光刻工藝介紹

光刻技術(shù)的起源
光刻的原理起源于印刷技術(shù)中的照相制版，是在一個平面上加工形成微圖形。隨著器件尺寸的不斷縮小，光刻技術(shù)也從最初的接觸式、接近式曝光發(fā)展到目前普遍使用的投影式曝光，圖1是投影式曝光示意圖。投影式曝光技術(shù)中由于硅片和掩膜版沒有接觸，從而避免了由于接觸引入的工藝缺陷，同時掩膜版的利用率得以提高，因此，該曝光技術(shù)成為了目前光刻技術(shù)的主流。

圖1 光學(xué)成像的原理
物體成像是由物鏡收集到的各級衍射光相長干涉的結(jié)果。當(dāng)物鏡收集到的衍射光級次越高時，衍射光包含的光掩模圖形信息越豐富，成像的質(zhì)量越高。由于物鏡數(shù)值孔徑大小的限制，不能收集到所有高級次的衍射光，而要使物體成像，物鏡系統(tǒng)起碼要收集到光掩模圖形衍射的零級光和一級光。隨著光掩模圖形尺寸的減小，根據(jù)布拉格定律，衍射角會變得越大，當(dāng)光掩模圖形的尺寸減小到一定程度時，物鏡系統(tǒng)不能收集到其一級衍射光，此時光掩模圖形將無法成像，因此提出了物鏡系統(tǒng)所能成像的最小線寬即分辨率（Resolution）的概念。
 
光刻技術(shù)
一個芯片的誕生，是從一張電路設(shè)計(jì)圖開始的，它通過激光或電子束直接寫在了光掩模版上，然后像拍照一樣，用激光輻照光掩模版，晶圓上的光敏物質(zhì)因感光而發(fā)生材料性質(zhì)的改變，通過顯影，便完成了芯片從設(shè)計(jì)版圖到硅片的轉(zhuǎn)移。微電子學(xué)使用的光敏化合物稱作光刻膠或光阻。劃分光刻膠的一個基本類別是它的極性。光刻膠在曝光之后，被泡入顯影溶液之中，在顯影過程中，正性光刻膠曝過光的區(qū)域溶解要快得多，理想情況下，未曝光的區(qū)域保持不變。負(fù)性光刻膠正好相反，在顯影劑中未曝光的區(qū)域?qū)⑷芙猓毓獾膮^(qū)域?qū)⒘粝?。正光刻膠的分辨率往往是最好的，因此在IC制造中應(yīng)用更為普遍。
 
IC制造中用的光刻膠通常有三種成分，樹脂或基體材料、感光化合物（PAC：photoactive compound）以及可控制光刻膠機(jī)械性能（例如基體黏滯性）并使其保持液體狀態(tài)的溶劑。在正性光刻膠中，PAC在曝光前作為一種抑制劑，降低光刻膠在相應(yīng)溶液中的溶解速度。正性光刻膠曝露于光線時發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使抑制劑變成了感光劑，從而增加了膠的溶解速率。理想情況下，抑制劑應(yīng)完全阻止光刻膠的任何溶解，而感光劑則產(chǎn)生一個無限大的溶解速率。當(dāng)然，正如達(dá)爾文的相對論所講的，事物是相對的，理想情況下的抑制劑和感光劑是不存在的，抑制溶解和增強(qiáng)溶解是相對的，是一種動態(tài)平衡。光刻膠最實(shí)用的兩個性能是靈敏度和分辨率。靈敏度是指發(fā)生上述化學(xué)變化所需的光能量。光刻膠的靈敏度越高，曝光過程越快，因此對一個給定的曝光強(qiáng)度，所需的曝光時間將越短。分辨率是指能在光刻膠上成像出的最小特征尺寸。
 
光刻工藝流程

圖 光刻工藝
1 脫水烘烤
對于正性光刻膠，為了獲得平坦而均勻的光刻膠涂層并且使光刻膠與晶圓之間有良好的粘附性，通常在涂膠之前必須對晶圓進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理的第一步常常是一次脫水烘烤，在真空或干燥氮?dú)獾臍夥罩?，?50～200℃烘烤。該步的目的是除去晶圓表面吸附的水分，在此溫度下，晶圓表面大概保留下一個單分子層的水。
 
