光刻技術(shù)概述及其分類

來源：半導(dǎo)體工藝與設(shè)備

光刻是一種圖像復(fù)制技術(shù)，是集成電路工藝中至關(guān)重要的一項工藝。簡單地說，光刻類似照相復(fù)制方法，即將掩膜版上的圖形精確地復(fù)制到涂在硅片表面的光刻膠或其他掩蔽膜上面，然后在光刻膠或其他掩蔽膜的保護下對硅片進行離子注入、刻蝕、金屬蒸鍍等。

光刻技術(shù)與芯片的價格和性能密切相關(guān)。光刻的最小線寬直接決定器件的最小特征尺寸，器件的特征尺寸越小，在一個硅片上就可以集成越多的器件。隨著光刻的技術(shù)不斷發(fā)展，線寬不斷縮小，每個硅片上器件數(shù)目就越來越多，這樣，單位器件的成本就不斷降低，而且單個硅片上集成更多的器件也意味著可以使電子產(chǎn)品實現(xiàn)更多的功能以及更好的性能。當然這種比較是假定在各種光刻系統(tǒng)的成本不變，只考慮了單位硅片成本的基礎(chǔ)上進行的。

事實上，隨著每一代線寬的改變，***、掩膜版、光刻膠等的成本也在發(fā)生變化，而且對下一代的光刻工藝來說，其光刻系統(tǒng)的價格往往更加昂貴。即使如此，人們?nèi)栽诓粩嘧非笤絹碓郊毜木€寬，追求產(chǎn)品在性價比上的提升。目前，集成電路已經(jīng)從20世紀60年代的每個芯片上僅幾十個器件發(fā)展到現(xiàn)在的每個芯片上可包含約10億個器件，其增長過程遵從摩爾定律，這與光刻技術(shù)的發(fā)展密不可分。

光刻技術(shù)的不斷發(fā)展為集成電路技術(shù)的進步提供了三方面的保證：第一，大面積均勻曝光，在同一塊硅片上能同時做出大量器件和芯片，保證了批量化的生產(chǎn)水平；第二，圖形線寬不斷縮小，集成度不斷提高，生產(chǎn)成本持續(xù)下降；第三，由于線寬的縮小，器件的運行速度越來越快，集成電路的性能不斷提高。

一個典型的光刻工藝流程包括襯底制備、涂膠、前烘、曝光、顯影、堅膜、腐蝕、去膠等。

1.光學(xué)光刻技術(shù)

光刻技術(shù)是一種精密的微細加工技術(shù)。常規(guī)光刻技術(shù)是采用波長為2000～4500埃的紫外光作為圖像信息載體，以光刻蝕劑為中間（圖像記錄）媒介實現(xiàn)圖形的變換、轉(zhuǎn)移和處理，最終把圖像信息傳遞到晶片(主要指硅片)或介質(zhì)層上的一種工藝。

在廣義上，光刻包括光復(fù)印和刻蝕工藝兩個主要方面：

1、光復(fù)印工藝：經(jīng)曝光系統(tǒng)將預(yù)制在掩模版上的器件或電路圖形按所要求的位置，精確傳遞到預(yù)涂在晶片表面或介質(zhì)層上的光致抗蝕劑薄層上。

2、刻蝕工藝：利用化學(xué)或物理方法，將抗蝕劑薄層未掩蔽的晶片表面或介質(zhì)層除去，從而在晶片表面或介質(zhì)層上獲得與抗蝕劑薄層圖形完全一致的圖形。集成電路各功能層是立體重疊的，因而光刻工藝總是多次反復(fù)進行。例如，大規(guī)模集成電路要經(jīng)過約10次光刻才能完成各層圖形的全部傳遞。

光刻技術(shù)在狹義上，光刻工藝僅指光復(fù)印工藝。

光刻技術(shù)

光刻是通過光的照射用投影方法將掩模上的大規(guī)模集成電路器件的結(jié)構(gòu)圖形畫在涂有光刻膠的硅片上，通過光的照射，光刻膠的成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，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(tǒng)能獲得的分辨率直接相關(guān)，而減小照射光源的波長是提高分辨率的最有效途徑?；诖?，開發(fā)新型短波長光源***一直是各個國家的研究熱點。

