光刻工艺的基本步骤

传统的光刻工艺是相对目前已经或尚未应用于集成电路产业的先进光刻工艺而言的，普遍认为 193nm 波长的 ArF 深紫外光刻工艺是分水岭（见下表）。这是因为 193nm 的光刻依靠浸没式和多重曝光技术的支撑，可以满足从 0.13um至7nm 共9个技术节点的光刻需要。

为了将掩模版（也称掩膜版）上的设计线路图形转移到硅片 上，首先需要通过曝光工艺（俗称光刻）来实现转移，然后通过刻蚀工艺得到硅图形：由于光刻工艺区的照明采用的是感光材料不敏感的黄色光源，因此又称黄光区。光刻技术最先应用于印刷行业，并且是早期制造 PCB 的主要技术。

自20世纪 50年代起，光刻技术逐步成为集成电路芯片制造中图形转移的主流技术。光刻工艺的关键指标包括分辦率、灵敏度、套准精度、缺陷率等。光刻工艺中最关键的材料是作为感光材料的光刻胶，由于光刻胶的敏感性依赖于光源波长，所以g/i线、248nm KrF、193nm ArF 等光刻工艺需要采用不同的光刻胶材料，如i线光刻胶中最常见的重氮荼醌(DNQ）线性酚醛树脂就不适用于 193nm 光刻工艺。

光刻胶按极性可分为正光刻胶（简称正胶）和负光刻胶（简称负胶）两种，其性能差别在于：负光刻胶曝光区域在曝光显影后变硬而留在圆片表面，未曝光部分被显影剂溶解；正光刻胶经过曝光后，曝光区域的胶连状聚合物会因为光溶解作用而断裂变软，最后被显影剂溶解，而未曝光的部分则保留在圆片表面。先进芯片的制造大都使用正光刻胶，这是因为正光刻胶能达到纳米图形尺寸所要求的高分辦率。16nm/14nm 及以下技术代在通孔和金属层又发展出正胶负显影技术，将末经曝光的正光刻胶使用负显影液清洗掉，留下曝光的光刻胶，这种方法可提高小尺寸沟槽的成像对比度。

典型的光刻工艺主要过程包括8个步骤：底膜准备 一 涂光刻胶 一 软烘 一 对准和曝光 一 曝光后烘  —  显影 一 坚膜 一 显影检测。

(1）底膜准备：主要是清洗和脱水。因为任何污染物都会减弱光刻胶与硅片之间的附着力，所以彻底的清洗可以提升硅片与光刻胶之间的黏附性

(2）涂光刻胶：通过旋转硅片的方式实现。不同的光刻胶要求不同的涂胶工艺参数，包括旋转速度、胶厚度和温度等。

(3）软烘：通过烘烤可以提高光刻胶与硅片的黏附性，以及光刻胶厚度的均匀性，以利于后续刻蚀工艺的几何尺寸的精密控制。

(4）对准和曝光 (Alignment and Exposure)：这是光刻工艺中最重要的环节，是指将掩模版图形与硅片已有图形（或称前层图形）对准，然后用特定的光照射，光能激活光刻胶中的光敏成分，从而将掩模版图形转移到光刻胶上。对准和曝光所用的设备为光刻机，它是整个集成电路制造工艺中单台价格最高的工艺设备。光刻机的技术水平代表了整条生产线的先进程度。

(5） 曝光后烘烤 (Post Exposure Bake, PEB)：即曝光后进行短时间的烘烤处理，其作用与在深紫外光刻胶和常规 i-线光刻胶中的作用有所不同。对于深紫外光刻胶，曝光及后烘去除了光刻胶中的保护成分，使得光刻胶能溶解于显影液，因此曝光后烘是必须进行的；对于常规 i-线光刻胶，后烘可提高光刻胶的黏附性并减少驻波（驻波对光刻胶边缘形貌会有不良影响）。

(6)   显影(Development)：即用显影液溶解曝光后的光刻胶可溶解部分(正光刻胶)，将掩模版图形准确地用光刻胶图形显现出来。显影工艺的关键参数包括显影温度和时间、显影液用量和浓度、清洗等，通过调整显影中的相关参数可提高曝光与未曝光部分光刻胶的溶解速率差，从而获得所需的显影效果。

(7）坚膜(Hard Bake)：又称坚膜烘焙，是将显影后的光刻胶中剩余的溶剂、显影液、水及其他不必要的残留成分通过加热蒸发去除，以提高光刻胶与硅衬底的黏附性及光刻胶的抗刻蚀能力。坚膜过程的温度视光刻胶的不同及坚膜方法的不同而有所不同，以光刻胶图形不发生形变为前提，并应使光刻胶变得足够坚硬。

(8）显影检测 ( After Development Inspection, ADI)：即检查显影后光刻胶图形的缺陷。通常利用图像识别技术，自动扫描显影后的芯片图形，与预存的无缺陷标准图形进行比对，若发现有不同之处，就视为存在缺陷。如果缺陷超过一定的数量，则该硅片被判定未通过显影检测，视情况可对该硅片进行报废或返工处理。在集成电路制造过程中，绝大多数工艺都是不可逆的，而光刻是极少数可进行返工（Rework）的一道工序。

当特征尺寸缩小时，缩短曝光的波长能满足图形分辦率的要求。有两种光源被广泛使用在光刻技术中，即水银灯管和准分子激光。曝光的光源必须稳定、可靠、可调整，且波长短、强度高、寿命长。特征尺寸缩小到亚微米后，必须用单一波长的光源才能达到分辨率的要求。

目前，主流的关键工艺层的光刻工艺主要使用深紫外光源。

审核编辑：汤梓红