一、光刻技术简介

光刻技术是借助光刻胶，在特定光源照射下进行曝光，再通过显影、刻蚀等步骤，将掩膜版上的图形转移到衬底的技术，其原理起源于印刷技术中的照相制版。光刻技术按照曝光光源可分为光学光刻和粒子束光刻。其中，光学光刻是目前应用中最广泛的光刻技术，在未来的发展中仍会维持其主导地位。

图1 光刻技术过程示意图

二、光刻工艺流程

光刻的原理是在衬底表面覆盖一层具有高度光敏感性光刻胶，然后用紫外光、深紫外光、极紫外光透过掩膜版照射在衬底表面上，被光线照射到的光刻胶会发生光化学反应。此后用特定溶剂洗去被照射（未被照射）的光刻胶，即实现了电路图从掩膜版到衬底的转移。光刻完成后再对没有光刻胶保护的衬底部分进行化学刻蚀，最后洗去剩余光刻胶，就实现了半导体器件在衬底表面的构建过程。

1.     清洗硅片衬底并覆盖底膜

清洗硅片防止硅片表面杂质污染影响后续工序和半导体器件的工作性能。底膜一般使用化学气相沉积的方法生成，其成分为六甲基二硅胺烷，可以使硅片表面疏离水分子，同时增强对光刻胶的附着力。

2.     涂光刻胶

为了保证光刻胶厚度均匀，常采用旋涂法。将硅片放置到与转动电机相连的真空吸盘上。当硅片缓慢旋转时，将光刻胶滴在硅片旋转中心上。随着旋转速度的增大并稳定，光刻胶借助离心力作用沿径向均匀伸展到整个硅片表面，通过持续旋转甩出多余的光刻胶。待光刻胶膜几乎干燥后停止旋转。

3.     软烘

光刻胶涂覆完毕后，需要立即对硅片进行软烘，除去光刻胶中残余的溶剂，提高光刻胶的附着力和均匀性。软烘工作温度在85℃——120℃（一般设置为100℃），整个过程中工作温度均需在这个范围内。未经软烘的光刻胶易发黏并受颗粒物污染，粘附力不足，还会因为溶剂含量过高而导致显影时存在溶解差异，难以区分曝光和未曝光的光刻胶。

4.     曝光

曝光过程是在硅片表面和石英掩膜版对准并聚焦后，使用紫外光照射，未受掩膜版遮挡部分的光刻胶发生曝光反应，实现电路图从掩膜版到硅片上的转移。

曝光系统是光刻技术中最为复杂的核心工艺，其研制涉及到应用光学的所有基础技术，且技术要求达到了当前应用光学技术发展水平的极限。

曝光系统依据曝光方式主要可分为接触式曝光、接近式曝光、投影式曝光三种。其中接触时曝光的掩膜版与光刻胶直接接触，衍射效应小，分辨率高，但版和胶的硬接触会对两者造成损伤，导致很高的缺陷密度；接近式曝光的版与光刻胶有一定的间隙，解决了直接接触的缺陷问题，但是衍射效应明显使其分辨率降低；与前两者相比，投影式曝光的分辨率高，也没有接触曝光的缺陷问题，是目前最主要的曝光方式。

5.     显影

显影是使用化学显影液溶解由曝光造成的光刻胶可溶解区域，使可见图形出现在硅片上，并区分需要刻蚀的区域和受光刻胶保护的区域。显影的要求重点是产生的关键尺寸达到规格要求。如果显影工艺控制不当，光刻胶的图形就会出现缺陷：显影不足、不完全显影和过显影。图2展示了三种缺陷和正常显影的对比效果，从左向右依次为显影不足、不完全显影、正常显影和过显影。

图2 显影问题示意图

早期的显影是将硅片浸没在显影液中，在一定的温度下经过一定的时间使被曝光的光刻胶溶掉。此方法对显影液的消耗量大，而且对于大尺寸硅片的高密度集成电路，成批浸没很难实现显影的均匀性。故此方法已经不在适用大规模生产高集成电路的今天。目前使用的显影方法主要有连续喷雾（continuous）显影和旋覆浸没（puddle）显影两种。

连续喷雾显影是使用一个或者多个喷嘴喷洒显影液到硅片表面，固定在真空吸盘上的单个硅片随吸盘慢速旋转。这种方式中的喷嘴喷雾模式和硅片的旋转速度是实现硅片间光刻胶溶解率和均匀性的可重复性的关键可变可控因素。图3为连续喷雾显影过程示意图。

