一文解析半導(dǎo)體設(shè)計(jì)電路的“光刻工藝”

光刻是半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)流程中最復(fù)雜、最關(guān)鍵的工藝步驟，耗時長、成本高。半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)在于將電路圖從掩模上轉(zhuǎn)移至硅片上，這一過程通過光刻來實(shí)現(xiàn)， 光刻的工藝水平直接決定芯片的制程水平和性能水平......

每個半導(dǎo)體產(chǎn)品的制造都需要數(shù)百個工藝，我們將整個制造過程分為八個步驟：晶圓加工-氧化-光刻-刻蝕-薄膜沉積-外延生長-擴(kuò)散-離子注入。

為幫助大家了解和認(rèn)識半導(dǎo)體及相關(guān)工藝，我們將每期推送微信文章，為大家逐一介紹上述每個步驟。

在上一篇文章中提到，為了保護(hù)晶片免受各種雜質(zhì)的影響，制作了氧化膜的--氧化工藝。今天我們就來討論一下在形成氧化膜的晶片上照出半導(dǎo)體設(shè)計(jì)電路的“光刻工藝”。

光刻工藝

1.什么是光刻工藝

光刻就是把芯片制作所需要的線路與功能區(qū)做出來。

利用光刻機(jī)發(fā)出的光通過具有圖形的光罩對涂有光刻膠的薄片曝光，光刻膠見光后會發(fā)生性質(zhì)變化，從而使光罩上得圖形復(fù)印到薄片上，從而使薄片具有電子線路圖的作用。這就是光刻的作用，類似照相機(jī)照相。照相機(jī)拍攝的照片是印在底片上，而光刻刻的不是照片，而是電路圖和其他電子元件。

光刻技術(shù)是一種精密的微細(xì)加工技術(shù)。

常規(guī)光刻技術(shù)是采用波長為 2000～4500 埃的紫外光作為圖像信息載體，以光致抗光刻技術(shù)蝕劑為中間（圖像記錄）媒介實(shí)現(xiàn)圖形的變換、轉(zhuǎn)移和處理，最終把圖像信息傳遞到晶片(主要指硅片)或介質(zhì)層上的一種工藝。

可以說，光刻技術(shù)是現(xiàn)代半導(dǎo)體、微電子、信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，光刻技術(shù)直接決定了這些技術(shù)的發(fā)展水平。

自1959年集成電路成功發(fā)明至今的60多年中，其圖形線寬縮小了約四個數(shù)量級，電路集成性提高了六個數(shù)量級以上。這些技術(shù)的飛速進(jìn)步主要?dú)w功于光刻技術(shù)的發(fā)展。

（集成電路制造的各個發(fā)展階段對于光刻技術(shù)的要求）

2.光刻的基本原理

光刻材料一般特指光刻膠，又稱為光刻抗蝕劑，是光刻技術(shù)中的最關(guān)鍵的功能材料。這類材料具有光（包括可見光、紫外光、電子束等）反應(yīng)特性，經(jīng)過光化學(xué)反應(yīng)后，其溶解性發(fā)生顯著變化。

其中，正性光刻膠在顯影液中的溶解度增加，得到的圖案與掩膜版相同；負(fù)性光刻膠則相反，即經(jīng)顯影液后溶解度降低甚至不溶，得到的圖案與掩膜版相反。兩種光刻膠的應(yīng)用領(lǐng)域是不同的，正性光刻膠使用更為普遍，占到總量的80%以上。

以上是光刻工藝的流程示意圖

（1）涂膠：即在硅片上形成厚度均勻、附著性強(qiáng)、沒有缺陷的光刻膠薄膜。為了增強(qiáng)光刻膠薄膜與硅片之間的附著力，往往需要先用六甲基二硅氮烷（HMDS）、三甲基硅烷基二乙胺（TMSDEA）等物質(zhì)對硅片進(jìn)行表面改性。隨后以旋涂的方式制備光刻膠薄膜。

（2）前烘：經(jīng)過旋涂后的光刻膠薄膜依舊殘留有一定含量的溶劑。經(jīng)過較高溫度的烘烤，可以將溶劑盡可能低揮發(fā)除去，前烘之后，光刻膠的含量降低到5%左右。

（3）曝光：即對光刻膠進(jìn)行光照，此時光反應(yīng)發(fā)生，光照部分與非光照部分因此產(chǎn)生溶解性的差異。

（4）顯影&堅(jiān)膜：即將產(chǎn)品浸沒于顯影液之中，此時正性膠的曝光區(qū)和負(fù)性膠的非曝光區(qū)則會在顯影中溶解。以此呈現(xiàn)出三維的圖形。經(jīng)過顯影后的晶片，需要一個高溫處理過程，成為堅(jiān)膜，主要作用為進(jìn)一步增強(qiáng)光刻膠對襯底的附著力。

（5）刻蝕：受到刻蝕的是光刻膠下方的材料。包括液態(tài)的濕法刻蝕和氣態(tài)的干法刻蝕。比如對于硅的濕法刻蝕，使用的為氫氟酸的酸性水溶液；對于銅的濕法刻蝕，使用的為硝酸、硫酸等強(qiáng)酸溶液，而干法刻蝕往往使用等離子體或者高能離子束，使材料表面產(chǎn)生損傷而得到刻蝕。

