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半导体 | 光刻工艺概述

发布：北京爱蛙科技有限公司

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光刻工艺是集成电路制造中至关重要的环节。它通过一系列复杂的步骤，包括涂覆光刻胶、曝光、显影等，将设计好的电路图案精确地转移到半导体晶圆表面。

光刻工艺的精度和准确性直接影响着芯片的性能和质量，是实现微小化、高密度集成的关键技术，需要高精度的设备、优质的光刻胶以及严格的环境控制，以确保图案的清晰、准确和一致性。

一、光刻工艺概述

光刻蚀工艺是和照相、蜡纸印刷比较接近的一种多步骤的图形转移过程。开始将一个电路的设计转化为器件和电路的各个部分的3个维度。接下来绘出X-Y(表面)的尺寸、形状和表面对准的复合图。然后将复合图分割成单独掩模层(一套掩模)。这个电子信息被加载到图形发生器中。来自图形发生器(pattemgenerator)的信息又被用来制造放大掩模版(reticle)和光刻掩模版(photomask)。或者信息可以驱动曝光和对准设备来直接将图形转移到晶圆上。

有3种主要技术被用于在晶圆表面层产生独立层图形。它们是:

复制在一块石英板(reticle)上铬层的芯片专门层的图形。依次使用reticle 来产生一个携带用于整个晶圆图形的光掩模。
relicle 可以使用步进光刻机(stepper),直接用于晶圆表面层的图形。
在图形发生器中的电路层的信息(尺寸、形状和对准等)可以直接用于导引电子束或其他源到晶片表面(directwrite)。

这里描述的十步基本图形化工艺在对准和曝光步骤使用放大掩模版或光刻掩模版。图形转移是通过两步来完成的。

第一次图形转移是从掩模版到光刻胶层。光刻胶类似胶卷上所涂的感光物质。曝光后会导致它自身性质和结构的变化。如下所示，光刻胶被光的部分由可溶性物质变成了非溶性物质。这种光刻胶类型被称为负胶(negativeacting)，这种化学变化称为聚合(polymerizaion)。通过化学溶剂(显影剂)把可以溶解的部分去掉，就会在光刻胶层留下一个孔，这个孔和掩模版或光刻母版不透光的部分相对应。

第二次图形转移是从光刻胶层到晶圆层。当刻蚀剂把晶圆表面没有被光刻胶盖住的部分去掉时，图形转移就发生了。光刻胶的化学性决定了它不会在化学刻蚀溶剂中溶解或是慢慢溶解;它们是抗刻蚀的(etchresistant),因此被称为抗蚀剂(Resist)或是光致抗蚀剂(Photoresist)。

在上图中，晶圆表面形成了孔洞。孔洞的形成是由于在掩模版上那一部分是不透光的。如果掩模版的图形是由不透光的区域决定的，则称为亮场掩模版(clear-field mask)。而在一个暗场掩模版( dark-feld mask)中，在掩模版上图形是用相反的方式编码的。如果按照同样的步骤，就会在晶圆表面留下岛区。

刚刚我们介绍了对光有负效应的光刻胶，称为负胶。同样还有对光有正效应的光刻胶称为正胶。光可以改变正胶的化学结构从不可溶到可溶。这种变化称为光致溶解(photosolu-bilization)。下图显示了用正胶和亮场掩模版在晶圆表面产生岛区的情况。

用正光刻胶和亮场掩模版转移以产生岛区

二、光刻工艺过程

把图像从掩模版转移到晶圆表面是由多个步骤来完成的。特征图形尺寸、对准容限、晶圆表面情况和光刻层数都会影响到特定光刻工艺的难易程度和每一步骤的工艺。许多光刻工艺都被定制成特定的工艺条件。然而，大部分都是基本光刻十步法的变异或选项。我们所演示的这个工艺过程是一个亮场掩模版和负胶相作用的过程。

从第1步到第7步发生了第一次图形转移。在第8步、第9步和第10步中,图形被转移到了晶圆表面层(第二次图形转移)。

三、光刻胶的性质

光刻胶是光刻工艺的核心。准备、烘焙、曝光、刻蚀和去除工艺会根据特定的光刻胶性质和想达到的预期结果而进行微调。光刻胶的选择和光刻胶工艺的研发是一项非常漫长而复杂的过程。一旦一种光刻工艺被建立，是极少改变的。

1）化学性质

光刻胶的生产既是为了普通的需求，也是为了特定的需求。它们会根据不同光的波长和不同的曝光源而进行调试。光刻胶具有特定的热流动性特点，用特定的方法配制而成，与特定的表面结合。这些属性是由光刻胶里不同化学成分的类型、数量以及混合过程来决定的。在光刻胶里有4种基本的成分:聚合物、溶剂、感光剂和添加剂.