图3 连续喷雾显影过程示意图

旋覆浸没显影与连续喷雾显影使用的设备相同，但显影液的喷涂方式不同。对于旋覆浸没显影，喷到硅片上的少量显影液形成水坑形状。若要使整个硅片表面形成一个类似水坑的弯月面，显影液既不能多也不能少，而且喷涂时硅片需要慢慢旋转。另一方面，为了让光刻胶可溶解的区域变的完全溶解，显影液必须在光刻胶上停留足够的时间，可以多次旋覆浸没，每次喷涂显影液的多少和停留时间可调整。等到光刻胶被显影液溶解后，用去离子水清洗硅片并甩干。图4是旋覆浸没显影示意图。

图4 旋覆浸没显影

6.     坚膜

显影后的热烘焙称为坚膜。其目的是蒸发剩余的溶剂使保留下来的光刻胶变硬，增加光刻胶对硅片的黏附性，提高光刻胶的抗蚀能力。坚膜的温度高于软烘的温度，也因光刻胶的不同而不同，通常情况下正胶是130℃，负胶是150℃。

7.     检测

查找光刻过程中形成的缺陷，对带有光刻图形缺陷的硅片进行刻蚀或离子注入会使硅片报废。检测主要包括关键尺寸、沾污、表面缺陷和套准精度四个方面。合格的硅片进入后续的刻蚀等流程，不合格的硅片在清洗后进入最初流程。

8.     刻蚀

刻蚀是通过化学或物理的方法有选择地从硅片表面除去不需要材料的过程。刻蚀分为干法刻蚀和湿法刻蚀两种。干法刻蚀是将硅片表面暴露在惰性气体中，通过气体产生的等离子体轰击光刻胶开出的窗口，与硅片发生反应去掉暴露的表面材料，是亚微米尺寸下刻蚀器件的最主要方法。湿法刻蚀相对于干法是使用液态化学剂（酸、碱、有机溶剂等）用化学方式去除硅片表面的材料，一般只用于尺寸较大的情况。

9.     去胶

刻蚀完成后，通过特定的溶剂将硅片上残余的光刻胶洗去。

三、光刻胶

1.     光刻胶的类型

①  负性光刻胶

凡是在能量束（光束、电子束、离子束）的照射下，以交联反应为主的光刻胶称为负性光刻胶，简称负胶。因为曝光后发生交联反应而硬化不可溶解，不会被溶剂洗掉，从而该部分硅片不会在后续流程中被腐蚀掉。负性光刻胶上的图形与掩膜版上图形相反。

②  正性光刻胶

凡是在能量束（光束、电子束、离子束）的照射下，以降解反应为主的光刻胶称为正性光刻胶，简称正胶。因为曝光部分的光刻胶会被破坏从而被溶剂洗掉，所以该部分的硅片没有光刻胶保护会被刻蚀掉。正性光刻胶上的图形与掩模版上图形相同。

图5 负胶、正胶光刻对比图

1.     光刻胶的主要特性

①　灵敏度

单位面积上入射的使光刻胶全部发生反应的最小光能量或最小电荷量，称为光刻胶的灵敏度，其数值越小，则灵敏度越高。通常情况下，负胶的灵敏度高于正胶。

②　分辨率

光源、曝光方式和光刻胶本身的灵敏度、对比度、颗粒大小等都会影响其分辨率。其中灵敏度越高分辨率越大。当入射点电子数为N时，由于随机涨落，实际入射的电子数在\(N\pm\sqrt N\)范围内。为了保证出现最低剂量时不少于规定剂量的90%，即\(\frac{\sqrt N}{N}\)10%。由此可得\(N_{\mathrm{min}}=100\)。因此对于小尺寸曝光区，必须满足

\(\frac{S}{q}\left(L_{\mathrm{min}}\right)^2=N_{min}\);

\(L_{min}=\sqrt{\frac{N_{min}q}{S}}=10\sqrt{\frac{q}{S}}\)

\(L_{\mathrm{min}}\)为最小尺寸，即分辨率。由此可见，灵敏度越高，分辨率越差。

③　对比度

对比度指光刻胶从曝光区到非曝光区过渡的陡度。对比度越好，形成图形的侧壁越陡峭，分辨率越好。通常情况下，正胶的对比度高于负胶。

1.     不同曝光波长对应不同种类的光刻胶

随着光刻工艺中曝光波长的不断变小，与之配套的光刻胶材料也随之变化。根据感光波长不同，光刻胶可以分为G线光刻胶、I线光刻胶、248nm光刻胶、193nm光刻胶和EUV光刻胶。

