在集成电路的制造过程中，有一个重要的环节——光刻正因如此，我们才能在微型芯片上实现各种功能。现代雕刻技术可以追溯到190年前。1822年，法国人尼塞福尔·尼埃普斯在对各种材料进行光实验后，开始尝试复制油纸上的蚀刻图案。他将油纸放在玻璃片上，并在玻璃片上涂抹了溶解在植物油中的沥青。经过两三个小时的阳光照射后，透光部分的沥青明显硬化，而不透光部分的沥青仍然柔软，可以用松香和植物油的混合物洗掉。1827年，尼埃普斯用强酸蚀刻玻璃板，复制了昂布瓦兹主教的版画。

在尼埃普斯发明光刻技术一百多年后，二战期间，它首次被用于制造印刷电路板，也就是在塑料板上制作铜制电路。到1961年，光刻技术已用于在硅片上制造大量微型晶体管，当时的分辨率为5微米。如今，除了可见光光刻外，还出现了分辨率更高的光刻技术，例如X射线光刻和带电粒子刻蚀。

根据维基百科的定义，光刻技术是半导体器件制造过程中的重要步骤。该步骤利用曝光和显影在光刻胶层上形成几何图案，然后通过蚀刻工艺将光掩模上的图案转移到衬底上。这里提到的衬底不仅包括硅晶片，还可以是其他金属层和介电层，例如SOS中的玻璃和蓝宝石。

光刻基本原则它利用光刻胶（或光刻剂）的特性，在光照后通过光化学反应形成耐腐蚀性，并将掩模上的图案蚀刻到待加工的表面上。

光刻原理意图

光刻并非简单的工艺流程，它需要经过许多步骤：

光刻工艺

让我们详细介绍一下光刻工艺：

1.晶圆清洗

清洗硅片的目的是去除污染物、去除颗粒、减少针孔和其他缺陷，并提高光刻胶的附着力。

基本步骤：化学清洗 - 漂洗 - 干燥。

硅片经过各种工艺处理后，其表面会受到严重污染。一般来说，硅片表面的污染大致可以分为三类：

A. 有机杂质污染：可通过溶解有机试剂和超声波清洗技术去除。

去掉。

B. 颗粒物污染：可以使用物理方法，例如机械擦洗或超声波清洗技术，去除粒径≥0.4μm的颗粒；可以使用兆声波去除粒径≥0.2μm的颗粒。

C. 金属离子污染：必须采用化学方法清除污染物。硅片表面的金属杂质污染主要分为两大类：

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a. 其中一种类型是污染离子或原子通过吸附作用分散并附着在硅片表面。

b. 另一种类型是带正电荷的金属离子获得电子，然后附着（如“电镀”）到硅晶片的表面。

抛光硅晶片化学清洗的目的是去除这种污染物。通常可以使用以下方法来清洁和去除污染物。

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a. 使用强氧化剂使附着在硅表面的金属离子发生“电镀”、氧化成金属、溶解在清洗液中或吸附在硅片表面。 

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b. 使用无害的小直径强正离子（如 H+）置换吸附在硅片表面的金属离子，并将其溶解在清洗液中。

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c. 使用大量去离子水进行超声波清洗，以去除溶液中的金属离子。

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自1970年美国RCA实验室提出浸没式RCA化学清洗工艺以来，该工艺已被广泛应用。1978年，RCA实验室又推出了兆声波清洗工艺。近年来，基于RCA清洗理论的各种清洗技术不断涌现，例如：美国FSI公司推出的离心喷淋化学清洗技术；美国CFM公司推出的全流式封闭溢流清洗技术；美国VERTEQ公司推出的介于浸没式和封闭式之间的化学清洗技术（如Goldfinger Mach2清洗系统）；美国SSEC公司的双面黄樟清洗技术（如M3304 DSS清洗系统）；日本的无化学介质电离水清洗技术（使用介质超纯电离水进行清洗），该技术将抛光晶圆的表面清洗技术提升到了一个新的水平；以及基于HF/O3的硅晶圆化学清洗技术。

