光刻技術(shù)的種類介紹

在集成電路的制造過程中，有一個(gè)重要的環(huán)節(jié)——光刻，正因?yàn)橛辛怂?，我們才能在微小?a target="_blank">芯片上實(shí)現(xiàn)功能。

根據(jù)維基百科的定義，光刻是半導(dǎo)體器件制造工藝中的一個(gè)重要步驟，該步驟利用曝光和顯影在光刻膠層上刻畫幾何圖形結(jié)構(gòu)，然后通過刻蝕工藝將光掩模上的圖形轉(zhuǎn)移到所在襯底上。這里所說的襯底不僅包含硅晶圓，還可以是其他金屬層、介質(zhì)層，例如玻璃、SOS中的藍(lán)寶石。

光刻技術(shù)的基本原理

光刻的基本原理是利用光致抗蝕劑（或稱光刻膠）感光后因光化學(xué)反應(yīng)而形成耐蝕性的特點(diǎn)，將掩模板上的圖形刻制到被加工表面上。

光刻半導(dǎo)體芯片二氧化硅的主要步驟是：

1、涂布光致抗蝕劑；

2、套準(zhǔn)掩模板并曝光；

3、用顯影液溶解未感光的光致抗蝕劑層；

4、用腐蝕液溶解掉無光致抗蝕劑保護(hù)的二氧化硅層；

5、去除已感光的光致抗蝕劑層。

光刻技術(shù)的不斷發(fā)展從三個(gè)方面為集成電路技術(shù)的進(jìn)步提供了保證：

其一是大面積均勻曝光，在同一塊硅片上同時(shí)做出大量器件和芯片，保證了批量化的生產(chǎn)水平；

其二是圖形線寬不斷縮小，使用權(quán)集成度不斷提高，生產(chǎn)成本持續(xù)下降；

其三，由于線寬的縮小，器件的運(yùn)行速度越來越快，使用權(quán)集成電路的性能不斷提高。隨著集成度的提高，光刻技術(shù)所面臨的困難也越來越多。

光刻技術(shù)的種類

光學(xué)光刻

光學(xué)光刻是通過廣德照射用投影方法將掩模上的大規(guī)模集成電路器件的結(jié)構(gòu)圖形畫在涂有光刻膠的硅片上，通過光的照射，光刻膠的成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而生成電路圖。限制成品所能獲得的最小尺寸與光刻系統(tǒng)能獲得的分辨率直接相關(guān)，而減小照射光源的波長是提高分辨率的最有效途徑。因?yàn)檫@個(gè)原因，開發(fā)新型短波長光源***一直是各個(gè)國家的研究熱點(diǎn)。目前，商業(yè)化***的光源波長已經(jīng)從過去的汞燈紫外光波段進(jìn)入到深紫外波段（DUV），如用于0.25微米技術(shù)的分子激光（波長為248納米）和用于0.18微米技術(shù)的準(zhǔn)分子激光(波長為193納米)。

除此之外，根據(jù)光的干涉特性，利用各種波前技術(shù)優(yōu)化工藝參數(shù)也是提高分辨率的重要手段。這些技術(shù)是運(yùn)用電磁理論結(jié)合光刻實(shí)際對(duì)曝光成像進(jìn)行深入的分析所取得的突破。其中有移相掩膜、離軸照明技術(shù)、鄰近效應(yīng)校正等。運(yùn)用這些技術(shù)，可在目前的技術(shù)水平上獲得更高分辨率的光刻圖形。如1999年初Canon公司推出的FPA-1000ASI掃描步進(jìn)機(jī)，該機(jī)的光源為193納米，通過采用波前技術(shù)，可在300毫米硅片上實(shí)現(xiàn)0.13微米光刻線寬。

光刻技術(shù)是包含***、掩模、光刻材料等一系列技術(shù)，涉及光、機(jī)、電、物理、化學(xué)、材料等多個(gè)研究方向。目前科學(xué)家正在探索更短波長的F2激光（波長為157納米）光刻技術(shù)。由于大量的光吸收，獲得用于光刻系統(tǒng)的新型光學(xué)及掩模襯底材料是該波段技術(shù)的主要困難。光科技束是很多學(xué)科的綜合，任何一門學(xué)科的突破就能對(duì)光刻技術(shù)的發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)。

