光刻技术概述及其分类-电子发烧友网

来源：半导体工艺与设备

光刻是一种图像复制技术，是集成电路工艺中至关重要的一项工艺。简单地说，光刻类似照相复制方法，即将掩膜版上的图形精确地复制到涂在硅片表面的光刻胶或其他掩蔽膜上面，然后在光刻胶或其他掩蔽膜的保护下对硅片进行离子注入、刻蚀、金属蒸镀等。

光刻技术与芯片的价格和性能密切相关。光刻的最小线宽直接决定器件的最小特征尺寸，器件的特征尺寸越小，在一个硅片上就可以集成越多的器件。随着光刻的技术不断发展，线宽不断缩小，每个硅片上器件数目就越来越多，这样，单位器件的成本就不断降低，而且单个硅片上集成更多的器件也意味着可以使电子产品实现更多的功能以及更好的性能。当然这种比较是假定在各种光刻系统的成本不变，只考虑了单位硅片成本的基础上进行的。

事实上，随着每一代线宽的改变，***、掩膜版、光刻胶等的成本也在发生变化，而且对下一代的光刻工艺来说，其光刻系统的价格往往更加昂贵。即使如此，人们仍在不断追求越来越细的线宽，追求产品在性价比上的提升。目前，集成电路已经从20世纪60年代的每个芯片上仅几十个器件发展到现在的每个芯片上可包含约10亿个器件，其增长过程遵从摩尔定律，这与光刻技术的发展密不可分。

光刻技术的不断发展为集成电路技术的进步提供了三方面的保证：第一，大面积均匀曝光，在同一块硅片上能同时做出大量器件和芯片，保证了批量化的生产水平；第二，图形线宽不断缩小，集成度不断提高，生产成本持续下降；第三，由于线宽的缩小，器件的运行速度越来越快，集成电路的性能不断提高。

一个典型的光刻工艺流程包括衬底制备、涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜、腐蚀、去胶等。

1.光学光刻技术

光刻技术是一种精密的微细加工技术。常规光刻技术是采用波长为2000～4500埃的紫外光作为图像信息载体，以光刻蚀剂为中间（图像记录）媒介实现图形的变换、转移和处理，最终把图像信息传递到晶片(主要指硅片)或介质层上的一种工艺。

在广义上，光刻包括光复印和刻蚀工艺两个主要方面：

1、光复印工艺：经曝光系统将预制在掩模版上的器件或电路图形按所要求的位置，精确传递到预涂在晶片表面或介质层上的光致抗蚀剂薄层上。

2、刻蚀工艺：利用化学或物理方法，将抗蚀剂薄层未掩蔽的晶片表面或介质层除去，从而在晶片表面或介质层上获得与抗蚀剂薄层图形完全一致的图形。集成电路各功能层是立体重叠的，因而光刻工艺总是多次反复进行。例如，大规模集成电路要经过约10次光刻才能完成各层图形的全部传递。

光刻技术在狭义上，光刻工艺仅指光复印工艺。

光刻技术

光刻是通过光的照射用投影方法将掩模上的大规模集成电路器件的结构图形画在涂有光刻胶的硅片上，通过光的照射，光刻胶的成分发生化学反应，从而生成电路图。限制成品所能获得的最小尺寸与光刻系统能获得的分辨率直接相关，而减小照射光源的波长是提高分辨率的最有效途径。基于此，开发新型短波长光源***一直是各个国家的研究热点。

除此之外，根据光的干涉特性，利用各种波前技术优化工艺参数也是提高分辨率的重要手段。这些技术是运用电磁理论结合光刻实际对曝光成像进行深入的分析所取得的突破。其中有移相掩膜、离轴照明技术、邻近效应校正等。运用这些技术，可在目前的技术水平上获得更高分辨率的光刻图形。

2.电子束光刻

电子束光刻技术是微型技术加工发展的关键技术，他在纳米制造领域中起着不可替代的作用。电子束光刻主要是刻画微小的电路图，电路通常是以纳米微单位的。电子束光刻技术不需要掩膜，直接将会聚的电子束斑打在表面涂有光刻胶的衬底上。

电子束光刻技术要应用于纳米尺度微小结构的加工和集成电路的光刻，必须解决几个关键的技术问题：电子束高精度扫描成像曝光效率低；电子在抗蚀剂和基片中的散射和背散射现象造成的邻近效应；在实现纳米尺度加工中电子抗蚀剂和电子束曝光及显影、刻蚀等工艺技术问题。

实践证明，电子束邻近效应校正技术、电子束曝光与光学曝光系统的匹配和混合光刻技术及抗蚀剂曝光工艺优化技术的应用，是一种提高电子束光刻系统实际光刻分辨能力非常有效的办法。

电子束光刻最主要的就是金属化剥离。

第一步是在光刻胶表面扫描到自己需要的图形；

第二步是将曝光的图形进行显影去除未曝光的部分；

第三步在形成的图形上沉淀金属；

第四步将光刻胶去除。在金属剥离的过程中，关键在于光刻工艺的胶型控制。最好使用厚胶，这样有利于胶剂的渗透，形成清晰的形貌。

3.聚焦离子束光刻

聚焦离子束(Focused Ion beam, FIB)的系统是利用电透镜将离子束聚焦成非常小尺寸的显微切割仪器，她的原理与电子束光刻相近，不过是有电子变成离子。

