在積體電路的製造過程中，有一個重要的環節—光刻正因如此，我們才能在微型晶片上實現各種功能。現代雕刻技術可以追溯到190年前。 1822年，法國人尼塞福爾·尼埃普斯在對各種材料進行光實驗後，開始嘗試複製油紙上的蝕刻圖案。他將油紙放在玻璃片上，並在玻璃片上塗抹了溶解在植物油中的瀝青。經過兩三個小時的陽光照射後，透光部分的瀝青明顯硬化，而不透光部分的瀝青仍然柔軟，可以用松香和植物油的混合物洗掉。 1827年，尼埃普斯用強酸蝕刻玻璃板，複製了昂布瓦茲主教的版畫。

在尼埃普斯發明光刻技術一百多年後，二戰期間，它首次被用於製造印刷電路板，也就是在塑膠板上製作銅製電路。到1961年，光刻技術已用於在矽片上製造大量微型晶體管，當時的分辨率為5微米。如今，除了可見光刻外，還出現了分辨率更高的光刻技術，例如X射線光刻和帶電粒子蝕刻。

根據維基百科的定義，光刻技術是半導體裝置製造過程中的重要步驟。此步驟利用曝光和顯影在光阻層上形成幾何圖案，然後透過蝕刻過程將光掩模上的圖案轉移到基板上。這裡提到的基板不僅包括矽晶片，還可以是其他金屬層和介電層，例如SOS中的玻璃和藍寶石。

光刻基本原則它利用光阻（或光刻劑）的特性，在光照後透過光化學反應形成耐腐蝕性，並將掩模上的圖案蝕刻到待加工的表面上。

光刻原理意圖

光刻並非簡單的工藝流程，它需要經過許多步驟：

光刻工藝

讓我們詳細介紹一下光刻工藝：

1.晶圓清洗

清洗矽片的目的是去除污染物、去除顆粒、減少針孔和其他缺陷，並提高光阻的附著力。

基本步驟：化學清洗 - 沖洗 - 乾燥。

矽片經過各種製程處理後，其表面會受到嚴重污染。一般來說，矽片表面的污染大致可分為三類：

A. 有機雜質污染：可透過溶解有機試劑和超音波清洗技術去除。

去掉。

B. 粒狀物污染：可以使用物理方法，例如機械擦洗或超音波清洗技術，去除粒徑≥0.4μm的顆粒；可以使用兆聲波去除粒徑≥0.2μm的顆粒。

C. 金屬離子污染：必須採用化學方法清除污染物。矽片表面的金屬雜質污染主要分為兩大類：

?? 

a. 其中一種類型是污染離子或原子經由吸附分散並附著在矽片表面。

b. 另一種類型是帶正電荷的金屬離子獲得電子，然後附著（如「電鍍」）到矽晶片的表面。

拋光矽晶片化學清洗的目的是去除這種污染物。通常可以使用以下方法來清潔和去除污染物。

? 

a. 使用強氧化劑使附著在矽表面的金屬離子「電鍍」、氧化成金屬、溶解在清洗液中或吸附在矽片表面。 

？ ？

b. 使用無害的小直徑強正離子（如 H+）置換吸附在矽片表面的金屬離子，並將其溶解在清洗液中。

？ ？

c. 使用大量去離子水進行超音波清洗，以去除溶液中的金屬離子。

??

自1970年美國RCA實驗室提出浸沒式RCA化學清洗製程以來，此製程已被廣泛應用。 1978年，RCA實驗室又推出了兆聲波清洗製程。近年來，基於RCA清洗理論的各種清洗技術不斷湧現，例如：美國FSI公司推出的離心噴淋化學清洗技術；美國CFM公司推出的全流式封閉溢流清洗技術；美國VERTEQ公司推出的介於浸沒式和封閉式之間的化學清洗技術（如Goldfinger Mach2清洗系統）；美國SSEC公司的雙面黃樟清洗公司的雙面黃樟清洗技術DSS清洗系統）；日本的無化學介質電離水清洗技術（使用介質超純電離水進行清洗），該技術將拋光晶圓的表面清洗技術提升到了一個新的水平；以及基於HF/O3的矽晶圓化學清洗技術。

