芯课堂 ∣ 什么是光刻技术？

现代电子设备的发展史总是与芯片的不断进步紧密联系在一起。人们熟知的摩尔定律就很好地总结了芯片的发展规律。而光刻技术正是实现并推动摩尔定律不断延续的关键因素之一。光刻机也被称为半导体产业皇冠上的明珠。

光刻是IC制造业中最为重要的一道工艺，占据了芯片制造中大约一半的步骤，占总成本的35%。它的作用，如同金工车间中车床的作用。在整个芯片制造工艺中，都离不开光刻技术。

光刻（Lithography）技术是指光刻胶在特殊波长光线或者电子束下发生化学变化，通过曝光、显影、刻蚀等工艺过程，将设计在掩膜上的图形转移到衬底上的图形精细加工技术。字面理解，就是用光来进行“雕刻”，这个过程可以理解为在晶圆表面绘制集成电路的平面图。

 曝光系统简易图2

光刻并不是一个简单的过程，它要经历很多步骤：

硅片经过不同工序加工后，其表面已受到严重沾污，因此清洗硅片的目的是去除污染物去除颗粒、减少针孔和其它缺陷，提高光刻胶黏附性。

涂胶即是在硅片上形成厚度均匀、附着性强、没有缺陷的光刻胶薄膜。为了增强光刻胶薄膜与硅片之间的附着力，往往需要先用六甲基二硅氮烷（HMDS）、三甲基硅烷基二乙胺（TMSDEA）等物质对硅片进行表面改性，随后以旋涂的方式制备光刻胶薄膜。

涂胶工序是图形转换工艺中重要的步骤。涂胶的质量直接影响到所加工器件的缺陷密度。为了保证线宽的重复性和接下去的显影时间，同一个样品的胶厚均匀性和不同样品间的胶厚一致性不应超过±5nm(对于1.5um胶厚为±0.3%)。根据性质的不一样，光刻胶可以分为正胶和负胶。

完成光刻胶的涂抹之后，薄膜依旧会残留有10％－30％的溶剂，容易沾污灰尘，需要进行软烘干操作，这一步骤也被称为前烘。经过较高温度的烘烤，可以将溶剂可以使溶剂从光刻胶中挥发出来，此时光刻胶的含量会降低至5%左右。同时，这一步骤还可以减轻因高速旋转形成的薄膜应力，从而提高光刻胶衬底上的附着性。

光刻对准技术是光刻三大核心技术之一。一般要求对准精度为最细线宽尺寸的 1/7---1/10。随着光刻分辨力的提高 ，对准精度要求也越来越高 ，例如针对45am线宽尺寸 ，对准精度要求在5am 左右。

曝光即将特定波长的光对光刻胶进行选择性照射，此时光反应发生，光照部分（感光区域）与非光照部分（非感光区域）发生化学反应，产生溶解性的差异。使用的光刻机也根据不同的曝光原理，分为接触式曝光，接近式曝光和投影式曝光。

简单讲，就是在接受关照之后，正性光刻胶中的感光剂DQ会发生光化学反应，变为乙烯酮，并进一步水解为茚并羧酸（Indene-Carboxylic-Acid, CA），羧酸在碱性溶剂中的溶解度比未感光部分的光刻胶高出约100倍，产生的羧酸同时还会促进酚醛树脂的溶解。利用感光与未感光光刻胶对碱性溶剂的不同溶解度，就可以进行掩膜图形的转移。

对准曝光过程通常要在黄光实验室中进行。

这一步就是将产品浸没于显影液之中，此时正性胶的曝光区和负性胶的非曝光区则会在显影中溶解，以此呈现出三维的图形。为了提高分辨率，几乎每一种光刻胶都有专门的显影液，以保证高质量的显影效果。

现在有二种显影方法，一是湿显影，另一种是干显影。

经过显影后的晶片，图形基本确定，但还需要一个高温处理过程，除去光刻胶中剩余的溶剂、增强光刻胶对硅片表面的附着力，同时提高光刻胶在随后刻蚀和离子注入过程中的抗蚀性能力。另外，高温下光刻胶将软化，形成类似玻璃体在高温下的熔融状态。这会使光刻胶表面在表面张力作用下圆滑化，并使光刻胶层中的缺陷（如针孔）减少，这样修正光刻胶图形的边缘轮廓。

刻蚀是半导体器件制造中利用化学途径选择性地移除沉积层特定部分的工艺。刻蚀对于器件的电学性能十分重要。刻蚀最主要的目的就是在下层材料上重现与光刻胶相同的图形。刻蚀主要分为湿法刻蚀和干法刻蚀。

湿法刻蚀：利用液态化学试剂或溶液通过化学反应进行刻蚀的方法。

干法刻蚀：利用低压放电产生的等离子体中的离子与材料发生化学反应或通过轰击等物理作用进行图案转移。

在完成刻蚀或离子注入后，已经不再需要光刻胶作保护层，需要将半导体衬底上的光刻胶去除，保护光刻胶下的衬底部分，这一步骤称为去胶。在集成电路工艺中，去胶的方法包括湿法去胶和干法去胶，在湿法去胶中又分为有机溶剂去胶和无机溶剂去胶。

使用有机溶剂去胶，主要是使光刻胶溶于有机溶剂中，从而达到去胶的目的。无机熔液去胶的原理是利用光刻胶本身也是有机物的特点，通过使用一些无机溶剂（如硫酸和双氧水等），将光刻胶中的碳元素氧化，这样就可以把光刻胶从硅片的表面除去。

干法去胶则是利用等离子体将光刻胶去除。相对于湿法去胶，干法去胶的效果更好，但是由于干法去胶存在反应残留物的玷污问题，因此干法去胶与湿法去胶经常搭配使用。

总而言之，在半导体产业七十多年的进程中，正是光刻技术的不断改进推动了芯片结构的迭代升级。