除此之外，根據(jù)光的干涉特性，利用各種波前技術(shù)優(yōu)化工藝參數(shù)也是提高分辨率的重要手段。這些技術(shù)是運用電磁理論結(jié)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(shù)、鄰近效應(yīng)校正等。運用這些技術(shù)，可在目前的技術(shù)水平上獲得更高分辨率的光刻圖形。

2.電子束光刻

電子束光刻技術(shù)是微型技術(shù)加工發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，他在納米制造領(lǐng)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。電子束光刻技術(shù)不需要掩膜，直接將會聚的電子束斑打在表面涂有光刻膠的襯底上。

電子束光刻技術(shù)要應(yīng)用于納米尺度微小結(jié)構(gòu)的加工和集成電路的光刻，必須解決幾個關(guān)鍵的技術(shù)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(xiàn)象造成的鄰近效應(yīng)；在實現(xiàn)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(shù)問題。

實踐證明，電子束鄰近效應(yīng)校正技術(shù)、電子束曝光與光學(xué)曝光系統(tǒng)的匹配和混合光刻技術(shù)及抗蝕劑曝光工藝優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用，是一種提高電子束光刻系統(tǒng)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；

第二步是將曝光的圖形進行顯影去除未曝光的部分；

第三步在形成的圖形上沉淀金屬；

第四步將光刻膠去除。在金屬剝離的過程中，關(guān)鍵在于光刻工藝的膠型控制。最好使用厚膠，這樣有利于膠劑的滲透，形成清晰的形貌。

3.聚焦離子束光刻

聚焦離子束(Focused Ion beam, FIB)的系統(tǒng)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(yè)用途系統(tǒng)的離子束為液態(tài)金屬離子源，金屬材質(zhì)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(tǒng)、抗振動和磁場的裝置、電子控制面板、和計算機等硬設(shè)備，外加電場于液相金屬離子源可使液態(tài)鎵形成細小尖端，再加上負電場(Extractor) 牽引尖端的鎵，而導(dǎo)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(jīng)過一連串變化孔徑 (Automatic Variable Aperture, AVA)可決定離子束的大小，再經(jīng)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(fā)出的二次電子和二次離子是影像的來源，影像的分辨率決定于離子束的大小、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分辨率最高已達 4nm，雖然其分辨率不及掃描式電子顯微鏡和穿透式電子顯微鏡，但是對于定點結(jié)構(gòu)的分析，它沒有試片制備的問題，在工作時間上較為經(jīng)濟。

聚焦離子束投影曝光除了前面已經(jīng)提到的曝光靈敏度極高和沒有鄰近效應(yīng)之外還包括焦深大于曝光深度可以控制。離子源發(fā)射的離子束具有非常好的平行性，離子束投影透鏡的數(shù)值孔徑只有0.001，其焦深可達100μm，也就是說，硅片表面任何起伏在100μm之內(nèi)，離子束的分辨力基本不變。而光學(xué)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(chǎn)線制成異常分析或者進行光阻切割。

4.EUV 光刻技術(shù)

在微電子技術(shù)的發(fā)展歷程中，人們一直在研究開發(fā)新的IC制造技術(shù)來縮小線寬和增大芯片的容量。我們也普遍的把軟X射線投影光刻稱作極紫外投影光刻。在光刻技術(shù)領(lǐng)域我們的科學(xué)家們對極紫外投影光刻EUV技術(shù)的研究最為深入也取得了突破性的進展，使極紫外投影光刻技術(shù)最有希望被普遍使用到以后的集成電路生產(chǎn)當中。它支持22nm以及更小線寬的集成電路生產(chǎn)使用。

EUV是目前距實用化最近的一種深亞微米的光刻技術(shù)。波長為157nm的準分子激光光刻技術(shù)也將近期投入應(yīng)用。如果采用波長為13nm的EUV，則可得到0.1um的細條。

在1985年左右已經(jīng)有前輩們就EUV技術(shù)進行了理論上的探討并做了許多相關(guān)的實驗。近十年之后微電子行業(yè)的發(fā)展受到重重阻礙才致人們有了憂患意識。并且從微電子技術(shù)的發(fā)展過程能判斷出，若不早日推出極紫外光刻技術(shù)來對當前的芯片制造方法做出全面的改進，將使整個芯片工業(yè)處在岌岌可危的地步。