2.預烤和底火蒸汽 

由於光阻含有溶劑，因此塗覆有光阻的矽片需要…大約80度將矽片進行脫水烘烤可以去除片表面的水分，並增強光阻與表面之間的附著力，通常在約 100°C 的溫度下進行。此步驟與底塗製程同時進行。

底塗可增強光阻 (PR) 與晶圓表面之間的附著力。常用底塗劑包括：六甲基二矽胺 (HMDS)，在旋塗光阻前進行 HMDS 蒸汽塗覆，以及在塗覆光阻前使用冷卻板冷卻晶圓。

預烘烤和底漆蒸氣應用

3.光阻塗層

光阻塗覆的常規步驟是在塗覆光阻之前，先在900-1100攝氏度下進行濕式氧化。氧化層可用作濕式蝕刻或硼離子注入的光罩。作為光刻製程的第一步，將一層對紫外光敏感的有機聚合物化合物（通常稱為光阻）塗覆到樣品表面（SiO₂）。首先，將光阻從容器中取出，滴到放置在塗膠機中的樣品表面（樣品透過真空負壓固定在樣品台上）。然後，樣品高速旋轉，旋轉速度取決於膠水的黏度和所需的膠層厚度。在如此高的轉速下，膠水在離心力的作用下會流向邊緣。

黏合過程這是圖形轉換過程中至關重要的第一步。膠層的品質直接影響加工後裝置的缺陷密度。為了確保線寬的重複性和後續顯影時間的穩定性，同一樣品間膠層厚度的均勻性和不同樣品間膠層厚度的一致性不得超過±5nm（對於1.5μm的膠層厚度，則為±0.3%）。

光阻目標厚度的決定主要取決於光阻本身的化學性質以及待複製圖案中線條和間隙的精細程度。膠層過厚會導致邊緣覆蓋或連通性問題、膠層表面出現丘狀或片狀紋理，並降低成品率。在微機電系統（MEMS）中，烘烤後的膠層厚度通常在0.5-2微米之間；而對於特殊微結構製造，膠層厚度有時需要達到1公分左右。在後一種情況下，旋塗法將被澆注膠或等離子膠聚合等方法所取代。傳統光阻塗覆製程的最佳化需要考慮膠滴速度、膠滴量、旋轉速度、環境溫度和濕度等因素。這些因素的穩定性至關重要。

讓我來解釋一下，光阻的主要成分是聚合物（樹脂）、敏化劑和溶劑。聚合物在光照下結構發生變化，溶劑使其能夠被噴射出來，並在樣品表面形成薄膜，而敏化劑則控制聚合物相的化學反應。不含敏化劑的光阻有時被稱為單一組分體系，而含有敏化劑的光阻則稱為二元體系。溶劑或其他添加劑通常不計入計算，因為它們不直接參與光阻的光化學反應。

依不同的性質，光阻可分為正膠以及 負膠。      

在製程發展的早期，負性膠一直主導著光刻工藝。隨著超大規模積體電路（VLSI IC）和2-5微米圖案尺寸的出現，負性膠已無法滿足需求。於是正性膠應運而生，但其缺點是黏合性能較差。

使用正性膠水需要改變掩模的極性，這並非簡單的圖案翻轉。由於光罩結合了兩種不同的光阻，因此透過光刻技術在晶圓表面獲得的圖案尺寸不同。由於圖案周圍光線的衍射效應，將負性掩模和明場掩模結合在光阻層上獲得的圖案尺寸小於掩模本身的圖案尺寸。而將正性光阻和暗場遮罩結合使用則會增加光阻層上的圖案尺寸。

光阻塗層

4.軟烤

塗覆光阻後，需要進行溫和的乾燥處理。這步驟也稱為預先烘烤。預先烘烤可以使光阻中的溶劑揮發，從而使塗覆的光阻層變薄。

在液態光阻中，溶劑成分佔65%~85%。雖然去除膠水後液態光阻已固化成薄膜，但仍殘留10%~30%的溶劑，這些溶劑容易被灰塵污染。透過高溫烘烤，可以使溶劑從光阻中蒸發（預烘烤後溶劑含量降低至約5%），從而減少灰塵污染。同時，這個步驟還可以降低高速旋轉造成的薄膜應力，進而提高光阻在基底上的附著力。