目前商业用途系统的离子束为液态金属离子源，金属材质为镓，因为镓元素具有熔点低、低蒸气压、及良好的抗氧化力；典型的离子束显微镜包括液相金属离子源、电透镜、扫描电极、二次粒子侦测器、5-6轴向移动的试片基座、真空系统、抗振动和磁场的装置、电子控制面板、和计算机等硬设备，外加电场于液相金属离子源可使液态镓形成细小尖端，再加上负电场(Extractor) 牵引尖端的镓，而导出镓离子束，在一般工作电压下，尖端电流密度约为1埃10-8 Amp/cm2，以电透镜聚焦，经过一连串变化孔径 (Automatic Variable Aperture, AVA)可决定离子束的大小，再经过二次聚焦至试片表面，利用物理碰撞来达到切割之目的。

在成像方面，聚焦离子束显微镜和扫描电子显微镜的原理比较相近，其中离子束显微镜的试片表面受镓离子扫描撞击而激发出的二次电子和二次离子是影像的来源，影像的分辨率决定于离子束的大小、带电离子的加速电压、二次离子讯号的强度、试片接地的状况、与仪器抗振动和磁场的状况，目前商用机型的影像分辨率最高已达 4nm，虽然其分辨率不及扫描式电子显微镜和穿透式电子显微镜，但是对于定点结构的分析，它没有试片制备的问题，在工作时间上较为经济。

聚焦离子束投影曝光除了前面已经提到的曝光灵敏度极高和没有邻近效应之外还包括焦深大于曝光深度可以控制。离子源发射的离子束具有非常好的平行性，离子束投影透镜的数值孔径只有0.001，其焦深可达100μm，也就是说，硅片表面任何起伏在100μm之内，离子束的分辨力基本不变。而光学曝光的焦深只有1～2μm为。她的主要作用就是在电路上进行修补，和生产线制成异常分析或者进行光阻切割。

4.EUV 光刻技术

在微电子技术的发展历程中，人们一直在研究开发新的IC制造技术来缩小线宽和增大芯片的容量。我们也普遍的把软X射线投影光刻称作极紫外投影光刻。在光刻技术领域我们的科学家们对极紫外投影光刻EUV技术的研究最为深入也取得了突破性的进展，使极紫外投影光刻技术最有希望被普遍使用到以后的集成电路生产当中。它支持22nm以及更小线宽的集成电路生产使用。

EUV是目前距实用化最近的一种深亚微米的光刻技术。波长为157nm的准分子激光光刻技术也将近期投入应用。如果采用波长为13nm的EUV，则可得到0.1um的细条。

在1985年左右已经有前辈们就EUV技术进行了理论上的探讨并做了许多相关的实验。近十年之后微电子行业的发展受到重重阻碍才致人们有了忧患意识。并且从微电子技术的发展过程能判断出，若不早日推出极紫外光刻技术来对当前的芯片制造方法做出全面的改进，将使整个芯片工业处在岌岌可危的地步。

EUV系统主要由四部分构成：极端紫外光源；反射投影系统；光刻模板（mask）；能够用于极端紫外的光刻涂层（photo-resist）。

极端紫外光刻技术所使用的***的对准套刻精度要达到10nm，其研发和制造原理实际上和传统的光学光刻在原理上十分相似。对***的研究重点是要求定位要极其快速精密以及逐场调平调焦技术，因为***在工作时拼接图形和步进式扫描曝光的次数很多。不仅如此入射对准光波信号的采集以及处理问题还需要解决。

5.X射线光刻技术

X射线波长极短，使得其不会发生严重的衍射现象。我们在使用X射线进行曝光时对波长的选择是受到一定因素限制的，在曝光过程中，光刻胶会吸收X射线光子，而产生射程随X射线波长变化而相继改变的光电子，这些光电子会降低光刻分辨率，X射线的波长越短，光电子的射程越远，对光刻越不利。因此增加X射线的波长有助于提高光刻分辨率。然而长波长的X射线会加宽图形的线宽，考虑多种因素的影响，通常只能折中选择X射线的波长。

今年来的研究发现，当图形的线宽小到一定程度时（一般为0.01μm以下），被波导效应影响，最终得到的图形线宽要小于实际掩模图形，因此X光刻分辨率也受到掩模版与晶圆间距大小的影响。

除此之外，还需要大量的实验研究来解决X射线光刻图形微细加工时对图形质量造成影响的诸多因素。

X射线光刻掩模

在后光学光刻的技术中，其最主要且最困难的技术就是掩模制造技术，其中1：1的光刻非常困难，是妨碍技术发展的难题之一。所以说，我们认为掩模开发是对于其应用于工业发展的重要环节，也是决定成败的关键。在过去的发展中，科学家对其已经得到了巨大的发展，也有一些新型材料的发现以及应用，有一些已经在实验室中得以实践，但对于工业发展还是没有什么重大的成就。

X射线掩模的基本结构包括薄膜、吸收体、框架、衬底，其中薄膜衬基材料一般使用Si、SiC、金刚石。吸收体主要使用金、钨等材料，其结构图如图所示：