[科普中國(guó)]-光刻工藝

光刻（英語(yǔ)：photolithography）工藝是半導(dǎo)體器件制造工藝中的一個(gè)重要步驟，該步驟利用曝光和顯影在光刻膠層上刻畫(huà)幾何圖形結(jié)構(gòu)，然后通過(guò)刻蝕工藝將光掩模上的圖形轉(zhuǎn)移到所在襯底上。這里所說(shuō)的襯底不僅包含硅晶圓，還可以是其他金屬層、介質(zhì)層，例如玻璃、SOS中的藍(lán)寶石。

概述下面以襯底上金屬連接的刻蝕為例講解光刻過(guò)程。

首先，通過(guò)金屬化過(guò)程，在硅襯底上布置一層僅數(shù)納米厚的金屬層。然后在這層金屬上覆上一層光刻膠。這層光阻劑在曝光（一般是紫外線）后可以被特定溶液（顯影液）溶解。使特定的光波穿過(guò)光掩膜照射在光刻膠上，可以對(duì)光刻膠進(jìn)行選擇性照射（曝光）。然后使用前面提到的顯影液，溶解掉被照射的區(qū)域，這樣，光掩模上的圖形就呈現(xiàn)在光刻膠上。通常還將通過(guò)烘干措施，改善剩余部分光刻膠的一些性質(zhì)。

上述步驟完成后，就可以對(duì)襯底進(jìn)行選擇性的刻蝕或離子注入過(guò)程，未被溶解的光刻膠將保護(hù)襯底在這些過(guò)程中不被改變。

刻蝕或離子注入完成后，將進(jìn)行光刻的最后一步，即將光刻膠去除，以方便進(jìn)行半導(dǎo)體器件制造的其他步驟。通常，半導(dǎo)體器件制造整個(gè)過(guò)程中，會(huì)進(jìn)行很多次光刻流程。生產(chǎn)復(fù)雜集成電路的工藝過(guò)程中可能需要進(jìn)行多達(dá)50步光刻，而生產(chǎn)薄膜所需的光刻次數(shù)會(huì)少一些。1

光刻膠主條目：光刻膠

光刻中采用的感光物質(zhì)被稱為光刻膠，主要分為正光刻膠和負(fù)光刻膠兩種。正光刻膠未被光照的部分在顯影后會(huì)被保留，而負(fù)光刻膠被感光的部分在顯影后會(huì)被保留。光刻膠不僅需要對(duì)指定的光照敏感，還需要在之后的金屬刻蝕等過(guò)程中保持性質(zhì)穩(wěn)定。不同的光刻膠一般具有不同的感光性質(zhì)，有些對(duì)所有紫外線光譜感光，有些只對(duì)特定的光譜感光，也有些對(duì)X射線或者對(duì)電子束感光。光刻膠需要保存在特殊的遮光器皿中。2

步驟襯底的準(zhǔn)備在涂抹光刻膠之前，硅襯底一般需要進(jìn)行預(yù)處理。一般情況下，襯底表面上的水分需要蒸發(fā)掉，這一步通過(guò)脫水烘焙來(lái)完成。此外，為了提高光刻膠在襯底表面的附著能力，還會(huì)在襯底表面涂抹化合物。目前應(yīng)用的比較多的是六甲基乙硅氮烷（hexa-methyl-disilazane, HMDS）、三甲基甲硅烷基二乙胺（tri-methyl-silyl-diethyl-amime, TMSDEA）等。

光刻膠的涂抹在這一步中，需要將光刻膠均勻、平整地分布在襯底表面上。

首先，將硅片放在一個(gè)平整的金屬托盤(pán)上，托盤(pán)內(nèi)有小孔與真空管相連。由于大氣壓力的作用，硅片可以被“吸附”在托盤(pán)上，這樣硅片就可以與托盤(pán)一起旋轉(zhuǎn)。涂膠工藝一般分為三個(gè)步驟：

將光刻膠溶液噴灑在硅片表面；

加速旋轉(zhuǎn)托盤(pán)（硅片），直到達(dá)到所需的旋轉(zhuǎn)速度；

達(dá)到所需的旋轉(zhuǎn)速度之后，以這一速度保持一段時(shí)間。以旋轉(zhuǎn)的托盤(pán)為參考系，光刻膠在隨之旋轉(zhuǎn)受到離心力，使得光刻膠向著硅片外圍移動(dòng)，故涂膠也可以被稱作甩膠。經(jīng)過(guò)甩膠之后，留在硅片表面的光刻膠不足原有的1%。

