光刻是半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)流程中最復(fù)雜、最關(guān)鍵的工藝步驟，耗時(shí)長、成本高。半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)在于將電路圖從掩模上轉(zhuǎn)移至硅片上，這一過程通過光刻來實(shí)現(xiàn)，光刻的工藝水平直接決定芯片的制程水平和性能水平......

光刻概念

光刻是平面型晶體管和集成電路生產(chǎn)中的一個(gè)主要工藝。是對半導(dǎo)體晶片表面的掩蔽物(如二氧化硅)進(jìn)行開孔，以便進(jìn)行雜質(zhì)的定域擴(kuò)散的一種加工技術(shù)。

一般的光刻工藝要經(jīng)歷硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻膠、軟烘、對準(zhǔn)曝光、后烘、顯影、硬烘、刻蝕、檢測等工序。

1.襯底預(yù)處理（SubstratePre-treatment）：

半導(dǎo)體襯底是一種用于制造半導(dǎo)體器件的材料基底。半導(dǎo)體襯底是最常用的半導(dǎo)體材料之一，常用的半導(dǎo)體襯底包括硅、鍺和碳化硅等。半導(dǎo)體襯底具有良好的電學(xué)特性和熱學(xué)特性，可以提供半導(dǎo)體器件所需要的物理特性和結(jié)構(gòu)支持。半導(dǎo)體襯底是半導(dǎo)體制造工藝中的重要組成部分，對半導(dǎo)體器件的性能和穩(wěn)定性具有至關(guān)重要的作用。

①去除表面污染物（顆粒、有機(jī)物、工藝殘余、可動離子）以及水蒸氣；

②預(yù)烘烤至100~200℃可有助于增強(qiáng)光刻膠與襯底的黏附性；

③對于親水性襯底，使用增附劑增加襯底與光刻膠的黏附性，稱為增附或者助黏。

2.涂膠（Coating）：

對于半導(dǎo)體光刻技術(shù)，在晶圓片上涂光刻膠最廣泛采用的方式是旋轉(zhuǎn)涂膠法和自動噴涂法兩種。自動噴涂法是將硅片放入涂膠機(jī)上盛片的容器里，借助計(jì)算機(jī)設(shè)定程序，讓硅片自動地進(jìn)入涂膠盤內(nèi)進(jìn)行噴涂，然后用傳送帶將涂好的硅片送入前烘機(jī)。旋轉(zhuǎn)涂膠法使用十分普遍，旋轉(zhuǎn)涂膠工藝和設(shè)備都十分簡單，主要包括4個(gè)基本步驟。

（1）滴膠。將晶圓片在涂膠機(jī)上用吸氣法固定，在晶圓片靜止或旋轉(zhuǎn)非常慢時(shí)，將光刻膠滴在晶圓片表面的中心位置上。

（2）高速旋轉(zhuǎn)。使晶圓片快速旋轉(zhuǎn)到一個(gè)較高的速度，光刻膠伸展到整個(gè)晶圓片表面。

（3）甩掉多余的膠。甩去多余的光刻膠，在晶圓片上得到均勻的光刻膠覆蓋層。

（4）溶劑揮發(fā)。以固定轉(zhuǎn)速繼續(xù)旋轉(zhuǎn)已涂膠的硅片，直至溶劑揮發(fā)，光刻膠的膠膜幾乎干燥。

旋涂光刻膠的厚度和均勻性都是非常關(guān)鍵的參數(shù)。影響光刻膠厚度的主要因素是轉(zhuǎn)速和光刻膠的黏度，黏度越高，轉(zhuǎn)速越低，光刻膠的厚度就越厚。

3.前烘（Softbake）：

前烘是光刻工藝的基本步驟之一，也被稱為軟烘。即在一定的溫度下，使光刻膠膜里面的溶劑緩慢地、充分地逸出來，使光刻膠膜干燥。

①前烘目的：1.將硅片上覆蓋的光刻膠溶劑去除；2.增強(qiáng)光刻膠的粘附性以便在顯影時(shí)光刻膠可以更好地粘附；3.緩和在旋轉(zhuǎn)過程中光刻膠膠膜內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力；4.防止光刻膠沾到設(shè)備上（保持器械潔凈）；