EUV系統(tǒng)主要由四部分構(gòu)成：極端紫外光源；反射投影系統(tǒng)；光刻模板（mask）；能夠用于極端紫外的光刻涂層（photo-resist）。

極端紫外光刻技術(shù)所使用的***的對準套刻精度要達到10nm，其研發(fā)和制造原理實際上和傳統(tǒng)的光學(xué)光刻在原理上十分相似。對***的研究重點是要求定位要極其快速精密以及逐場調(diào)平調(diào)焦技術(shù)，因為***在工作時拼接圖形和步進式掃描曝光的次數(shù)很多。不僅如此入射對準光波信號的采集以及處理問題還需要解決。

5.X射線光刻技術(shù)

X射線波長極短，使得其不會發(fā)生嚴重的衍射現(xiàn)象。我們在使用X射線進行曝光時對波長的選擇是受到一定因素限制的，在曝光過程中，光刻膠會吸收X射線光子，而產(chǎn)生射程隨X射線波長變化而相繼改變的光電子，這些光電子會降低光刻分辨率，X射線的波長越短，光電子的射程越遠，對光刻越不利。因此增加X射線的波長有助于提高光刻分辨率。然而長波長的X射線會加寬圖形的線寬，考慮多種因素的影響，通常只能折中選擇X射線的波長。

今年來的研究發(fā)現(xiàn)，當圖形的線寬小到一定程度時（一般為0.01μm以下），被波導(dǎo)效應(yīng)影響，最終得到的圖形線寬要小于實際掩模圖形，因此X光刻分辨率也受到掩模版與晶圓間距大小的影響。

除此之外，還需要大量的實驗研究來解決X射線光刻圖形微細加工時對圖形質(zhì)量造成影響的諸多因素。

X射線光刻掩模

在后光學(xué)光刻的技術(shù)中，其最主要且最困難的技術(shù)就是掩模制造技術(shù)，其中1：1的光刻非常困難，是妨礙技術(shù)發(fā)展的難題之一。所以說，我們認為掩模開發(fā)是對于其應(yīng)用于工業(yè)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，也是決定成敗的關(guān)鍵。在過去的發(fā)展中，科學(xué)家對其已經(jīng)得到了巨大的發(fā)展，也有一些新型材料的發(fā)現(xiàn)以及應(yīng)用，有一些已經(jīng)在實驗室中得以實踐，但對于工業(yè)發(fā)展還是沒有什么重大的成就。

X射線掩模的基本結(jié)構(gòu)包括薄膜、吸收體、框架、襯底，其中薄膜襯基材料一般使用Si、SiC、金剛石。吸收體主要使用金、鎢等材料，其結(jié)構(gòu)圖如圖所示：

6.納米壓印光刻技術(shù)

納米壓印技術(shù)是美國普林斯頓大學(xué)華裔科學(xué)家周郁在20 世紀1995 年首先提出的。這項技術(shù)具有生產(chǎn)效率高、成本低、工藝過程簡單等優(yōu)點, 已被證實是納米尺寸大面積結(jié)構(gòu)復(fù)制最有前途的下一代光刻技術(shù)之一。目前該技術(shù)能實現(xiàn)分辨率達5 nm以下的水平。

納米壓印技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展，從最初的熱壓印技術(shù)，到紫外固化納米壓印技術(shù)再到后來衍生出的軟膜復(fù)型技術(shù)、微接觸印刷術(shù)、激光輔助直接壓印技術(shù)等，新的納米壓印技術(shù)不斷被開發(fā)和完善，納米壓印技術(shù)在微納加工領(lǐng)域也占有越來越重要的位置。

納米壓印技術(shù)是加工聚合物結(jié)構(gòu)最常用的方法, 它采用高分辨率電子束等方法將結(jié)構(gòu)復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)圖案制在印章上, 然后用預(yù)先圖案化的印章使聚合物材料變形而在聚合物上形成結(jié)構(gòu)圖案。

審核編輯：湯梓紅