光刻技術

光刻技術是指在光照作用下，藉助光致抗蝕劑（又名光刻膠）將掩膜版上的圖形轉移到基片上的技術。其主要過程為：首先紫外光通過掩膜板照射到附有一層光刻膠薄膜的基片表面，引起曝光區域的光刻膠發生化學反應；再通過顯影技術溶解去除曝光區域或未曝光區域的光刻膠（前者稱正性光刻膠，後者稱負性光刻膠），使掩膜版上的圖形被複制到光刻膠薄膜上；最後利用刻蝕技術將圖形轉移到基片上。

兩種工藝

常規光刻技術是採用波長為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）媒介實現圖形的變換、轉移和處理，最終把圖像信息傳遞到晶片(主要指矽片)或介質層上的一種工藝。在廣義上，它包括光複印和刻蝕工藝兩個主要方面。

①光複印工藝：經曝光系統將預製在掩模板上的器件或電路圖形按所要求的位置，精確傳遞到預塗在晶片表面或介質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層除去，從而在晶片表面或介質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覆進行。例如，大規模集成電路要經過約10次光刻才能完成各層圖形的全部傳遞。

在狹義上，光刻工藝僅指光複印工藝，從④到⑤或從③到⑤的工藝過程。

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別，在於曝光時掩模與鏡片間相對關係是貼緊還是分開。接觸式曝光具有解析度高、複印面積大、複印精度好、曝光設備簡單、操作方便和生產效率高等特點。但容易損傷和沾污掩模版和晶片上的感光膠塗層，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，接觸式曝光只適於分立元件和中、小規模集成電路的生產。

非接觸式曝光主要指投影曝光。在投影曝光系統中，掩膜圖形經光學系統成像在感光層上，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的要求。但投影曝光設備複雜，技術難度高，因而不適於低檔產品的生產。現代應用最廣的是1:1倍的全反射掃描曝光系統和x:1倍的在矽片上直接分步重複曝光系統。

直接分步重複曝光系統(dsw)超大規模集成電路需要有高解析度、高套刻精度和大直徑晶片加工。直接分步重複曝光系統是為適應這些相互制約的要求而發展起來的光學曝光系統。主要技術特點是：①採用像面分割原理，以覆蓋最大晶元面積的單次曝光區作為最小成像單元，從而為獲得高解析度的光學系統創造條件。②採用精密的定位控制技術和自動對準技術進行重複曝光，以組合方式實現大面積圖像傳遞，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採用精密自動調焦技術，避免高溫工藝引起的晶片變形對成像質量的影響。⑤採用原版自動選擇機構（版庫），不但有利於成品率的提高，而且成為能靈活生產多電路組合的常規曝光系統。這種系統屬於精密複雜的光、機、電綜合系統。它在光學系統上分為兩類。一類是全折射式成像系統，多採用1/5～1/10的縮小倍率，技術較成熟；一類是1:1倍的折射-反射系統，光路簡單，對使用條件要求較低。

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：受光照部分發生降解反應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。正性抗蝕劑具有解析度高、對駐波效應不敏感、曝光容限大、針孔密度低和無毒性等優點，適合於高集成度器件的生產。②負性光致抗蝕劑：受光照部分產生交鏈反應而成為不溶物，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，適於低集成度的器件的生產。

半導體器件和集成電路對光刻曝光技術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光學的極限。光刻曝光的常用波長是3650～4358埃，預計實用解析度約為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，此時可達到的實用解析度約為0.5～0.7微米。微米級圖形的光複印技術除要求先進的曝光系統外，對抗蝕劑的特性、成膜技術、顯影技術、超凈環境控制技術、刻蝕技術、矽片平整度、變形控制技術等也有極高的要求。因此，工藝過程的自動化和數學模型化是兩個重要的研究方向。