在預烘烤過程中，由於溶劑揮發，光阻的厚度也會變薄。通常，光阻的厚度會減少約10%-20%。

烘焙系統

5.校準

光刻對準技術是曝光前的重要步驟。作為光刻三大核心技術之一，對準精度通常要求達到最小線寬的1/7至1/10。隨著光刻解析度的提高，對準精度的要求也越來越高。例如，對於45微米的線寬，對準精度要求約為5微米。

受光刻解析度提升的推動，對準技術也經歷了快速而多元化的發展。從對準原理和標記結構分類來看，對準技術從投影光刻早期的幾何成像對準方法（包括視訊影像對準、雙眼顯微鏡對準等）發展到後來的區域闆對準方法、干涉強度對準方法、雷射外差干涉對準方法以及莫爾條紋對準方法。從對準訊號來看，它主要包括標記顯微影像對準、基於光強資訊的對準和基於相位資訊的對準。

對準規則是，對於第一次光刻，只需使遮罩上的 Y 軸與晶圓上的平坦邊緣成 90° 角，如圖所示。後續的掩模都使用對準標記與先前的圖案掩模進行對準。對準標記是一種特殊的圖案（見圖），分佈在每個晶片圖案的邊緣。光刻製程完成後，對準標記將永久保留在晶片表面，並可用於下一次對準。

對齊方法包括：

a. 預先對準，透過矽晶圓上的凹槽或平面進行自動雷射對準

b. 透過位於切割槽上的對準標記。此外，層間對準（即套刻精度）確保了矽片上圖形與現有圖形的對準。

6.曝光

在此步驟中，覆蓋在基底上的光阻被特定波長的光選擇性地照射。光阻中的光敏劑會發生光化學反應，導致被照射的正性光阻區域（感光區）和未被照射的負性光阻區域（非感光區）的化學成分發生變化。這些化學成分改變的區域可以在下一個步驟中用特定的顯影劑溶解。

正性光阻中的感光劑DQ在光照下發生光化學反應，生成烯酮，烯酮進一步水解生成茚羧酸（CA）。羧酸在鹼性溶劑中的溶解度比光阻中未感光部分的溶解度高約100倍。生成的羧酸還能促進酚醛樹脂的溶解。利用感光和非感光光阻在鹼性溶劑中溶解度的差異，即可實現掩模圖案的轉移。

曝光方法包括：

a.接觸式印刷（接觸式印刷）遮罩與光阻層直接接觸。

b. 近距離印刷：掩模版和光阻層略微分離，約 10 至 50 μm。

c. 投影式印刷。在掩模和光阻之間使用透鏡來聚焦光線，從而實現曝光。

d. 踏步機

讓我在這裡說幾句特別的話。投影曝光分類：

曝光度中最重要的兩個參數是：

1. 暴露能量（能量）

2.專注

如果能量和焦距調整不當，則無法獲得所需解析度和尺寸的影像。這表示影像的關鍵尺寸超出了所需範圍。

7.發展

曝光完成後加入顯影液，正性光阻的感光區和負性光阻的非感光區會被顯影液溶解。完成此步驟後，光阻層中的圖案即可顯現。為了提高分辨率，幾乎每種光阻都有其專用的顯影液，以確保獲得高品質的顯影效果。

顯影過程將曝光過程中形成的隱性圖案轉化為顯性圖案（無論是否塗覆光阻），該顯性圖案可用作下一步加工的掩模。顯影過程本質上是選擇性溶解，其中最重要的是曝光區域與未曝光區域的溶解速率比（DR）。商用正性底片的DR比大於1000，曝光區域的溶解速率為3000nm/min，而未曝光區域的溶解速率僅為幾nm/min。