2.预烤和底火蒸汽 

由于光刻胶含有溶剂，因此涂覆有光刻胶的硅片需要……大约80度对硅片进行脱水烘烤可以去除片表面的水分，增强光刻胶与表面之间的附着力，通常在约 100°C 的温度下进行。此步骤与底涂工艺同时进行。

底涂可增强光刻胶 (PR) 与晶圆表面之间的附着力。常用底涂剂包括：六甲基二硅胺 (HMDS)，在旋涂光刻胶前进行 HMDS 蒸汽涂覆，以及在涂覆光刻胶前使用冷却板冷却晶圆。

预烘烤和底漆蒸汽应用

3.光刻胶涂层

光刻胶涂覆的常规步骤是在涂覆光刻胶之前，先在900-1100摄氏度下进行湿法氧化。氧化层可用作湿法刻蚀或硼离子注入的掩模。作为光刻工艺的第一步，将一层对紫外光敏感的有机聚合物化合物（通常称为光刻胶）涂覆到样品表面（SiO₂）。首先，将光刻胶从容器中取出，滴到放置在涂胶机中的样品表面（样品通过真空负压固定在样品台上）。然后，样品高速旋转，旋转速度取决于胶水的粘度和所需的胶层厚度。在如此高的转速下，胶水在离心力的作用下会流向边缘。

粘合过程这是图形转换过程中至关重要的第一步。胶层的质量直接影响加工后器件的缺陷密度。为了保证线宽的重复性和后续显影时间的稳定性，同一样品间胶层厚度的均匀性和不同样品间胶层厚度的一致性不应超过±5nm（对于1.5μm的胶层厚度，则为±0.3%）。

光刻胶目标厚度的确定主要取决于光刻胶本身的化学性质以及待复制图案中线条和间隙的精细程度。胶层过厚会导致边缘覆盖或连通性问题、胶层表面出现丘状或片状纹理，并降低成品率。在微机电系统（MEMS）中，烘烤后的胶层厚度通常在0.5-2微米之间；而对于特殊微结构制造，胶层厚度有时需要达到1厘米左右。在后一种情况下，旋涂法将被浇注胶或等离子胶聚合等方法所取代。传统光刻胶涂覆工艺的优化需要考虑胶滴速度、胶滴量、旋转速度、环境温度和湿度等因素。这些因素的稳定性至关重要。

让我来解释一下，光刻胶的主要成分是聚合物（树脂）、敏化剂和溶剂。聚合物在光照下结构发生变化，溶剂使其能够被喷射出来，并在样品表面形成薄膜，而敏化剂则控制聚合物相的化学反应。不含敏化剂的光刻胶有时被称为单一组分体系，而含有敏化剂的光刻胶则被称为二元体系。溶剂或其他添加剂通常不计入计算，因为它们不直接参与光刻胶的光化学反应。

根据不同的性质，光刻胶可分为正胶和负胶。      

在工艺发展的早期，负性胶一直主导着光刻工艺。随着超大规模集成电路（VLSI IC）和2-5微米图案尺寸的出现，负性胶已无法满足需求。于是正性胶应运而生，但其缺点是粘合性能较差。

使用正性胶水需要改变掩模的极性，这并非简单的图案翻转。由于掩模结合了两种不同的光刻胶，因此通过光刻技术在晶圆表面获得的图案尺寸不同。由于图案周围光线的衍射效应，将负性掩模和明场掩模结合在光刻胶层上获得的图案尺寸小于掩模本身的图案尺寸。而将正性光刻胶和暗场掩模结合使用则会增大光刻胶层上的图案尺寸。

