光刻工藝的基本知識(shí)

引 言

在萬物互聯(lián)，AI革命興起的今天，半導(dǎo)體芯片已成為推動(dòng)現(xiàn)代社會(huì)進(jìn)步的心臟。而光刻(Lithography)技術(shù)，作為先進(jìn)制造中最為精細(xì)和關(guān)鍵的工藝，不管是半導(dǎo)體芯片、MEMS器件，還是微納光學(xué)元件都離不開光刻工藝的參與，其重要性不言而喻。本文將帶您一起認(rèn)識(shí)光刻工藝的基本知識(shí)。

光刻工藝的誕生

談起光刻技術(shù)，其起源于19世紀(jì)的攝影技術(shù)發(fā)展，但在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用則是20世紀(jì)50年代隨著集成電路的誕生而起步。戈登·摩爾在1965年提出的摩爾定律，預(yù)測(cè)了集成電路上晶體管數(shù)量每隔18個(gè)月翻番，這一定律的實(shí)現(xiàn)，離不開光刻設(shè)備和光刻技術(shù)的不斷革新和進(jìn)步。而如今投影式光刻技術(shù)的極快對(duì)準(zhǔn)和曝光能力，使其成為了工業(yè)化量產(chǎn)的主流光刻工藝。目前最先進(jìn)的極紫外（EUV）投影光刻機(jī)每小時(shí)曝光能力超過185片晶圓，分辨率可達(dá)8nm，集成了超過10萬個(gè)零件。

投影式光刻的基本概念

投影式光刻是一種利用光學(xué)系統(tǒng)將掩模（Photo Mask）上的微細(xì)圖案投影到硅晶圓表面的光刻膠(Photo Resist)上，再利用光刻膠的光化學(xué)反應(yīng)顯影(Develop)復(fù)制出圖案，它是現(xiàn)代微納制造中實(shí)現(xiàn)微觀圖案轉(zhuǎn)移的核心手段。

分辨率(Resolution)和聚焦深度(Depth of Focus)是衡量光刻工藝的重要參數(shù)指標(biāo)之一。集成化程度的不斷提高，特征尺寸的不斷減小，依賴于光刻分辨率的提升。根據(jù)瑞利分辨率公式：

（1）中R為分辨率即極限特征尺寸，λ為光源波長，NA是光學(xué)系統(tǒng)透鏡的數(shù)值孔徑，k1為工藝因子，與制程工藝有關(guān)。由公式可知，在工藝因子一定下，減小曝光光源波長和增大數(shù)值孔徑是提高分辨率的兩大重要途徑。

聚焦深度同樣也有近似公式：

（2）中DoF是焦深，n是透鏡與晶圓介質(zhì)的折射率，λ為光源波長，NA是透鏡數(shù)值孔徑，工藝穩(wěn)定下可以認(rèn)為k2是一個(gè)常數(shù)因子。公式（1）指出減小波長能提高分辨率，公式（2）又提到波長減小將使焦深變小，因而高的分辨率和更大的焦深似乎是矛盾的，產(chǎn)業(yè)界致力于尋找更高分辨率與合理焦深的平衡點(diǎn)。

圖 一些典型的分辨率增強(qiáng)技術(shù)

圖源：《超大規(guī)模集成電路先進(jìn)光刻理論與應(yīng)用》 韋亞一著

投影光刻工藝的基本步驟

光刻工藝通常包括以下步驟：

1.晶圓預(yù)處理：首先硅晶圓被準(zhǔn)備好，通常是用HMDS預(yù)處理并烘烤。這一步稱為增粘處理，以確保光刻膠涂覆的成功。

2.光刻膠涂覆：光刻膠被均勻涂覆在硅晶圓表面。光刻膠是光敏化層的一部分，用于接收光的投影并在之后的步驟中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。

3.涂膠后軟烤：也稱為前烘，光刻膠涂覆后需要馬上進(jìn)行烘烤，主要目的是蒸發(fā)光刻膠中的大量溶劑，避免膠膜內(nèi)部氣泡殘留。

4.對(duì)準(zhǔn)曝光（Exposure）：光刻機(jī)上通過一系列對(duì)位確保掩模和硅晶圓對(duì)準(zhǔn)，光源通過透鏡系統(tǒng)將掩模上的圖案精確地投影到光敏化層上發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)。

5.曝光后烘烤：也叫后烘，一般地化學(xué)放大膠或圖形反轉(zhuǎn)膠需要后烘步驟。后烘使曝光產(chǎn)生的光酸擴(kuò)散并發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，也有去除一部分駐波的作用。

6.顯影：溶解曝光后指定區(qū)域的光刻膠。常見的顯影方式有：浸沒式（immersion）、噴淋式（spray）和攪拌式（puddle）三種。顯影后要立即用去離子水沖洗。

7.硬烘烤：也叫堅(jiān)膜，通過加溫烘烤使膠膜更加牢固的粘附在晶圓表面，并可以增加膠層的抗刻蝕能力，堅(jiān)膜并不是一道必需的工藝。

8.檢測(cè)：用于確保光刻工藝后的圖形符合設(shè)計(jì)規(guī)范和質(zhì)量要求。通過光學(xué)或電子束等手段檢測(cè)并分類光刻過程中可能出現(xiàn)的問題，如線寬偏差、圖形缺陷、套刻誤差等。

圖. 基本光刻工藝步驟示意圖

其他微納光刻技術(shù)

在微納加工領(lǐng)域除了上述有掩膜的投影光學(xué)光刻技術(shù)，還有一些無掩膜的光刻技術(shù)，如電子束光刻、激光直寫光刻、聚焦離子束光刻、納米壓印光刻等。

電子束光刻：使用聚焦的電子束直接在光刻膠上寫入圖案。適用于小批量生產(chǎn)和掩模制作，以及納米尺度的研究。

激光直寫光刻：利用高能激光束直接在光敏材料表面或內(nèi)部進(jìn)行局部曝光，從而實(shí)現(xiàn)微米甚至納米尺度的精細(xì)圖案制作。

聚焦離子束光刻：使用聚焦的離子束在光刻膠上形成圖案。適用于高分辨率的微納加工和圖案的修補(bǔ)。

納米壓印光刻：通過物理壓印的方式將圖案從硬模具壓印到聚合物材料上。具有高分辨率和低成本的優(yōu)勢(shì)，適用于大面積圖案的制造。

這些光刻技術(shù)以其成本效益和設(shè)計(jì)靈活性展現(xiàn)出潛力，但目前精度或效率等存在不足，難以滿足大量制造需求。盡管短期內(nèi)難以替代傳統(tǒng)光學(xué)光刻，但快速地技術(shù)進(jìn)步或在特定微納加工領(lǐng)域獲得關(guān)注。

結(jié) 語

光刻技術(shù)作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的微雕藝術(shù)，不僅在過去幾十年里推動(dòng)了科技的飛速發(fā)展，相信在未來的科技創(chuàng)新中也會(huì)扮演著至關(guān)重要的角色。隨著半導(dǎo)體和微納加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，我們期待光刻技術(shù)能夠帶來更多的突破，為人類社會(huì)的發(fā)展貢獻(xiàn)更多的力量。