軟烘干完成光刻膠的涂抹之后，需要進(jìn)行軟烘干操作，這一步驟也被稱為前烘。

在液態(tài)的光刻膠中，溶劑成分占65%－85%。雖然在甩膠之后，液態(tài)的光刻膠已經(jīng)成為固態(tài)的薄膜，但仍有10%－30%的溶劑，容易沾污灰塵。通過(guò)在較高溫度下進(jìn)行烘培，可以使溶劑從光刻膠中揮發(fā)出來(lái)（前烘后溶劑含量降至5%左右），從而降低了灰塵的沾污。同時(shí)，這一步驟還可以減輕因高速旋轉(zhuǎn)形成的薄膜應(yīng)力，從而提高光刻膠 襯底上的附著性。

在前烘過(guò)程中，由于溶劑揮發(fā)，光刻膠厚度也會(huì)減薄，一般減薄的幅度為10%－20%左右。

曝光在這一步中，將使用特定波長(zhǎng)的光對(duì)覆蓋襯底的光刻膠進(jìn)行選擇性地照射。光刻膠中的感光劑會(huì)發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，從而使正光刻膠被照射區(qū)域（感光區(qū)域）、負(fù)光刻膠未被照射的區(qū)域（非感光區(qū)）化學(xué)成分發(fā)生變化。這些化學(xué)成分發(fā)生變化的區(qū)域，在下一步的能夠溶解于特定的顯影液中。

在接受光照后，正性光刻膠中的感光劑DQ會(huì)發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，變?yōu)橐蚁┩?，并進(jìn)一步水解為茚并羧酸（Indene-Carboxylic-Acid, CA），羧酸在堿性溶劑中的溶解度比未感光部分的光刻膠高出約100倍，產(chǎn)生的羧酸同時(shí)還會(huì)促進(jìn)酚醛樹(shù)脂的溶解。利用感光與未感光光刻膠對(duì)堿性溶劑的不同溶解度，就可以進(jìn)行掩膜圖形的轉(zhuǎn)移。

顯影通過(guò)在曝光過(guò)程結(jié)束后加入顯影液，正光刻膠的感光區(qū)、負(fù)光刻膠的非感光區(qū)，會(huì)溶解于顯影液中。這一步完成后，光刻膠層中的圖形就可以顯現(xiàn)出來(lái)。為了提高分辨率，幾乎每一種光刻膠都有專門(mén)的顯影液，以保證高質(zhì)量的顯影效果。

硬烘干光刻膠顯影完成后，圖形就基本確定，不過(guò)還需要使光刻膠的性質(zhì)更為穩(wěn)定。硬烘干可以達(dá)到這個(gè)目的，這一步驟也被稱為堅(jiān)膜。在這過(guò)程中，利用高溫處理，可以除去光刻膠中剩余的溶劑、增強(qiáng)光刻膠對(duì)硅片表面的附著力，同時(shí)提高光刻膠在隨后刻蝕和離子注入過(guò)程中的抗蝕性能力。另外，高溫下光刻膠將軟化，形成類似玻璃體在高溫下的熔融狀態(tài)。這會(huì)使光刻膠表面在表面張力作用下圓滑化，并使光刻膠層中的缺陷（如針孔）減少，這樣修正光刻膠圖形的邊緣輪廓。

刻蝕或離子注入主條目：刻蝕和離子注入

光刻膠的去除這一步驟簡(jiǎn)稱去膠?？涛g或離子注入之后，已經(jīng)不再需要光刻膠作保護(hù)層，可以將其除去。去膠的方法分類如下：

濕法去膠

有機(jī)溶劑去膠：利用有機(jī)溶劑除去光刻膠

無(wú)機(jī)溶劑：通過(guò)使用一些無(wú)機(jī)溶劑，將光刻膠這種有機(jī)物中的碳元素氧化為二氧化碳，進(jìn)而而將其除去

干法去膠：利用等離子體將光刻膠剝除

除了這些主要的工藝以外，還經(jīng)常采用一些輔助過(guò)程，比如進(jìn)行大面積的均勻腐蝕來(lái)減小襯底的厚度，或者去除邊緣不均勻的過(guò)程等等。一般在生產(chǎn)半導(dǎo)體芯片或者其它元件時(shí)，一個(gè)襯底需要多次重復(fù)光刻。3

優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)光刻的優(yōu)點(diǎn)是它可以精確地控制形成圖形的形狀、大小，此外它可以同時(shí)在整個(gè)芯片表面產(chǎn)生外形輪廓。不過(guò)，其主要缺點(diǎn)在于它必須在平面上使用，在不平的表面上它的效果要差一些。此外它還要求襯底具有極高的清潔條件。3

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

張磊 - 副教授 - 西南大學(xué)