目前有兩種開發方法，一種是濕顯影其中一種廣泛應用於積體電路和微加工領域，另一種是乾式發育。

a. 整盒矽晶圓浸沒顯影（批量顯影）。

缺點：顯影劑消耗量高；顯影均勻性差；

b. 連續噴霧顯影/自旋轉顯影。一個或多個噴嘴將顯影液噴灑在矽片表面，同時矽片以低速（100至500轉/分）旋轉。噴嘴噴霧模式和矽片旋轉速度是實現矽片間溶解速率重複性和均勻性的關鍵調節參數。

c. 液池顯影法（液池顯影）。將適量（但不要過多，以盡量減少背面濕度）顯影液噴灑到晶圓表面，形成液池狀（保持顯影液流量較低，以減少邊緣顯影速率的波動）。固定矽晶圓或緩慢旋轉。通常採用多次旋塗顯影液的方法：第一次旋塗，保持 10 至 30 秒，然後移除；第二次旋塗，保持，然後移除。之後用去離子水沖洗（以去除晶圓兩面的所有化學物質），並旋乾。優點：顯影液用量少；矽晶圓顯影均勻；溫度梯度小。

開發商：

a. 正性光阻顯影液。正性膠的顯影液為鹼性水溶液。由於氫氧化鉀（KOH）和氫氧化鈉（NaOH）會引入可移動離子污染（MIC），因此通常不在積體電路製造中使用。最常用的正性膠顯影液是氫氧化四甲基銨（TMAH）（標準當量濃度為0.26，溫度15~250℃）。 I線光阻曝光過程中會產生羧酸。 TMAH顯影液中的酸和鹼會中和顯影液中已曝光的光阻，而未曝光的光阻則不受影響；化學放大光阻（CAR）中含有的酚醛樹脂以聚羥基丁酸酯（PHS）的形式存在。 CAR中光激活劑（PAG）產生的酸會去除PHS中的保護基團（叔丁基氧羰基，t-BOC），使PHS能夠快速溶解在TMAH顯影液中。在整個顯影過程中，TMAH不會與PHS反應。

b. 負性光阻顯影劑。二甲苯。清洗液為乙酸丁酯、乙醇或三氯乙烯。

發展常見問題解答：

a. 顯影不完全。光阻殘留在表面。這是由於顯影液不足所造成的；

b. 正在發展中。由於發展時間不足，已形成的側壁不垂直；

c. 顯影過度。靠近表面的光阻被顯影液過度溶解，形成階梯。顯影時間過長。

8.硬烤

光阻顯影完成後，圖案基本上定型，但需要進一步穩定光阻的性能。這可以透過硬乾燥（也稱為硬化）來實現。在此過程中，可採用高溫處理去除光阻中殘留的溶劑，增強光阻與矽片表面的附著力，並提高光阻在後續刻蝕和離子注入製程中的抗蝕刻性能。此外，光阻在高溫下會軟化，形成類似高溫玻璃的熔融狀態。在表面張力的作用下，這將使光阻表面更加光滑，並減少光阻層中的缺陷（例如針孔），從而修正光阻圖案的邊緣輪廓。

顯影後，整個樣品需經氧等離子體處理以去除可能殘留的雜質，此過程稱為去膠渣。尤其對於負片膠，但正片膠在顯影後，膠層與基板的界面處都會殘留一層薄薄的聚合物。對於小於1微米或具有較大深寬比的結構，這個問題更為嚴重。當然，去膠渣過程中殘留的膠層厚度也會減少，但影響不會太大。

最後，在蝕刻或塗覆之前需要進行高溫烘烤以去除殘留顯影劑和水分，並需要退火以改善因顯影過程中滲透和膨脹而導致的界面結合狀況。同時，退火還能提高膠層的硬度和抗蝕刻性。高溫烘烤的溫度通常在攝氏120度以上，時間約20分鐘。其主要限制在於高溫會破壞圖案邊緣，導致蝕刻後難以去除。