②常見的烘烤方式：熱板，烘烤時(shí)間短，但易受外界環(huán)境影響，烘箱，烘烤時(shí)間長，不適合厚膠的烘烤；

③欠烘，易導(dǎo)致殘余溶劑影響曝光及顯影過程，過烘會減小光刻膠中感光成分的活性；

④對于襯底對溫度敏感的應(yīng)用中，前烘溫度可在較低溫度（＜60℃）下進(jìn)行，但需要適當(dāng)延長烘烤時(shí)間；

⑤烘烤后需要冷卻至室溫再進(jìn)行后續(xù)工藝，特別是厚膠，曝光前需要等待一段時(shí)間來實(shí)現(xiàn)再吸水過程，保證顯影速度和高對比度。

4.曝光（exposure）：

曝光是利用光照將掩模版上的圖形經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后投影到光刻膠上，實(shí)現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移，是集成電路制造中光刻工藝的重要工序之一。

曝光方法：

a、接觸式曝光（ContactPrinting）。掩膜板直接與光刻膠層接觸。曝光出來的圖形與掩膜板上的圖形分辨率相當(dāng)，設(shè)備簡單。

b、接近式曝光（ProximityPrinting）。掩膜板與光刻膠層的略微分開，大約為10～50μm?？梢员苊馀c光刻膠直接接觸而引起的掩膜板損傷。但是同時(shí)引入了衍射效應(yīng)，降低了分辨率。

c、投影式曝光（ProjectionPrinting）。在掩膜板與光刻膠之間使用透鏡聚集光實(shí)現(xiàn)曝光。一般掩膜板的尺寸會以需要轉(zhuǎn)移圖形的4倍制作。

5.后烘（postexposurebake-PEB）：

曝光后，顯影前的烘烤步驟叫做后烘（postbake），后烘步驟需要視工藝需要選做，通常有以下幾種情況下我們需要做后烘步驟：

①化學(xué)放大膠，在化學(xué)放大膠工藝中，后烘又叫交聯(lián)烘烤，曝光環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的光酸在交聯(lián)烘烤中使得聚合物發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)；②圖形反轉(zhuǎn)膠，圖形反轉(zhuǎn)膠的負(fù)膠工藝中，顯影前需要進(jìn)行后烘和泛曝光；③消除駐波，后烘可以使得光刻膠中的光活性物質(zhì)擴(kuò)散，從而消除駐波效應(yīng)，但需要注意，這種橫向擴(kuò)散也會導(dǎo)致圖形質(zhì)量降低。

6.顯影（development）：

光刻膠涂敷的晶圓通過曝光、PEB及光學(xué)EBR之后，將被送去顯影。顯影會去除不需要的光刻膠，并形成由光刻版或倍縮光刻版所定義的圖形。對于常用的正膠，曝光的部分會溶解在顯影劑中。

顯影過程是指將硅片表面的光刻膠進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，從而形成微小結(jié)構(gòu)的過程。顯影過程主要包括以下幾個(gè)步驟：

（1）涂覆顯影劑：將顯影劑涂覆在硅片表面，以溶解光刻膠。

（2）顯影：通過化學(xué)反應(yīng)將硅片表面的光刻膠進(jìn)行溶解，從而形成微小的結(jié)構(gòu)。

（3）清洗：將硅片表面的顯影劑和光刻膠殘留物清洗干凈，以準(zhǔn)備下一次曝光。

顯影的影響因素主要有顯影液、顯影方式以及溫度等，同種光刻膠顯影液稀釋后顯影速度降低，對比度提高、顯影方式?jīng)Q定了光刻膠與新鮮顯影液的接觸是否充分，溫度高，顯影速度快。

7.定影（stopping）：

定影，終止顯影過程，紫外光刻膠由于常用的是水溶性堿作為顯影液，故常用水沖洗即可；電子束膠常用有機(jī)溶劑作為顯影液，所以需要專門的定影液來進(jìn)行定影。