光刻胶涂层

4.软烤

涂覆光刻胶后，需要进行温和的干燥处理。这一步骤也称为预烘烤。预烘烤可以使光刻胶中的溶剂挥发，从而使涂覆的光刻胶层变薄。

在液态光刻胶中，溶剂成分占65%~85%。虽然去除胶水后液态光刻胶已固化成膜，但仍残留10%~30%的溶剂，这些溶剂容易被灰尘污染。通过高温烘烤，可以使溶剂从光刻胶中蒸发（预烘烤后溶剂含量降低至约5%），从而减少灰尘污染。同时，这一步骤还可以降低高速旋转造成的薄膜应力，从而提高光刻胶在基底上的附着力。

在预烘烤过程中，由于溶剂挥发，光刻胶的厚度也会变薄。通常，光刻胶的厚度会减少约10%-20%。

烘焙系统

5.对准

光刻对准技术是曝光前的重要步骤。作为光刻三大核心技术之一，对准精度通常要求达到最小线宽的1/7至1/10。随着光刻分辨率的提高，对对准精度的要求也越来越高。例如，对于45微米的线宽，对准精度要求约为5微米。

受光刻分辨率提升的推动，对准技术也经历了快速而多元化的发展。从对准原理和标记结构分类来看，对准技术从投影光刻早期的几何成像对准方法（包括视频图像对准、双目显微镜对准等）发展到后来的区域板对准方法、干涉强度对准方法、激光外差干涉对准方法以及莫尔条纹对准方法。从对准信号来看，它主要包括标记显微图像对准、基于光强信息的对准和基于相位信息的对准。

对准规则是，对于第一次光刻，只需使掩模上的 Y 轴与晶圆上的平坦边缘成 90° 角，如图所示。后续的掩模都使用对准标记与之前的图案掩模进行对准。对准标记是一种特殊的图案（见图），分布在每个芯片图案的边缘。光刻工艺完成后，对准标记将永久保留在芯片表面，并可用于下一次对准。

对齐方法包括：

a. 预对准，通过硅晶圆上的凹槽或平面进行自动激光对准

b. 通过位于切割槽上的对准标记。此外，层间对准（即套刻精度）确保了硅片上图形与现有图形的对准。

6.曝光

在此步骤中，覆盖在基底上的光刻胶被特定波长的光选择性地照射。光刻胶中的光敏剂会发生光化学反应，导致被照射的正性光刻胶区域（感光区）和未被照射的负性光刻胶区域（非感光区）的化学成分发生变化。这些化学成分发生变化的区域可以在下一步中用特定的显影剂溶解。

正性光刻胶中的感光剂DQ在光照下发生光化学反应，生成烯酮，烯酮进一步水解生成茚羧酸（CA）。羧酸在碱性溶剂中的溶解度比光刻胶中未感光部分的溶解度高约100倍。生成的羧酸还能促进酚醛树脂的溶解。利用感光和非感光光刻胶在碱性溶剂中溶解度的差异，即可实现掩模图案的转移。

曝光方法包括：

a.接触式印刷（接触式印刷）掩模与光刻胶层直接接触。

b. 近距离印刷：掩模版和光刻胶层略微分离，约 10 至 50 μm。

c. 投影式印刷。在掩模和光刻胶之间使用透镜来聚焦光线，从而实现曝光。

d. 踏步机

让我在这里说几句特别的话。投影曝光分类：

曝光度中最重要的两个参数是：

1. 暴露能量（能量）

2.专注

如果能量和焦距调整不当，则无法获得所需分辨率和尺寸的图像。这表明图像的关键尺寸超出了所需范围。

7.发展

曝光完成后加入显影液，正性光刻胶的感光区和负性光刻胶的非感光区会被显影液溶解。完成此步骤后，光刻胶层中的图案即可显现。为了提高分辨率，几乎每种光刻胶都有其专用的显影液，以确保获得高质量的显影效果。

显影过程将曝光过程中形成的隐性图案转化为显性图案（无论是否涂覆光刻胶），该显性图案可用作下一步加工的掩模。显影过程本质上是选择性溶解，其中最重要的是曝光区域与未曝光区域的溶解速率比（DR）。商用正性胶片的DR比大于1000，曝光区域的溶解速率为3000nm/min，而未曝光区域的溶解速率仅为几nm/min。

