光刻工藝

光刻（英語：photolithography）工藝是半導體器件製造工藝中的一個重要步驟，該步驟利用曝光和顯影在光刻膠層上刻畫幾何圖形結構，然後通過刻蝕工藝將光掩模上的圖形轉移到所在襯底上。這裡所說的襯底不僅包含矽晶圓，還可以是其他金屬層、介質層，例如玻璃、SOS中的藍寶石。

基本介紹

• 中文名：光刻工藝
• 外文名：photolithography
• 簡稱：光刻

概述

下面以襯底上金屬連線的刻蝕為例講解光刻過程。

首先，通過金屬化過程，在矽襯底上布置一層僅數納米厚的金屬層。然後在這層金屬上覆上一層光刻膠。這層光阻劑在曝光（一般是紫外線）後可以被特定溶液（顯影液）溶解。使特定的光波穿過光掩膜照射在光刻膠上，可以對光刻膠進行選擇性照射（曝光）。然後使用前面提到的顯影液，溶解掉被照射的區域，這樣，光掩模上的圖形就呈現在光刻膠上。通常還將通過烘乾措施，改善剩餘部分光刻膠的一些性質。

上述步驟完成後，就可以對襯底進行選擇性的刻蝕或離子注入過程，未被溶解的光刻膠將保護襯底在這些過程中不被改變。

刻蝕或離子注入完成後，將進行光刻的最後一步，即將光刻膠去除，以方便進行半導體器件製造的其他步驟。通常，半導體器件製造整個過程中，會進行很多次光刻流程。生產複雜積體電路的工藝過程中可能需要進行多達50步光刻，而生產薄膜所需的光刻次數會少一些。

光刻膠

主條目：光刻膠

光刻中採用的感光物質被稱為光刻膠，主要分為正光刻膠和負光刻膠兩種。正光刻膠未被光照的部分在顯影后會被保留，而負光刻膠被感光的部分在顯影后會被保留。光刻膠不僅需要對指定的光照敏感，還需要在之後的金屬刻蝕等過程中保持性質穩定。不同的光刻膠一般具有不同的感光性質，有些對所有紫外線光譜感光，有些只對特定的光譜感光，也有些對X射線或者對電子束感光。光刻膠需要保存在特殊的遮光器皿中。

步驟

襯底的準備

在塗抹光刻膠之前，矽襯底一般需要進行預處理。一般情況下，襯底表面上的水分需要蒸發掉，這一步通過脫水烘焙來完成。此外，為了提高光刻膠在襯底表面的附著能力，還會在襯底表面塗抹化合物。目前套用的比較多的是六甲基乙矽氮烷（hexa-methyl-disilazane, HMDS）、三甲基甲矽烷基二乙胺（tri-methyl-silyl-diethyl-amime, TMSDEA）等。

光刻膠的塗抹

在這一步中，需要將光刻膠均勻、平整地分布在襯底表面上。

首先，將矽片放在一個平整的金屬託盤上，托盤內有小孔與真空管相連。由於大氣壓力的作用，矽片可以被“吸附”在托盤上，這樣矽片就可以與托盤一起旋轉。塗膠工藝一般分為三個步驟：

1. 將光刻膠溶液噴灑在矽片表面；
   
2. 加速旋轉託盤（矽片），直到達到所需的旋轉速度；
   
3. 達到所需的旋轉速度之後，以這一速度保持一段時間。以旋轉的托盤為參考系，光刻膠在隨之旋轉受到離心力，使得光刻膠向著矽片外圍移動，故塗膠也可以被稱作甩膠。經過甩膠之後，留在矽片表面的光刻膠不足原有的1%。
   

軟烘乾

完成光刻膠的塗抹之後，需要進行軟烘乾操作，這一步驟也被稱為前烘。

在液態的光刻膠中，溶劑成分占65%－85%。雖然在甩膠之後，液態的光刻膠已經成為固態的薄膜，但仍有10%－30%的溶劑，容易沾污灰塵。通過在較高溫度下進行烘培，可以使溶劑從光刻膠中揮發出來（前烘後溶劑含量降至5%左右），從而降低了灰塵的沾污。同時，這一步驟還可以減輕因高速旋轉形成的薄膜應力，從而提高光刻膠 襯底上的附著性。

在前烘過程中，由於溶劑揮發，光刻膠厚度也會減薄，一般減薄的幅度為10%－20%左右。

曝光

在這一步中，將使用特定波長的光對覆蓋襯底的光刻膠進行選擇性地照射。光刻膠中的感光劑會發生光化學反應，從而使正光刻膠被照射區域（感光區域）、負光刻膠未被照射的區域（非感光區）化學成分發生變化。這些化學成分發生變化的區域，在下一步的能夠溶解於特定的顯影液中。

在接受光照後，正性光刻膠中的感光劑DQ會發生光化學反應，變為乙烯酮，並進一步水解為茚並羧酸（Indene-Carboxylic-Acid, CA），羧酸在鹼性溶劑中的溶解度比未感光部分的光刻膠高出約100倍，產生的羧酸同時還會促進酚醛樹脂的溶解。利用感光與未感光光刻膠對鹼性溶劑的不同溶解度，就可以進行掩膜圖形的轉移。

顯影

通過在曝光過程結束後加入顯影液，正光刻膠的感光區、負光刻膠的非感光區，會溶解於顯影液中。這一步完成後，光刻膠層中的圖形就可以顯現出來。為了提高解析度，幾乎每一種光刻膠都有專門的顯影液，以保證高質量的顯影效果。

硬烘乾

光刻膠顯影完成後，圖形就基本確定，不過還需要使光刻膠的性質更為穩定。硬烘乾可以達到這個目的，這一步驟也被稱為堅膜。在這過程中，利用高溫處理，可以除去光刻膠中剩餘的溶劑、增強光刻膠對矽片表面的附著力，同時提高光刻膠在隨後刻蝕和離子注入過程中的抗蝕性能力。另外，高溫下光刻膠將軟化，形成類似玻璃體在高溫下的熔融狀態。這會使光刻膠表面在表面張力作用下圓滑化，並使光刻膠層中的缺陷（如針孔）減少，這樣修正光刻膠圖形的邊緣輪廓。

刻蝕或離子注入

主條目：刻蝕和離子注入

光刻膠的去除

這一步驟簡稱去膠。刻蝕或離子注入之後，已經不再需要光刻膠作保護層，可以將其除去。去膠的方法分類如下：

• 濕法去膠
  
• 有機溶劑去膠：利用有機溶劑除去光刻膠
  
• 無機溶劑：通過使用一些無機溶劑，將光刻膠這種有機物中的碳元素氧化為二氧化碳，進而而將其除去
  

乾法去膠：利用電漿將光刻膠剝除

除了這些主要的工藝以外，還經常採用一些輔助過程，比如進行大面積的均勻腐蝕來減小襯底的厚度，或者去除邊緣不均勻的過程等等。一般在生產半導體晶片或者其它元件時，一個襯底需要多次重複光刻。

優點和缺點

光刻的優點是它可以精確地控制形成圖形的形狀、大小，此外它可以同時在整個晶片表面產生外形輪廓。不過，其主要缺點在於它必須在平面上使用，在不平的表面上它的效果要差一些。此外它還要求襯底具有極高的清潔條件。