2 勻膠涂布
接下來是對晶圓涂膠，最常用的方法是旋轉(zhuǎn)涂膠。首先，用真空吸盤將晶圓固定，吸盤是一個平的、與真空管線相連的空心金屬盤。吸盤表面有許多小孔，當(dāng)晶圓放在其上面時，真空的吸力使晶圓與吸盤緊密接觸。接著一個事先確定好的膠量滴在晶圓表面，吸盤上施加的轉(zhuǎn)矩使其按一個受控的速率迅速上升到較高的旋轉(zhuǎn)速度，通常為1000～5000 r/min。因?yàn)閺哪z剛被滴到晶圓上，溶劑就開始從膠中揮發(fā)，所以要想獲得好的均勻性，晶圓旋轉(zhuǎn)的加速階段是至關(guān)重要的。當(dāng)晶圓以最大旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)到一個固定的時間段之后以受控的方式減速至停止。這種涂膠方法的一個變種稱為動態(tài)滴膠，即在晶圓以低速度旋轉(zhuǎn)的同時將一部分或全部光刻膠滴到晶圓上，這種方法使膠在晶圓高速旋轉(zhuǎn)之前已在整個晶圓上鋪開。
膠厚和膠厚的均勻性是建立好的光刻工藝的關(guān)鍵參數(shù)。厚度與滴膠量并沒有很大的關(guān)系。通常，旋轉(zhuǎn)之后滴在晶圓上的膠只能保留1%以下，其余的在旋轉(zhuǎn)時飛離晶圓。為了避免膠的再淀積，旋轉(zhuǎn)器的吸盤周圍都有防濺裝置。膠的厚度主要由膠的黏度和轉(zhuǎn)速決定，較高黏度和較低的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生較厚的光刻膠。
 
3 軟烤
旋轉(zhuǎn)涂膠之后，基片必須經(jīng)歷一次軟烤，或稱前烘。這一步的作用是去除光刻膠中的大部分溶劑并使膠的曝光特性固定。膠在顯影劑中溶解的速率將極大地依賴于最終光刻膠中的溶劑濃度。通常，軟烤的時間越短或溫度越低會使得膠在顯影劑中的溶解速度增加且感光度更高，但是其代價是對比度。事實(shí)上高溫軟烤能使PAC的光化學(xué)反應(yīng)開始，導(dǎo)致膠的未曝光區(qū)域在顯影液中溶解，實(shí)際上軟烤工藝是通過優(yōu)化對比度而保持可接受感光度的試湊法用實(shí)驗(yàn)確定的，典型的軟烤溫度是90～100℃,時間范圍從用熱板的30秒到用烤箱的30分鐘。軟烤之后留下的溶劑濃度一般約為初始濃度的5%。
 
4圖形曝光
接下來晶圓送去曝光機(jī)臺進(jìn)行曝光。激光光束掃描過掩模版，透光區(qū)域在光刻膠上留下圖形，完成了圖形從掩模版到晶圓的傳遞。
 
5 曝光后烘烤
經(jīng)過曝光的光刻膠的化學(xué)性能尚未活化，必須加熱烘烤后催化其化學(xué)反應(yīng)。所以，曝光后的烘烤溫度與烘烤時間直接影響著最后圖形的質(zhì)量。
 
6 顯影
光刻膠一般都溶解于堿性溶液，顯影溶液的堿性強(qiáng)弱不同、濃度不同，浸入顯影液的時間不同，導(dǎo)致的結(jié)果頁不同。例如50%溶液濃度的NAOH溶液，并不能起到顯影的效果，而是會將光刻膠直接的溶解。而在5%濃度的NAOH中，通過浸泡或噴灑時間，可以控制顯影的程度。值得注意的是顯影劑在顯影過程中是會被不斷消耗的，必須不斷補(bǔ)充。
 
7 硬烤
主要是為了移除殘余的顯影液和蒸餾水，提高抗刻蝕能力，增加附著力，減少針孔的發(fā)生，增加平坦度。