\(G/I\)光刻胶是基于酚醛树脂—重氮萘醌体系的传统光刻胶。其中的酚醛树脂为光刻胶提供膜性、耐热性和抗腐蚀性，重氮萘醌作为感光材料，为光刻胶提供感光性能。

在20世纪末，光刻技术由I线转入248nm时对光刻胶提出了新的挑战，一是传统光刻胶所用的酚醛树脂在248nm处吸光能力太强，以致于在曝光显影时无法形成陡直的形貌；二是光源由原来的高压汞灯变成等离子体激光器后，其光照强度大幅度降低，对光刻胶的感光速率提出了更高的要求。前者通过采用对羟基苯乙烯树脂解决了透光性问题，后者通过引入光致产酸剂，利用化学放大的方法得以解决。

光刻技术从248nm转入139nm时，采用丙烯酸类树脂代替对羟基苯乙烯树脂，从而消除苯环对139nm光的本征吸收，提高透光性，同时沿用248nm光刻胶中的化学放大原理。但是丙烯酸树脂的底碳氢比远低于含苯环的酚醛树脂和对羟基苯乙烯，致使其在光刻后的刻蚀工艺中无法提供足够强的抗腐蚀能力。通常多采用将金刚烷、多环内酯等基团引入丙烯酸体系中，以提高其抗刻蚀能力。

随着光刻技术进入时代，光刻胶的设计思路也发生了变革型变化。一般EUV光刻胶分为金属氧化型、化学放大改进型和分子玻璃型三种。

四、刻蚀工艺

影响刻蚀品质的因素有刻蚀速率、刻蚀速率均匀性、刻蚀速率的各向异性、刻蚀选择性、刻蚀损伤、工艺安全性。

1.     湿法刻蚀与各种材料的湿法刻蚀

湿法刻蚀:使用特定溶液与需要被刻蚀的薄膜材料进行化学反应，选择性地刻蚀掉薄膜层上未被光刻胶掩蔽的部分。其过程包括三个阶段：反应物通过扩散到达反应表面、化学反应在该表面发生，通过扩散将反应生成物移除。湿法刻蚀适用于将多晶硅、氮化物、氧化物、金属与Ⅲ-Ⅴ族化合物等作整片地刻蚀。

①　硅的刻蚀

大多数采用强氧化剂对硅进行氧化，然后再用氢氟酸溶解氧化物。最常用的是硝酸与氢氟酸和水的混合液。硅先于硝酸发生强化还原反应生成二氧化硅，然后二氧化硅与氢氟酸反应生成六氟硅酸。水作为稀释剂，一般情况会使用醋酸作为稀释剂，醋酸可以缓解硝酸的溶解。

硅的刻蚀中可以采用一些特殊方法实现定向刻蚀，一是掺杂浓度不同，导致刻蚀速率不同；二是不同晶面的原子键密度不同，导致刻蚀速率不同，即各向异性刻蚀。

②　二氧化硅的刻蚀

二氧化硅的湿法刻蚀通常使用添加氟化铵的氢氟酸稀释溶液，二氧化硅与氢氟酸反应生成六氟化硅。不加氟化铵在理论上也可以使用氢氟酸进行刻蚀，但是氟化铵可以控制溶液的PH值，并补充氟离子，促进氟化硅的生成。加入氟化铵的氢氟酸溶液称为氢氟酸缓冲液或氧化层缓冲刻蚀液。二氧化硅的刻蚀速率主要受到溶液浓度、温度和搅拌情况等因素的影响。

③　砷化镓刻蚀

砷化镓的湿法刻蚀溶液较多，如硫酸-过氧化氢-水体系、溴-甲醇体系、氢氧化钠-过氧化氢体系等。在众多的刻蚀溶液中，只有极少数是各向同性的。因为镓面与砷面的表面活性差异太大。

2.     干法刻蚀

干法刻蚀与等离子体辅助刻蚀同义。干法刻蚀是利用等离子体激活的化学反应或者利用高能离子束轰击完成去除材料的刻蚀方法。干法刻蚀包含了等离子体刻蚀、反应离子刻蚀、溅射刻蚀、磁场增强反应离子刻蚀、反应离子束刻蚀与高密度等离子体刻蚀。

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干法刻蚀简单比较
分类	等离子体刻蚀	溅射刻蚀	反应离子刻蚀
刻蚀原理	辉光放电产生的活性粒子与需要刻蚀的材料发生反应形成挥发性产物	高能等离子轰击需要刻蚀的材料表面，使其产生损伤并去除	两种方法结合
优点	各向异性好、工艺控制较易且污染小
缺点	刻蚀选择性差、存在刻蚀损伤残留、产量小

表1 几种干法刻蚀的简单比较

干法刻蚀与湿法刻蚀的不同之处在于对下层材料的刻蚀选择性差，因此干法刻蚀系统通常装配监视系统来指示刻蚀结束时间，称为终点检测系统。干法刻蚀的反应装置通常包括真空仓、真空系统（泵）、配电系统、压力传感器、气流控制单元及端点检测器等部分。

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