準分子光刻技術作為當前主流的光刻技術，主要包括：特徵尺寸為0．1μm的248nmKrF準分子激光技術；特徵尺寸為90nm的193nmArF準分子激光技術；特徵尺寸為65nm的193nmArF浸沒式技術（Immersion，193i）。其中193nm浸沒式光刻技術是所有光刻技術中最為長壽且最富有競爭力的，也是如何進一步發揮其潛力的研究熱點。傳統光刻技術光刻膠與曝光鏡頭之間的介質是空氣，而浸沒式技術則是將空氣換成液體介質。實際上，由於液體介質的折射率相比空氣介質更接近曝光透鏡鏡片材料的折射率，等效地加大了透鏡口徑尺寸與數值孔徑（NA），同時可以顯著提高焦深（DOF）和曝光工藝的寬容度（EL），浸沒式光刻技術正是利用這個原理來提高其解析度。

世界三大光刻機生產商ASML，Nikon和Cannon的第一代浸沒式光刻機樣機都是在原有193nm乾式光刻機的基礎上改進研製而成，大大降低了研發成本和風險。因為浸沒式光刻系統的原理清晰而且配合現有的光刻技術變動不大，193nmArF準分子激光光刻技術在65nm以下節點半導體量產中已經廣泛應用；ArF浸沒式光刻技術在45nm節點上是大生產的主流技術。

為把193i技術進一步推進到32和22nm的技術節點上，光刻專家一直在尋找新的技術，在沒有更好的新光刻技術出現前，兩次曝光技術（或者叫兩次成型技術，DPT）成為人們關注的熱點。ArF浸沒式兩次曝光技術已被業界認為是32nm節點最具競爭力的技術；在更低的22nm節點甚至16nm節點技術中，浸沒式光刻技術也具有相當大的優勢。

浸沒式光刻技術所面臨的挑戰主要有：如何解決曝光中產生的氣泡和污染等缺陷的問題；研發和製造具有良好的兼容性且折射率大於1．8的光刻膠的問題；研發折射率較大的光學鏡頭材料和浸液體的體材料；以及有效數值孔徑N得值的拓展等問題。針對這些難題挑戰，國內外學者以及ASML，Nikon和IBM等公司已經做了相關研究並提出相應的對策。浸沒式光刻機將朝著更高數值孔徑發展，以滿足更小光刻線寬的要求。

提高光刻技術解析度的傳統方法是增大鏡頭的NA或縮短波長，通常首先採用的方法是縮短波長。早在80年代，極紫外光刻技術就已經開始理論的研究和初步的實驗，該技術的光源是波長為11～14nm的極端遠紫外光，其原理主要是利用曝光光源極短的波長達到提高光刻技術解析度的目的。由於所有的光學材料對該波長的光有強烈的吸收，所以只能採取反射式的光路。EUV系統主要由四部分組成，即反射式投影曝光系統、反射式光刻掩模版、極紫外光源系統和能用於極紫外的光刻塗層。其主要成像原理是光波波長為10～14nm的極端遠紫外光波經過周期性多層膜反射鏡投射到反射式板模版上，通過反射式掩模版反射出的極紫外光波再通過由多面反射鏡組成的縮小投影系統，將反射式掩模版上的集成電路幾何圖形投影成像到矽片表面的光刻膠中，形成集成電路製造所需要的光刻圖形。

目前EUV技術採用的曝光波長為13．5nm，由於其具有如此短的波長，所有光刻中不需要再使用光學鄰近效應校正（OPC）技術，因而它可以把光刻技術擴展到32nm以下技術節點。2009年9月Intel第一次向世人展示了22nm工藝晶圓，稱繼續使用193nm浸沒式光刻技術，並規劃與EUV及EBL曝光技術相配合，使193nm浸沒式光刻技術延伸到15和11nm工藝節點。

1.氣相成底模

2.旋轉烘膠

3.軟烘

4.對準和曝光

5.曝光后烘焙（PEB）

6.顯影

7.堅膜烘焙

8.顯影檢查

光刻是平面型晶體管和集成電路生產中的一個主要工藝。是對半導體晶片表面的掩蔽物(如二氧化硅)進行開孔，以便進行雜質的定域擴散的一種加工技術。