電子束光刻

電子束光刻技術(shù)是微型技術(shù)加工發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù),他在納米制造領(lǐng)域中起著不可替代的作用。電子束光刻主要是刻畫微小的電路圖，電路通常是以納米微單位的。

隨著中國納米技術(shù)和納米電子學(xué)的蓬勃發(fā)展,納米加工技術(shù)的研究越來越重要,而電子束光刻技術(shù)將是納米結(jié)構(gòu)圖形加工中非常重要的手段。電子束光刻技術(shù)要應(yīng)用于納米尺度微小結(jié)構(gòu)的加工和集成電路的光刻,必須解決幾個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)問題:電子束高精度掃描成像曝光效率低;電子在抗蝕劑和基片中的散射和背散射現(xiàn)象造成的鄰近效應(yīng);在實(shí)現(xiàn)納米尺度加工中電子抗蝕劑和電子束曝光及顯影、刻蝕等工藝技術(shù)問題。

實(shí)踐證明,電子束鄰近效應(yīng)校正技術(shù)、電子束曝光與光學(xué)曝光系統(tǒng)的匹配和混合光刻技術(shù)及抗蝕劑曝光工藝優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用,是一種提高電子束光刻系統(tǒng)實(shí)際光刻分辨能力非常有效的辦法。電子束光刻最主要的就是金屬化剝離，第一步是在光刻膠表面掃描到自己需要的圖形。第二部是將曝光的圖形進(jìn)行顯影，去除未曝光的部分，第三部在形成的圖形上沉淀金屬，第四部將光刻膠去除，在金屬剝離的過程中，關(guān)鍵在于光刻工藝的膠型控制。最好使用厚膠，這樣有利于膠劑的滲透，形成清晰的形貌。

聚焦粒子束光刻

聚焦離子束(Focused Ion beam, FIB)的系統(tǒng)是利用電透鏡將離子束聚焦成非常小尺寸的顯微切割儀器，她的原理與電子束光刻相近，不過是有電子變成離子。目前商業(yè)用途系統(tǒng)的離子束為液態(tài)金屬離子源，金屬材質(zhì)為鎵，因?yàn)殒壴鼐哂腥埸c(diǎn)低、低蒸氣壓、及良好的抗氧化力；典型的離子束顯微鏡包括液相金屬離子源、電透鏡、掃描電極、二次粒子偵測器、5-6軸向移動(dòng)的試片基座、真空系統(tǒng)、抗振動(dòng)和磁場的裝置、電子控制面板、和計(jì)算機(jī)等硬設(shè)備，外加電場于液相金屬離子源 可使液態(tài)鎵形成細(xì)小尖端，再加上負(fù)電場(Extractor) 牽引尖端的鎵，而導(dǎo)出鎵離子束，在一般工作電壓下，尖端電流密度約為1埃10-8 Amp/cm2，以電透鏡聚焦，經(jīng)過一連串變化孔徑 (Automatic Variable Aperture, AVA)可決定離子束的大小，再經(jīng)過二次聚焦至試片表面，利用物理碰撞來達(dá)到切割之目的。

在成像方面，聚焦離子束顯微鏡和掃描電子顯微鏡的原理比較相近，其中離子束顯微鏡的試片表面受鎵離子掃描撞擊而激發(fā)出的二次電子和二次離子是影像的來源，影像的分辨率決定于離子束的大小、帶電離子的加速電壓、二次離子訊號(hào)的強(qiáng)度、試片接地的狀況、與儀器抗振動(dòng)和磁場的狀況，目前商用機(jī)型的影像分辨率最高已達(dá) 4nm，雖然其分辨率不及掃描式電子顯微鏡和穿透式電子顯微鏡，但是對(duì)于定點(diǎn)結(jié)構(gòu)的分析，它沒有試片制備的問題，在工作時(shí)間上較為經(jīng)濟(jì)。