光敏性和对能量敏感的聚合物:对光刻胶光敏性有影响的成分是一些对光和能量敏感的特殊聚合物。聚合物是由一组大而重的分子组成的，这些分子包括碳、氢和氧。塑料就是一种典型的聚合物。

光刻胶被设计成与紫外线和激光反应，称为光学光刻胶(opticalresist)。还有其他光刻胶可以与X射线或者电子束反应。在一种负胶中，聚合物曝光后会由非聚合状态变为聚合状态。实际上这些聚合物形成了一种相互交联的物质，它是抗刻蚀的物质(化学结构如下图)。当光刻胶被加热或正常光照射也会发生聚合反应。为了防止意外曝光，负胶的生产是在黄光的条件下进行的。

溶剂:光刻胶中容量最大的成分是溶剂。溶剂使光刻胶处于液态，并且使光刻胶能够通过旋转的方法涂在晶圆表面形成一个薄层。光刻胶是和涂料相类似的，包含染色剂，这种染色剂在适当的溶剂中会被溶解。溶剂用于负胶的溶剂是一种芬芳的二甲苯(xylene)。在正胶中，溶剂是乙酸乙氧乙酯( ethoxyethyl acetate)或者是二甲氧基乙醛(2-methoxyethyl)。

光敏剂:光敏剂被加到光刻胶中用来限制反应光的波谱范围或者把反应光限制到某一特定波长。在负胶中，一种称为bis-aryldiazide 的混合物被加到聚合物中来提供光敏性。在正胶中，光敏剂是o-naphthaquinonediazide。

添加剂:不同类型的添加剂和光刻胶混合在一起来达到特定的结果。一些负胶包含染色剂，它在光刻胶薄膜中用来吸收和控制光线。正胶可能会有化学的抗溶解系统(dissolutioninhibitor system)。这些添加剂可以阻止光刻胶没有被曝光的部分在显影过程被溶解。

2）光刻胶性能的要素

光刻胶的选择是一个复杂的过程。主要的决定因素是晶圆表面对尺寸的要求及在刻蚀过程中阻挡刻蚀的功能。另外，光刻胶必须能和晶圆表面很好地黏结，否则刻蚀后的图形就会发生扭曲，就像是如果在印刷过程中蜡纸没有和表面贴紧的话，就会得到一个溅污的图形。以上那些，连同工艺纬度和阶梯覆盖能力，都是光刻胶性能的要素。在光刻胶的选择过程中，工艺师通常会在不同的性能因素中做出权衡。

分辨率

在光刻胶层能够产生的最小图形或其间距通常被作为对光刻胶分辨率(resolutioncapability)的参考。在晶圆上最关键的器件和电路的尺寸(CD)是图形化工艺的目标。产生的图形或其间距越小，说明分辨率越高。一种特定光刻胶的分辨率，实际是指特定工艺的分辨率，它包括曝光源和显影工艺。改变其他的工艺参数会改变光刻胶固有的分辨率。总体来说，越细的线宽需要越薄的光刻胶膜来产生。然而，光刻胶膜必须要足够厚来实现阻挡刻蚀的功能，并且保证不能有针孔。光刻胶的选择是这两个目标的权衡。

用深宽比(aspectratio)来衡量光刻胶与分辨率和光刻胶厚度相关的特殊能力。深宽比是光刻胶厚度与图形开口尺寸的比值。

随着业界要求更小的图形，图形密度和形状因子开始在光刻胶设计方面产生影响。对于一种给定的光刻胶，孤立图形，小接触孔和高密度图形的区域，由于反射效果和化学反应因素，整个曝光和显影都不同。从而，有专门用于这些情况而设计的光刻胶。正胶比负胶有更高的深宽比，也就是说，对于先进的高密度甚大规模集成电路，更合适选用正胶。

黏结能力

作为刻蚀阻挡物，光刻胶层必须和晶圆表面层黏结得很好，才能够忠实地把光刻胶层的图形转移到晶圆表面层。缺乏黏附性将导致图形畸变。在半导体生产过程中，对于不同的表面，光刻胶的黏结能力是不同的。在光刻胶工艺中,有很多步骤是特意为了增加光刻胶对晶圆表面的自然黏结能力而设计的。负胶通常比正胶有更强的黏结能力。

针孔

针孔是光刻胶层尺寸非常小的空洞。针孔是有害的，因为它会允许刻蚀剂渗过光刻胶层进而在晶圆表面层刻蚀出小孔。针孔是在涂胶工艺中由环境中的微粒污染物造成的，也可以由光刻胶层结构上的空洞造成。光刻胶层越薄，针孔越多。因此，光刻胶厚膜上的针孔比薄膜上的针孔要少,但是它却降低了光刻胶的分辨率。这两个因素是光刻胶厚度选择过程中的一个典型的权衡。正胶的一个重要的优点就是有更高的深宽比，这个特性能够允许正胶用更厚的光刻胶膜，以达到想要的图形尺寸并且针孔更少。

