集成电路芯片制备中的光刻和刻蚀技术

文章来源：学习那些事

原文作者：小陈婆婆

本文介绍了集成电路芯片制备中的光刻和刻蚀技术。

光刻与刻蚀是纳米级图形转移的两大核心工艺，其分辨率、精度与一致性共同决定器件性能与良率上限。

本文系统梳理光刻胶涂覆-曝光-显影-刻蚀全流程的关键机理、控制参数及最新技术演进，分述如下：

光刻工艺

刻蚀工艺

光刻工艺

在集成电路芯片制造中，光刻工艺作为图案转移的核心技术，通过精密的光学与化学过程将掩模上的电路设计逐层复制至晶圆表面，其技术演进始终围绕分辨率提升与工艺稳定性优化展开。

光刻胶的涂抹

该工艺起始于光刻胶的旋涂阶段——晶圆经真空吸附固定于旋涂机支撑台后，滴加的光刻胶在数千转每秒的高速旋转下借助离心力形成均匀薄膜，膜厚由胶体黏度、溶剂特性及旋转参数精确调控。

由于光刻胶作为光敏树脂材料对温湿度高度敏感，光刻区需采用黄色照明并严格维持恒温恒湿环境，以避免材料性能波动。

光刻胶的种类

光刻胶按显影特性分为正性与负性两类：正性胶经曝光后，曝光区域在显影液中溶解，未曝光区域保留；负性胶则相反，未曝光区域被去除。具体选择取决于电路图案的拓扑需求，例如密集线条结构更倾向采用正性胶以避免边缘桥接缺陷。

预烘烤

旋涂后需进行预烘烤处理，晶圆在氮气氛围中加热至约80℃，促使胶膜内残留溶剂挥发，提升胶层与基底的粘附性及抗曝光干扰能力，此过程多采用隧道式烘烤设备实现批量处理。

曝光

曝光阶段是图案转移的关键环节，晶圆被载入步进式曝光机或扫描仪中。传统步进器通过缩放透镜系统将掩模图案以四倍缩放比例投影至晶圆表面，其分辨率遵循公式

R=kλ/NA

其中λ为光源波长，NA为透镜数值孔径，k为工艺系数。当前主流光源采用193nm波长的ArF准分子激光，配合高NA透镜实现亚波长级分辨率。为突破物理衍射极限，超分辨率技术如双重曝光、相移掩模及光学邻近效应修正被广泛应用。扫描仪作为步进器的升级形态，通过狭缝扫描曝光替代全幅曝光，有效扩大视野并降低透镜像差影响，成为先进制程的标配设备。

曝光后需进行曝光后烘烤（PEB），通过轻度热处理激活光刻胶中的产酸剂，促进酸催化反应，减少驻波效应并锐化图案边缘轮廓。

显影

显影环节，正性胶的曝光区域在碱性显影液中溶解，形成与掩模一致的浮雕图案；负性胶则通过未曝光区域的溶解实现图案定义。显影后需进行硬烘烤固化，增强光刻胶的耐蚀刻性，为后续刻蚀或离子注入提供保护掩模。

近年来，极紫外光刻（EUV）技术凭借13.5nm短波长光源突破传统光学光刻的分辨率极限，成为7nm及以下制程的核心曝光方案。配合多重图形化技术如自对准双重成像（SADP）和自对准四重成像（SAQP），EUV光刻在实现更高集成度的同时，有效控制工艺成本与良率。

此外，纳米压印光刻（NIL）作为补充技术，在特定场景下以高精度压印方式实现亚10nm级图案制备，展现独特应用潜力。这些技术的协同发展，持续推动光刻工艺向更高精度、更低缺陷率方向演进，支撑着半导体产业的技术革新与产品迭代。

刻蚀工艺

在集成电路制造的刻蚀工艺中，干法与湿法刻蚀通过精确控制材料去除过程实现薄膜图案的成型，二者在技术路径与适用场景上形成互补。

干法刻蚀

干法刻蚀以反应性离子刻蚀（RIE）为核心，其设备采用平行板式结构：晶圆置于真空腔室内的下部电极，上部电极接地，通过施加高频电压激发注入气体形成等离子体，产生正离子、自由基等活性粒子。

这些粒子在电场加速下垂直轰击材料表面，与目标层发生化学反应生成挥发性产物，经真空系统排出，从而实现各向异性的刻蚀效果。此过程的关键在于高选择比——即光刻胶与材料层的刻蚀速率差异需足够大，以保障图案转移的保真度；同时需抑制微负载效应，避免因局部图案密度差异导致的刻蚀速率波动，并减少静电损伤及杂质引入。为提升精度，现代RIE技术常采用电感耦合等离子体（ICP）源或电容耦合等离子体（CCP）源，结合脉冲电源与磁场增强技术，实现纳米级控制。

湿法刻蚀

湿法刻蚀则依赖化学药液与材料的直接反应，分为浸入式与旋转式两种模式。浸入式将晶圆浸没于刻蚀槽中的药液，通过扩散控制反应速率；旋转式则通过旋转晶圆并喷射药液，利用流体力学增强传质效率。

由于湿法刻蚀本质为各向同性，其横向钻蚀特性限制了微细加工能力，且光刻胶掩模易受药液侵蚀，故多用于大尺寸结构或特定材料（如金属铝、氧化物）的加工。刻蚀后需通过等离子体退模或化学剥离去除残留光刻胶，其中等离子体退模利用氧等离子体分解胶层，化学剥离则采用专用溶剂选择性溶解。

近年来，刻蚀技术向更高精度与环保方向演进。干法领域，原子层刻蚀（ALE）通过交替的自限制反应实现单原子层级的精确去除，结合高选择比材料与优化的等离子体参数，可突破传统RIE的分辨率极限。同时，三维堆叠结构与先进封装需求推动深硅刻蚀、介质层高深宽比刻蚀等技术的发展，采用低温等离子体与气体混合策略减少侧壁损伤。湿法方面，环保型化学药液（如无氟、低毒配方）的研发成为趋势，配合在线监测与闭环控制系统，实现刻蚀速率的精确调控与废液的无害化处理。

此外，混合刻蚀技术（如湿法-干法联合工艺）在特定场景下展现优势，例如通过湿法预处理降低材料应力，再以干法完成精细图案成型。这些创新持续推动刻蚀工艺向更高效、更绿色、更精密的方向发展，支撑着半导体器件性能与集成度的不断提升。

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