簡單的說用一定波長的波刻蝕材料就是光刻技術(shù),集成電路制造中利用光學- 化學反應(yīng)原理和化學、物理刻蝕方法,將電路圖形傳遞到單晶表面或介質(zhì)層上,形成有效圖形窗口或功能圖形的工藝技術(shù)。
隨著半導體技術(shù)的發(fā)展,光刻技術(shù)傳遞圖形的尺寸限度縮小了2~3個數(shù)量級(從毫米級到亞微米級),已從常規(guī)光學技術(shù)發(fā)展到應(yīng)用電子束、 X射線、微離子束、激光等新技術(shù);使用波長已從4000埃擴展到 0.1埃數(shù)量級范圍。光刻技術(shù)成為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,以光致抗蝕劑為中間(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(圖1)。在廣義上,它包括光復印和刻蝕工藝兩個主要方面。
?、俟鈴陀」に嚕航?jīng)曝光系統(tǒng)將預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。
在狹義上,光刻工藝僅指光復印工藝。
曝光方式
常用的曝光方式分類如下:
接觸式曝光和非接觸式曝光的區(qū)別,在于曝光時掩模與晶片間相對關(guān)系是貼緊還是分開。接觸式曝光具有分辨率高、復印面積大、復印精度好、曝光設(shè)備簡單、操作方便和生產(chǎn)效率高等特點。但容易損傷和沾污掩模版和晶片上的感光膠涂層,影響成品率和掩模版壽命,對準精度的提高也受到較多的限制。一般認為,接觸式曝光只適于分立元件和中、小規(guī)模集成電路的生產(chǎn)。
非接觸式曝光主要指投影曝光。在投影曝光系統(tǒng)中,掩膜圖形經(jīng)光學系統(tǒng)成像在感光層上,掩模與晶片上的感光膠層不接觸,不會引起損傷和沾污,成品率較高,對準精度也高,能滿足高集成度器件和電路生產(chǎn)的要求。但投影曝光設(shè)備復雜,技術(shù)難度高,因而不適于低檔產(chǎn)品的生產(chǎn)?,F(xiàn)代應(yīng)用最廣的是 1:1倍的全反射掃描曝光系統(tǒng)和x:1倍的在硅片上直接分步重復曝光系統(tǒng)。
直接分步重復曝光系統(tǒng) (DSW)
超大規(guī)模集成電路需要有高分辨率、高套刻精度和大直徑晶片加工。直接分步重復曝光系統(tǒng)是為適應(yīng)這些相互制約的要求而發(fā)展起來的光學曝光系統(tǒng)。主要技術(shù)特點是:①采用像面分割原理,以覆蓋最大芯片面積的單次曝光區(qū)作為最小成像單元,從而為獲得高分辨率的光學系統(tǒng)創(chuàng)造條件。②采用精密的定位控制技術(shù)和自動對準技術(shù)進行重復曝光,以組合方式實現(xiàn)大面積圖像傳遞,從而滿足晶片直徑不斷增大的實際要求。③縮短圖像傳遞鏈,減少工藝上造成的缺陷和誤差,可獲得很高的成品率。④采用精密自動調(diào)焦技術(shù),避免高溫工藝引起的晶片變形對成像質(zhì)量的影響。⑤采用原版自動選擇機構(gòu)(版庫),不但有利于成品率的提高,而且成為能靈活生產(chǎn)多電路組合的常規(guī)曝光系統(tǒng)。這種系統(tǒng)屬于精密復雜的光、機、電綜合系統(tǒng)。它在光學系統(tǒng)上分為兩類。一類是全折射式成像系統(tǒng),多采用1/5~1/10的縮小倍率,技術(shù)較成熟;一類是1:1倍的折射-反射系統(tǒng),光路簡單,對使用條件要求較低。
光致抗蝕劑
簡稱光刻膠或抗蝕劑,指光照后能改變抗蝕能力的高分子化合物。光蝕劑分為兩大類。①正性光致抗蝕劑:受光照部分發(fā)生降解反應(yīng)而能為顯影液所溶解。留下的非曝光部分的圖形與掩模版一致。正性抗蝕劑具有分辨率高、對駐波效應(yīng)不敏感、曝光容限大、針孔密度低和無毒性等優(yōu)點,適合于高集成度器件的生產(chǎn)。②負性光致抗蝕劑:受光照部分產(chǎn)生交鏈反應(yīng)而成為不溶物,非曝光部分被顯影液溶解,獲得的圖形與掩模版圖形互補。負性抗蝕劑的附著力強、靈敏度高、顯影條件要求不嚴,適于低集成度的器件的生產(chǎn)。
半導體器件和集成電路對光刻曝光技術(shù)提出了越來越高的要求,在單位面積上要求完善傳遞圖像的信息量已接近常規(guī)光學的極限。光刻曝光的常用波長是3650~4358 埃,預計實用分辨率約為1微米。幾何光學的原理,允許將波長向下延伸至約2000埃的遠紫外波長,此時可達到的實用分辨率約為0.5~0.7微米。微米級圖形的光復印技術(shù)除要求先進的曝光系統(tǒng)外,對抗蝕劑的特性、成膜技術(shù)、顯影技術(shù)、超凈環(huán)境控制技術(shù)、刻蝕技術(shù)、硅片平整度、變形控制技術(shù)等也有極高的要求。因此,工藝過程的自動化和數(shù)學模型化是兩個重要的研究方向。
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