（6）去膠：最后需要將光刻膠從鏡片表面除去，這一步驟稱為去膠。

安全性是所有半導(dǎo)體生產(chǎn)中最重要的問題，芯片光刻工藝過程中危險有害光刻氣體主要有以下幾種：

1.過氧化氫

過氧化氫（H2O2）是很強(qiáng)的氧化劑，直接接觸會引起皮膚和眼睛發(fā)炎及灼傷。

2.二甲苯

二甲苯是負(fù)光刻餃?zhǔn)褂玫囊豢迫芸c顯影劑．易燃且點(diǎn)只有27.3℃〔大約是室溫），而且在空氣中的濃度為1%-7%時就具有爆炸性。重復(fù)接觸二甲苯會引起皮膚發(fā)炎。二甲苯蒸氣是甜的，與飛機(jī)黏著削的氣味一樣；暴露在二甲苯中時會引起眼睛．鼻子和喉嚨發(fā)炎．吸入該氣體會引起頭疼、暈眩、失去食欲及疲勞。

3.六甲基二硅氮烷（HMDS）

六甲基二硅氮烷(HMDS)?最常用來增加光刻膠在品圓表面附著力的底漆層，易燃且燃點(diǎn)為6.7℃，當(dāng)在空氣中的濃度為0.8%-16%時具有爆炸性，HMDS會強(qiáng)烈地與水、酒精和礦物質(zhì)酸反應(yīng)釋放出氨水。

4.氫氧化四甲基氨

氫氧化四甲基氨(TMAH〕廣泛用于作為正光刻的顯影劑，有毒也具有腐沖性，吞下或與皮膚直接接觸則可能致命；與TMAH的從塵或霧氣接觸會引起眼睛、皮膚、鼻子和喉嚨發(fā)炎．吸入高濃度的TMAH將導(dǎo)致死亡。

5.氯與氟

氯（Cl2）與氟（F2）都用在準(zhǔn)分子激光器中作為深紫外線和極紫外線（EUV）光源，兩種氣體都具有毒性，皆旱現(xiàn)淺綠色，具有強(qiáng)烈的剌激性氣昧，吸入高濃度的這種氣體將導(dǎo)致死亡。氟氣可能會與水反應(yīng)，產(chǎn)生氟化氫氣體。氟化氫氣體是一種強(qiáng)酸，對皮膚、眼睛和呼吸道有刺激作用，可能會導(dǎo)致燒傷、呼吸困難等癥狀。高濃度的氟化物會對人體造成中毒，引起頭痛、嘔吐、腹瀉、昏迷等癥狀。

6.氬氣

氬氣（Ar）是一種惰性氣體，通常不會對人體造成直接的危害。在正常情況下，人們呼吸的空氣中含有約0.93%的氬氣，而這個濃度對人體沒有明顯的影響。然而，在某些情況下，氬氣可能會對人體造成危害。

以下是一些可能的情況：在密閉的空間中，氬氣的濃度可能會升高，從而降低空氣中的氧氣濃度，導(dǎo)致缺氧。這可能會引起頭暈、乏力、呼吸急促等癥狀。此外，氬氣是一種惰性氣體，但在高溫或高壓下，它可能會爆炸。

7.氖氣

氖氣（Ne）是一種穩(wěn)定的、無色無味的氣體，不會參與人體的呼吸過程，因此在高濃度的氖氣環(huán)境中呼吸，會導(dǎo)致缺氧。如果長時間處于缺氧狀態(tài)，可能會引起頭痛、惡心、嘔吐等癥狀。此外，氖氣在高溫或高壓下，可能會與其他物質(zhì)反應(yīng)，產(chǎn)生火災(zāi)或爆炸。

8.氙氣

氙氣（Xe）是一種穩(wěn)定的、無色無味的氣體，不會參與人體的呼吸過程，因此在高濃度的氙氣環(huán)境中呼吸，會導(dǎo)致缺氧。如果長時間處于缺氧狀態(tài)，可能會引起頭痛、惡心、嘔吐等癥狀。此外，氙氣在高溫或高壓下，可能會與其他物質(zhì)反應(yīng)，產(chǎn)生火災(zāi)或爆炸。

9.氪氣

氪氣（Kr）是一種穩(wěn)定的、無色無味的氣體，不會參與人體的呼吸過程，因此在高濃度的氪氣環(huán)境中呼吸，會導(dǎo)致缺氧。如果長時間處于缺氧狀態(tài)，可能會引起頭痛、惡心、嘔吐等癥狀。此外，氪氣在高溫或高壓下，可能會與其他物質(zhì)反應(yīng)，產(chǎn)生火災(zāi)或爆炸。

半導(dǎo)體行業(yè)危險氣體檢測方案

半導(dǎo)體行業(yè)在生產(chǎn)、制造、工藝等方面會涉及產(chǎn)生易燃易爆、有毒有害性的氣體。作為半導(dǎo)體制造工廠氣體的使用者，每一位工作人員都應(yīng)該在使用前對各種危險氣體的安全數(shù)據(jù)加以了解，并且應(yīng)該知道如何應(yīng)對這些氣體外泄時的緊急處理程序。

在半導(dǎo)體行業(yè)生產(chǎn)、制造及儲存等過程中，為了避免這些危險氣體的泄露導(dǎo)致的生命財產(chǎn)損失，需要安裝氣體檢測儀器，來對目標(biāo)氣體進(jìn)行檢測。

審核編輯：黃飛

?