光刻工艺介绍

光刻技术的起源
光刻的原理起源于印刷技术中的照相制版，是在一个平面上加工形成微图形。随着器件尺寸的不断缩小，光刻技术也从最初的接触式、接近式曝光发展到目前普遍使用的投影式曝光，图1是投影式曝光示意图。投影式曝光技术中由于硅片和掩膜版没有接触，从而避免了由于接触引入的工艺缺陷，同时掩膜版的利用率得以提高，因此，该曝光技术成为了目前光刻技术的主流。

图1 光学成像的原理
物体成像是由物镜收集到的各级衍射光相长干涉的结果。当物镜收集到的衍射光级次越高时，衍射光包含的光掩模图形信息越丰富，成像的质量越高。由于物镜数值孔径大小的限制，不能收集到所有高级次的衍射光，而要使物体成像，物镜系统起码要收集到光掩模图形衍射的零级光和一级光。随着光掩模图形尺寸的减小，根据布拉格定律，衍射角会变得越大，当光掩模图形的尺寸减小到一定程度时，物镜系统不能收集到其一级衍射光，此时光掩模图形将无法成像，因此提出了物镜系统所能成像的最小线宽即分辨率（Resolution）的概念。
 
光刻技术
一个芯片的诞生，是从一张电路设计图开始的，它通过激光或电子束直接写在了光掩模版上，然后像拍照一样，用激光辐照光掩模版，晶圆上的光敏物质因感光而发生材料性质的改变，通过显影，便完成了芯片从设计版图到硅片的转移。微电子学使用的光敏化合物称作光刻胶或光阻。划分光刻胶的一个基本类别是它的极性。光刻胶在曝光之后，被泡入显影溶液之中，在显影过程中，正性光刻胶曝过光的区域溶解要快得多，理想情况下，未曝光的区域保持不变。负性光刻胶正好相反，在显影剂中未曝光的区域将溶解，而曝光的区域将留下。正光刻胶的分辨率往往是最好的，因此在IC制造中应用更为普遍。
 
IC制造中用的光刻胶通常有三种成分，树脂或基体材料、感光化合物（PAC：photoactive compound）以及可控制光刻胶机械性能（例如基体黏滞性）并使其保持液体状态的溶剂。在正性光刻胶中，PAC在曝光前作为一种抑制剂，降低光刻胶在相应溶液中的溶解速度。正性光刻胶曝露于光线时发生化学反应，使抑制剂变成了感光剂，从而增加了胶的溶解速率。理想情况下，抑制剂应完全阻止光刻胶的任何溶解，而感光剂则产生一个无限大的溶解速率。当然，正如达尔文的相对论所讲的，事物是相对的，理想情况下的抑制剂和感光剂是不存在的，抑制溶解和增强溶解是相对的，是一种动态平衡。光刻胶最实用的两个性能是灵敏度和分辨率。灵敏度是指发生上述化学变化所需的光能量。光刻胶的灵敏度越高，曝光过程越快，因此对一个给定的曝光强度，所需的曝光时间将越短。分辨率是指能在光刻胶上成像出的最小特征尺寸。
 
光刻工艺流程

图 光刻工艺
1 脱水烘烤
对于正性光刻胶，为了获得平坦而均匀的光刻胶涂层并且使光刻胶与晶圆之间有良好的粘附性，通常在涂胶之前必须对晶圆进行预处理。预处理的第一步常常是一次脱水烘烤，在真空或干燥氮气的气氛中，以150～200℃烘烤。该步的目的是除去晶圆表面吸附的水分，在此温度下，晶圆表面大概保留下一个单分子层的水。
 
2 匀胶涂布
接下来是对晶圆涂胶，最常用的方法是旋转涂胶。首先，用真空吸盘将晶圆固定，吸盘是一个平的、与真空管线相连的空心金属盘。吸盘表面有许多小孔，当晶圆放在其上面时，真空的吸力使晶圆与吸盘紧密接触。接着一个事先确定好的胶量滴在晶圆表面，吸盘上施加的转矩使其按一个受控的速率迅速上升到较高的旋转速度，通常为1000～5000 r/min。因为从胶刚被滴到晶圆上，溶剂就开始从胶中挥发，所以要想获得好的均匀性，晶圆旋转的加速阶段是至关重要的。当晶圆以最大旋转速度旋转到一个固定的时间段之后以受控的方式减速至停止。这种涂胶方法的一个变种称为动态滴胶，即在晶圆以低速度旋转的同时将一部分或全部光刻胶滴到晶圆上，这种方法使胶在晶圆高速旋转之前已在整个晶圆上铺开。
胶厚和胶厚的均匀性是建立好的光刻工艺的关键参数。厚度与滴胶量并没有很大的关系。通常，旋转之后滴在晶圆上的胶只能保留1%以下，其余的在旋转时飞离晶圆。为了避免胶的再淀积，旋转器的吸盘周围都有防溅装置。胶的厚度主要由胶的黏度和转速决定，较高黏度和较低的转速产生较厚的光刻胶。
 
3 软烤
旋转涂胶之后，基片必须经历一次软烤，或称前烘。这一步的作用是去除光刻胶中的大部分溶剂并使胶的曝光特性固定。胶在显影剂中溶解的速率将极大地依赖于最终光刻胶中的溶剂浓度。通常，软烤的时间越短或温度越低会使得胶在显影剂中的溶解速度增加且感光度更高，但是其代价是对比度。事实上高温软烤能使PAC的光化学反应开始，导致胶的未曝光区域在显影液中溶解，实际上软烤工艺是通过优化对比度而保持可接受感光度的试凑法用实验确定的，典型的软烤温度是90～100℃,时间范围从用热板的30秒到用烤箱的30分钟。软烤之后留下的溶剂浓度一般约为初始浓度的5%。
 
4图形曝光
接下来晶圆送去曝光机台进行曝光。激光光束扫描过掩模版，透光区域在光刻胶上留下图形，完成了图形从掩模版到晶圆的传递。
 
5 曝光后烘烤
经过曝光的光刻胶的化学性能尚未活化，必须加热烘烤后催化其化学反应。所以，曝光后的烘烤温度与烘烤时间直接影响着最后图形的质量。
 
6 显影
光刻胶一般都溶解于碱性溶液，显影溶液的碱性强弱不同、浓度不同，浸入显影液的时间不同，导致的结果页不同。例如50%溶液浓度的NAOH溶液，并不能起到显影的效果，而是会将光刻胶直接的溶解。而在5%浓度的NAOH中，通过浸泡或喷洒时间，可以控制显影的程度。值得注意的是显影剂在显影过程中是会被不断消耗的，必须不断补充。
 
7 硬烤
主要是为了移除残余的显影液和蒸馏水，提高抗刻蚀能力，增加附着力，减少针孔的发生，增加平坦度。