微粒和污染水平

光刻胶，和其他工艺化学品一样,必须在微粒含量、钠和微量金属杂质，以及水含量方面能达到严格的标准。

台阶覆盖度

晶圆在进行光刻工艺之前，晶圆表面已经有了很多层。随着晶圆生产工艺的进行，晶圆表面得到了更多的层。为了使光刻胶有阻挡刻蚀的作用，它必须在以前层上面保有足够的膜厚。光刻胶用足够厚的膜覆盖晶圆表面层的能力是一个非常重要的参数。

热流程

在光刻工艺过程中有两个加热的过程。第一个称为软烘焙(sofbake)，用来把光刻胶里的溶剂蒸发掉。第二个称为硬烘焙(hardbake),它发生在图形在光刻胶层被显影之后。硬烘焙的目的是为了增加光刻胶对晶圆表面的黏结能力。然而，光刻胶作为像塑料一样的物质，在硬烘焙工艺中会变软和流动。流动的量会对最终的图形尺寸有重要的影响。在烘焙的过程中光刻胶必须保持它的形状和结构，或者说在工艺设计中必须考虑到热流程带来的尺寸变化。

正胶、负胶的比较

使用负胶和正胶时图形尺寸的变化

(a)亮场掩模版和负胶组合，图形尺寸变小;

(b)暗场掩模版和正胶组合，图形尺寸变大

对于大多数掩模版来说,图形大部分都是空洞。用正胶和暗场掩模版组合还可以在晶圆表面得到附加的针孔保护(见下图)。亮场掩模版在玻璃表面会倾向于有裂纹。这些裂纹称为玻璃损伤(glass damage),它会挡住曝光源而在光刻胶表面产生不希望的小孔,结果就会在晶圆表面刻蚀出小孔。那些在光刻胶透明区域上的污垢也会造成同样的结果。在暗场掩模版上，大部分都被铬覆盖住了，所以不容易有针孔出现。因此，晶圆表面也就会有比较少的孔洞。对于非常小的图形面积，正胶是唯一的选择。

(a)有污垢和玻璃损伤裂纹的亮场掩模版

(b)显影后在负胶上的结果

去除光刻胶也是一个因素。总体来说，去除正胶会比去除负胶要容易，它发生在那些受环境影响比较小的化学品中。生产器件和电路的制造领域，对于那些图形尺寸大于2μm的工艺还是在用负胶。下图显示了这两种类型光刻胶属性的比较。

3）光刻胶的物理属性

固体含量

光刻胶是一种液体，它通过旋转的方式涂到晶圆表面。光刻胶留在晶圆表面的厚度是由涂胶工艺的参数和光刻胶的属性--固体含量(solid content)和黏度( viscosity)来决定的。光刻胶是由聚合物、光敏剂和添加剂混合在溶剂中构成的。不同的光刻胶会包含有不同数量的固体物。这个数量指的是光刻胶的固体含量，它是由光刻胶中质量百分比来表示的。固体含量的范围通常在20%~40%之间。

黏度

黏度是液体流动数量上的测量。高黏度液体流动较慢，如拖拉机油。低黏度液体比较容易流动，如水。对于这两种情况,流动的机理是一样的。当液体被灌注时,液体中的分子之间相互滚动。当分子滚动时，它们之间存在一种引力。这种引力起到了一种类似于内部摩擦力的作用。黏度就是这种摩擦力的度量。

黏度可以通过几种不同的技术方法来测量。大多光刻胶生产商是通过在光刻胶中转动叶片来测量黏度的。黏度越高，在恒定速度下转动叶片所需要的力就越大。旋转叶片的测量方法说明了黏度的力相关性。

表面张力

光刻胶表面张力也会影响涂胶工艺的结果。表面张力是液体表面吸引力的测量(见下图)。具有高表面张力的液体在一个平面上不易流动。表面张力会使液体在表面或管子中拉成一个球面。

折射系数

光刻胶的光学性质会在曝光系统中产生作用。一个性质是折射(refaction)，或者说光通过一个透明或半透明介质时会被弯曲。物体在水中的实际位置与从水表面所看到的位置是不同的，这种现象就是折射。这是由于光线被物质减慢而造成的。折射系数(indexofrefraction)是光在物质中速度相对于光在空气中的速度的测量(见下图)它是反射角度和入射角度的比值。对于光刻胶，它的折射率和玻璃比较接近，大约是1.45。

折射率 (a)90°人射光;(b)斜入射光在透明薄膜中折射

黏性敏感度

黏性的控制对于良好的膜厚控制是最基本的。要想保持光刻胶的黏性，光刻胶在使用之前必须保持密封状态。打开瓶子会使光刻胶里的溶剂蒸发，光刻胶里的固体含量就会相应增加，进而光刻胶的黏性就会增强。如果光刻胶从塑料管中喷洒出来，那么这种塑料物质必须经过测试以保证光刻胶不会从这种物质中渗出可塑剂。可塑剂会增加光刻胶的黏性。光刻胶还可以存储在密封的真空袋中。光刻胶在存储和运输过程中都要受到保护。在使用过程中，光刻胶喷洒时，密封袋连续塌进，以保证空气不会到达光刻胶表面。