和藍(lán)本，掩膜版是連接工業(yè)設(shè)計(jì)和工藝制造的關(guān)鍵，掩膜版的精度和質(zhì)量水平會(huì)直接影響最終下游制品的優(yōu)品率。

掩膜基板材料：合成石英為主，原材料主要依靠進(jìn)口。

光刻是將掩膜版上的圖形精確地轉(zhuǎn)移到光刻膠上，所以如果掩膜版上有缺陷，也會(huì)全部轉(zhuǎn)移到光刻膠上。掩膜版是在透光的石英基板上用鉻（Cr）作為遮光材料，形成一定的圖形。如果鉻膜有缺陷、劃痕、灰塵或顆粒，都會(huì)導(dǎo)致圖形缺陷，降低半導(dǎo)體器件的成品率。掩膜版的制造、檢查和管理是前段制程生產(chǎn)線的重要課題。隨著微細(xì)化的發(fā)展，相移掩膜和OPC等掩膜版的結(jié)構(gòu)也變得越來(lái)越復(fù)雜。 相移掩膜（PSM，Phase Shift Mask）：在掩膜板上，周期性地在相鄰的圖形、中，每隔一個(gè)圖形特征對(duì)掩膜板的結(jié)構(gòu)（減薄或者加厚）進(jìn)行改變，使相鄰圖形的相位相差180度，從而可以達(dá)到提升分辨率的目的，相移掩膜板技術(shù)使掩膜板的制作難度和成本大幅增加。

OPC（Optical Proximity Effect Correction）的縮寫(xiě)，光學(xué)臨近效應(yīng)矯正。在曝光過(guò)程中，往往會(huì)因?yàn)楣鈱W(xué)臨近效應(yīng)使最后的圖形質(zhì)量下降：線寬的變化；轉(zhuǎn)角的圓化；線長(zhǎng)的縮短等。因此，需要在掩膜版上形成用于矯正圖形的輔助圖案，以以制光的臨近效應(yīng)并提高分辨率。

防塵薄膜：防塵薄膜是為了防止光學(xué)掩模版上的顆粒造成圖形缺陷的薄膜，在掩膜版上幾mm的位置上，在邊框上粘一層薄薄的透明膜，這樣即使有顆粒，在防塵膜上也不會(huì)對(duì)曝光圖形造成影響。因?yàn)檠谀ぐ媾c防塵膜是分開(kāi)的，一般保護(hù)膜距離基板距離為6 mm，而光刻機(jī)的焦深最多100~200 nm，當(dāng)顆粒投影到晶圓表面時(shí)會(huì)失焦(defocus)，在晶圓表面形成一個(gè)模糊的像，對(duì)晶圓表面條紋影響較小。

圖7、掩膜版和防灰薄膜的關(guān)系

審核編輯：郭婷