需要注意的是，電子束曝光獲得的深寬比很高的光刻膠結(jié)構(gòu)，由于自身強(qiáng)度較弱，在表面張力作用下容易坍塌。

在lift-off工藝中，顯影后底膠的處理，也需要特別注意。

8.堅(jiān)膜（hardbake）：

又稱堅(jiān)膜烘焙，是將顯影后的光刻膠中剩余的溶劑、顯影液、水及其他不必要的殘留成分通過加熱蒸發(fā)去除，以提高光刻膠與硅襯底的黏附性及光刻膠的抗刻蝕能力。堅(jiān)膜過程的溫度視光刻膠的不同及堅(jiān)膜方法的不同而有所不同，以光刻膠圖形不發(fā)生形變?yōu)榍疤?，并?yīng)使光刻膠變得足夠堅(jiān)硬。

另外，一定要注意堅(jiān)膜的溫度，溫度通常要高于前烘溫度100-130℃，時(shí)間2分鐘。過高的溫度會光刻膠結(jié)構(gòu)變形、融化甚至圖形消失。

9.圖形轉(zhuǎn)移（patterntransfer）：

⑴刻蝕工藝：最常用的圖案轉(zhuǎn)移方案，將顯影后的光刻膠放在高真空環(huán)境中，然后注入刻蝕氣體、液體、等離子體等。未被光刻膠保護(hù)的部分襯底會與刻蝕劑反應(yīng)，在表面被刻蝕出圖案，被光刻膠覆蓋的區(qū)域則不會被刻蝕。沉積的過程與刻蝕的過程相反，通過鍍膜等方式在光刻膠表面沉積上一層目標(biāo)材料。在沒有光刻膠的區(qū)域目標(biāo)材料與襯底直接接觸，在有光刻膠的區(qū)域，目標(biāo)材料與襯底之間被光刻膠隔離開來。

⑵離子注入：摻雜一定量的污染物來改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能。離子注入使用一束摻雜離子在光刻膠圖案襯底上方加速。光刻膠殘留的區(qū)域離子會被阻擋，未被光刻膠覆蓋的區(qū)域被離子嵌入，形成了選擇性摻雜的區(qū)域。

⑶金屬剝離（lift-off）：它是在襯底上用光刻工藝獲得圖案化的光刻膠結(jié)構(gòu)或者金屬等掩膜，然后以具有一定圖形的光致抗蝕劑膜為掩模，帶膠蒸發(fā)所需的金屬，最后在去除光致抗蝕劑的同時(shí)，把膠膜上的金屬一起剝離干凈，在基片上只剩下原刻出圖形的金屬。

10.去膠（remove）：

光刻膠作為掩膜材料在半導(dǎo)體加工工藝中起到了圖形復(fù)制和傳遞的作用，而一旦刻蝕工藝（或者其他工藝）完成，光刻膠的使命也就完成，必須將其完全清除干凈，這一工序就是去膠。

在集成電路?藝中，去膠的?法包括濕法去膠和?法去膠，在濕法去膠中?分為有機(jī)溶劑去膠和?機(jī)溶劑去膠。使?有機(jī)溶劑去膠，主要是使光刻膠溶于有機(jī)溶劑中，從?達(dá)到去膠的?的。有機(jī)溶劑去膠中使?的溶劑主要有丙酮和芳?族的有機(jī)溶劑。?機(jī)熔液去膠的原理是利?光刻膠本?也是有機(jī)物的特點(diǎn)（主要由碳和氫等元素構(gòu)成的化合物），通過使??些?機(jī)溶劑（如硫酸和雙氧?等），將光刻膠中的碳元素氧化稱為?氧化碳，這樣就可以把光刻膠從硅?的表?除去。

寫在最后

以上是光刻工藝的一般步驟，具體的工藝參數(shù)和步驟可能因應(yīng)用和芯片制造技術(shù)的不同而有所變化。光刻工藝的優(yōu)化和控制是集成電路制造中的關(guān)鍵技術(shù)之一，對于實(shí)現(xiàn)高精度、高性能的微納米器件具有重要意義。