方法：熱板，100~1300℃（略高於玻璃化轉變溫度Tg），1~2分鐘。

目的：

a. 將光阻中的溶劑完全蒸發（以避免污染後續的離子注入環境，例如，DNQ酚醛樹脂光阻中的氮會導致光阻局部爆裂）；

b. 硬膜，以提高光阻在離子注入或蝕刻過程中保護下表面的能力；

c. 進一步增強光阻與矽片表面之間的黏附性；

d. 進一步降低駐波效應。

常見問題解答：

a. 烘烤不足。降低光阻的強度（抗蝕刻性和離子注入阻擋能力）；降低針孔的間隙填充能力；降低與基板的黏附力。

b. 過度烘烤。這會導致光阻流動，從而降低圖案精度並降低解析度。此外，還可以使用深紫外光（DUV，深紫外線）固化薄膜。正性光阻樹脂交聯形成一層薄而堅硬的表面殼，從而提高光阻的熱穩定性。在後續的等離子蝕刻和離子注入（125~2000℃）製程中，可以減少高溫下光阻流動造成的分辨率下降。

9.蝕刻或離子注入

蝕刻是半導體裝置製造中利用化學方法選擇性去除沉積層特定部分的製程。蝕刻對裝置的電性能至關重要。如果在蝕刻過程中出現錯誤，矽片將被報廢且難以回收，因此必須進行嚴格的製程控制。半導體裝置的每一層都需要經過多次蝕刻步驟。

蝕刻技術通常分為電子束蝕刻和光刻。光刻對材料的平整度要求很高，因此需要極高的潔淨度。而電子束蝕刻由於電子波長極短，分辨率遠高於光刻。由於無需掩模，對平整度的要求不高，但電子束蝕刻速度較慢且設備昂貴。

在大多數蝕刻步驟中，晶圓上層的部分區域會被一層無法蝕刻的「掩模」保護，從而可以選擇性地去除該層的特定部分。在某些情況下，掩模的材料是光阻，其原理類似於光刻技術。而在其他情況下，蝕刻掩模需要能夠耐受某些化學物質，這時可以使用氮化矽來製作這種「掩模」。

離子注入是一種利用電場加速特定離子並將其註入另一種固體材料的技術方法。該技術可以改變固體材料的物理和化學性質，目前已廣泛應用於半導體裝置製造和某些材料研究領域。離子注入可以引起核轉變，或改變某些固體材料的晶體結構。

10光阻去除

光阻的主要功能是在進行化學或機械加工時保護其下方的基板部分。因此，當上述製程完成後，必須將光阻完全去除。這步驟稱為除膠。只有那些耐高溫的光阻，例如光敏聚醯亞胺，才能作為中間塗層或緩衝塗層留在裝置上。

為避免對處理表面造成任何損傷，應採用低溫溫和的化學方法。超音波的應用也能增強剝離效果。一些已知的剝離液由於腐蝕問題無法用於鋁等金屬表面；在這種情況下，首先需要使用臭氧或氧等離子體（灰化）。這些等離子體也可成功用於非鋁表面的光刻剝離，但裝置表面損傷仍然是一個需要解決的問題。

蝕刻或離子注入後，光阻不再需要作為保護層，可以去除。去除膠層的方法大致可分為以下幾類：

去除濕膠

有機溶劑去除：使用有機溶劑去除光阻

無機溶劑：透過使用一些無機溶劑，光阻中的碳元素（一種有機物）被氧化成二氧化碳，然後被去除。

乾式光阻剝離：利用等離子體去除光阻

除了這些主要製程之外，通常還會使用一些輔助工藝，例如在大面積上進行均勻蝕刻以減少基板厚度，或去除邊緣不平整等製程。一般來說，在生產半導體晶片或其他元件時，基板需要進行多次微影。

以上是光刻工藝的步驟，我在此匯總供大家參考，希望大家能指正。

免責聲明：本文轉載自《半導體產業觀察》。本文僅代表作者個人觀點，不代表賽科微電子及業界立場。轉載僅供支持智慧財產權保護之用，請註明原出處及作者。如有侵權，請聯絡我們刪除。

公司電話號碼：+86-0755-83044319
傳真：+86-0755-83975897
郵箱：1615456225@qq.com
QQ：3518641314 李經理

QQ：332496225 邱經理

地址：深圳市龍華新區民治大道1079號展濤科技大樓C座809室