聚焦離子束投影曝光除了前面已經(jīng)提到的曝光靈敏度極高和沒有鄰近效應(yīng)之外還包括焦深大于曝光深度可以控制。離子源發(fā)射的離子束具有非常好的平行性，離子束投影透鏡的數(shù)值孔徑只有0.001，其焦深可達(dá)100μm，也就是說，硅片表面任何起伏在100μm之內(nèi)，離子束的分辨力基本不變。而光學(xué)曝光的焦深只有1～2μm為。她的主要作用就是在電路上進(jìn)行修補(bǔ) ，和生產(chǎn)線制成異常分析或者進(jìn)行光阻切割。

移相掩模

光刻分辨率取決于照明系統(tǒng)的部分相干性、掩模圖形空間頻率和襯比及成象系統(tǒng)的數(shù)值孔徑等。相移掩模技術(shù)的應(yīng)用有可能用傳統(tǒng)的光刻技術(shù)和i線***在最佳照明下刻劃出尺寸為傳統(tǒng)方法之半的圖形，而且具有更大的焦深和曝光量范圍。例如使用PSM，在NA=0.5，λ=248nm，分辨率可達(dá)0.15um；NA=0.6，λ=365nm，實(shí)際分辨率可達(dá)0.2um。相移掩模方法有可能克服線/間隔圖形傳統(tǒng)光刻方法的局限性。

隨著移相掩模技術(shù)的發(fā)展,涌現(xiàn)出眾多的種類, 大體上可分為交替式移相掩膜技術(shù)、衰減式移相掩模技術(shù)；邊緣增強(qiáng)型相移掩模, 包括亞分辨率相移掩模和自對(duì)準(zhǔn)相移掩模；無鉻全透明移相掩模及復(fù)合移相方式( 交替移相+ 全透明移相+ 衰減移相+ 二元鉻掩模) 幾類。尤其以交替型和全透明移相掩模對(duì)分辨率改善最顯著, 為實(shí)現(xiàn)亞波長光刻創(chuàng)造了有利條件。全透明移相掩模的特點(diǎn)是利用大于某寬度的透明移相器圖形邊緣光相位突然發(fā)生180度變化, 在移相器邊緣兩側(cè)衍射場的干涉效應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)形如“刀刃”光強(qiáng)分布, 并在移相器所有邊界線上形成光強(qiáng)為零的暗區(qū), 具有微細(xì)線條一分為二的分裂效果, 使成像分辨率提高近1 倍。

光學(xué)曝光技術(shù)的潛力, 無論從理論還是實(shí)踐上看都令人驚嘆, 不能不刮目相看。其中利用控制光學(xué)曝光過程中的光位相參數(shù), 產(chǎn)生光的干涉效應(yīng),部分抵消了限制光學(xué)系統(tǒng)分辨率的衍射效應(yīng)的波前面工程為代表的分辨率增強(qiáng)技術(shù)起到重要作用, 包括: 移相掩模技術(shù)、光學(xué)鄰近效應(yīng)校正技術(shù)、離軸照明技術(shù)、光瞳空間濾波技術(shù)、駐波效應(yīng)校正技術(shù)、離焦迭加增強(qiáng)曝光技術(shù)、表面成像技術(shù)及多級(jí)膠結(jié)構(gòu)工藝技術(shù)。在實(shí)用化方面取得最引人注目進(jìn)展的要數(shù)移相掩模技術(shù)、光學(xué)鄰近效應(yīng)校正技術(shù)和離軸照明技術(shù), 尤其浸沒透鏡曝光技術(shù)上的突破和兩次曝光技術(shù)的應(yīng)用, 為分辨率增強(qiáng)技術(shù)的應(yīng)用更創(chuàng)造了有利條件。

X射線光刻

軟Ｘ射線投影光刻作為特征線寬小于０．１μｍ的集成電路制造技術(shù)，倍受日美兩個(gè)集成電路制造設(shè)備生產(chǎn)大國重視。隨著用于軟Ｘ射線投影光刻的無污染激光等離子體光源、高分辨率大視場投影光學(xué)系統(tǒng)、無應(yīng)力光學(xué)裝調(diào)工藝、深亞納米級(jí)鏡面加工和多層膜制備、低缺陷反射式掩膜、表面成像光刻膠、精密掃描機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)均取得了突破。