目前有两种开发方法，一种是湿显影其中一种广泛应用于集成电路和微加工领域，另一种是干式发育。

a. 整盒硅晶圆浸没显影（批量显影）。

缺点：显影剂消耗量高；显影均匀性差；

b. 连续喷雾显影/自旋转显影。一个或多个喷嘴将显影液喷洒在硅片表面，同时硅片以低速（100至500转/分）旋转。喷嘴喷雾模式和硅片旋转速度是实现硅片间溶解速率重复性和均匀性的关键调节参数。

c. 液池显影法（液池显影）。将适量（但不要过多，以尽量减少背面湿度）显影液喷洒到晶圆表面，形成液池状（保持显影液流量较低，以减少边缘显影速率的波动）。固定硅晶圆或缓慢旋转。通常采用多次旋涂显影液的方法：第一次旋涂，保持 10 至 30 秒，然后去除；第二次旋涂，保持，然后去除。之后用去离子水冲洗（以去除晶圆两面的所有化学物质），并旋干。优点：显影液用量少；硅晶圆显影均匀；温度梯度小。

开发商：

a. 正性光刻胶显影液。正性胶的显影液为碱性水溶液。由于氢氧化钾（KOH）和氢氧化钠（NaOH）会引入可移动离子污染（MIC），因此通常不在集成电路制造中使用。最常用的正性胶显影液是氢氧化四甲基铵（TMAH）（标准当量浓度为0.26，温度15~250℃）。I线光刻胶曝光过程中会产生羧酸。TMAH显影液中的酸和碱会中和显影液中已曝光的光刻胶，而未曝光的光刻胶则不受影响；化学放大光刻胶（CAR）中含有的酚醛树脂以聚羟基丁酸酯（PHS）的形式存在。CAR中光激活剂（PAG）产生的酸会去除PHS中的保护基团（叔丁基氧羰基，t-BOC），使PHS能够快速溶解在TMAH显影液中。在整个显影过程中，TMAH不会与PHS发生反应。

b. 负性光刻胶显影剂。二甲苯。清洗液为乙酸丁酯、乙醇或三氯乙烯。

发展常见问题解答：

a. 显影不完全。光刻胶残留在表面。这是由于显影液不足造成的；

b. 正在发展中。由于发展时间不足，已形成的侧壁不垂直；

c. 显影过度。靠近表面的光刻胶被显影液过度溶解，形成台阶。显影时间过长。

8.硬烤

光刻胶显影完成后，图案基本定型，但需要进一步稳定光刻胶的性能。这可以通过硬干燥（也称为硬化）来实现。在此过程中，可采用高温处理去除光刻胶中残留的溶剂，增强光刻胶与硅片表面的附着力，并提高光刻胶在后续刻蚀和离子注入工艺中的抗刻蚀性能。此外，光刻胶在高温下会软化，形成类似于高温玻璃的熔融状态。在表面张力的作用下，这将使光刻胶表面更加光滑，并减少光刻胶层中的缺陷（例如针孔），从而修正光刻胶图案的边缘轮廓。

显影后，整个样品需经氧等离子体处理以去除可能残留的胶层，这一过程称为去胶。尤其对于负片胶，但正片胶在显影后，胶层与基板的界面处都会残留一层薄薄的聚合物。对于小于1微米或具有较大深宽比的结构，这个问题更为严重。当然，去胶过程中残留的胶层厚度也会减小，但影响不会太大。

最后，在蚀刻或涂覆之前需要进行高温烘烤以去除残留显影剂和水分，并需要退火以改善因显影过程中渗透和膨胀而导致的界面结合状况。同时，退火还能提高胶层的硬度和抗蚀刻性。高温烘烤的温度通常在120摄氏度以上，时间约为20分钟。其主要限制在于高温会破坏图案边缘，导致蚀刻后难以去除。

方法：热板，100~1300℃（略高于玻璃化转变温度Tg），1~2分钟。

目的：

a. 将光刻胶中的溶剂完全蒸发（以避免污染后续的离子注入环境，例如，DNQ酚醛树脂光刻胶中的氮会导致光刻胶局部爆裂）；

b. 硬膜，以提高光刻胶在离子注入或蚀刻过程中保护下表面的能力；

c. 进一步增强光刻胶与硅片表面之间的粘附性；

d. 进一步降低驻波效应。

常见问题解答：

a. 烘烤不足。降低光刻胶的强度（抗蚀刻性和离子注入阻挡能力）；降低针孔的间隙填充能力；降低与基板的粘附力。

b. 过度烘烤。这会导致光刻胶流动，从而降低图案精度并降低分辨率。此外，还可以使用深紫外光（DUV，深紫外）固化薄膜。正性光刻胶树脂交联形成一层薄而坚硬的​​表面壳，从而提高光刻胶的热稳定性。在后续的等离子体刻蚀和离子注入（125~2000℃）工艺中，可以减少高温下光刻胶流动造成的分辨率下降。

9.蚀刻或离子注入

蚀刻是半导体器件制造中利用化学方法选择性去除沉积层特定部分的工艺。蚀刻对器件的电性能至关重要。如果在蚀刻过程中出现错误，硅片将被报废且难以回收，因此必须进行严格的工艺控制。半导体器件的每一层都需要经过多次蚀刻步骤。

蚀刻技术通常分为电子束蚀刻和光刻。光刻对材料的平整度要求很高，因此需要极高的洁净度。而电子束蚀刻由于电子波长极短，分辨率远高于光刻。由于无需掩模，对平整度的要求不高，但电子束蚀刻速度较慢且设备昂贵。

在大多数蚀刻步骤中，晶圆上层的部分区域会被一层无法蚀刻的“掩模”保护，从而可以选择性地去除该层的特定部分。在某些情况下，掩模的材料是光刻胶，其原理类似于光刻技术。而在其他情况下，蚀刻掩模需要能够耐受某些化学物质，这时可以使用氮化硅来制作这种“掩模”。

离子注入是一种利用电场加速特定离子并将其注入另一种固体材料的技术方法。该技术可以改变固体材料的物理和化学性质，目前已广泛应用于半导体器件制造和某些材料研究领域。离子注入可以引起核转变，或改变某些固体材料的晶体结构。

10.光刻胶去除

光刻胶的主要功能是在进行化学或机械加工时保护其下方的基板部分。因此，当上述工艺完成后，必须将光刻胶完全去除。这一步骤称为除胶。只有那些耐高温的光刻胶，例如光敏聚酰亚胺，才能作为中间涂层或缓冲涂层留在器件上。

为避免对处理表面造成任何损伤，应采用低温温和的化学方法。超声波的应用也能增强剥离效果。一些已知的剥离液由于腐蚀问题无法用于铝等金属表面；在这种情况下，首先需要使用臭氧或氧等离子体（灰化）。这些等离子体也可成功用于非铝表面的光刻剥离，但器件表面损伤仍然是一个需要解决的问题。

蚀刻或离子注入后，光刻胶不再需要作为保护层，可以去除。去除胶层的方法大致可分为以下几类：

去除湿胶

有机溶剂去除：使用有机溶剂去除光刻胶

无机溶剂：通过使用一些无机溶剂，光刻胶中的碳元素（一种有机物）被氧化成二氧化碳，然后被去除。

干式光刻胶剥离：利用等离子体去除光刻胶

除了这些主要工艺之外，通常还会用到一些辅助工艺，例如在大面积上进行均匀蚀刻以减小基板厚度，或者去除边缘不平整等工艺。一般来说，在生产半导体芯片或其他元件时，基板需要进行多次光刻。

以上是光刻工艺的步骤，我在此汇总供大家参考，希望大家能指正。

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