集成電路光刻工藝研究

摘 要：光刻是利用特定工藝將掩膜板上的集成電路圖形印制到硅片上的精密表面加工技術。在集成電路制造工藝中，光刻是最為重要的工藝之一。它決定著芯片的最小特征尺寸，占芯片制造時間的40-50%，并且占制造成本的30%。本文通過對光刻工藝的主要步驟的分析，研究了正膠及負膠的特性，探討了未來光刻工藝發展的方向。

關鍵詞：集成電路；光刻；工藝；光刻膠

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.24.011

1 緒論

1.1 集成電路

集成電路（Integrated Circuit，簡稱IC）是20世紀60年代初期發展起來的一種新型半導體器件。它是經過氧化、光刻、擴散、外延、蒸鋁等半導體制造工藝，把構成具有一定功能的電路所需的半導體、電阻、電容等元件及它們之間的連接導線全部集成在一小塊硅片上，然后焊接封裝在一個管殼內的電子器件。使電子元件向著微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面邁進了一大步。

1.2 光刻

光刻是利用曝光和光刻膠的選擇性化學腐蝕，在半導體晶體表面的掩模層刻制出圖形的工藝。自從它在1959年被發明以來，就成為半導體工業最有用的工具。迄今為止，基本上所有的集成電路都是通過它制造的。它決定著芯片的最小特征尺寸，占芯片制造時間的40-50%，并且占制造成本的30%。

2 光刻的原理

光刻的原理與印相片相同，涂在硅片上的光刻膠相當于相紙，掩模相當于底片。光學光刻是由投影光學系統和掩模版相結合來產生光刻圖形的。曝光方式普遍采用分布重復投影式曝光，即將一組圖形重復上百次制作在一大片硅片上。

3 光刻工藝的基本流程

光刻工藝可分為涂膠、對準和曝光、顯影三個基本流程。

3.1 涂膠

涂膠就是在圓片襯底上均勻的涂一層一定厚度的光刻膠，要求光刻膠粘附良好，均勻，薄厚適當。一般采用旋轉涂敷的方式，將圓片放置在涂膠機的真空卡盤上，液態光刻膠滴在高速旋轉的圓片中心，以離心力向外擴展，均勻涂覆在圓片表面。

不同的光刻膠要求不同的旋轉涂膠條件，例如最初慢速旋轉（例如500rpm），接下來躍變到最大轉速3000rpm或者更高。一些光刻膠應用的重要質量指標是時間、速度、厚度、均勻性、顆粒沾污以及光刻膠缺陷，如針孔。

3.2 對準和曝光

掩膜版與涂了膠的硅片上的正確位置對準。硅片表面可以是裸露的硅，但通常在其表面有一層事先確定了的圖形。將掩膜版和硅片曝光，把掩膜版圖形轉移到涂膠的硅片上。光能激活了光刻膠中的光敏成分。對準和曝光的重要質量指標是線寬分辨率、套刻精度、顆粒和缺陷。

3.3 顯影

顯影是在硅片表面光刻膠中產生圖形的關鍵步驟。光刻膠上的可溶解區域被化學顯影劑溶解，將可見的島或者窗口圖形留在硅片表面。最通常的顯影方法是旋轉、噴霧、浸潤。

一旦光刻膠在硅片上形成圖形，就要進行檢查以確定光刻膠圖形的質量。檢查有兩個目的：找出光刻膠有質量問題的硅片，描述光刻膠工藝性能以滿足規范要求。如果確定膠有缺陷，通過去膠可以把它們除去，硅片也可以返工。

4 光刻膠

光刻膠也稱為光致抗蝕劑（Photoresist，P. R.）。

凡是在能量束（光束、電子束、離子束等）的照射下，以降解反應為主的光刻膠稱為正性光刻膠，交聯反應為主的光刻膠稱為負性光刻膠。

4.1 光刻膠的特性

（1）靈敏度。單位面積上入射的使光刻膠全部發生反應的最小光能量或最小電荷量（對電子束膠），稱為光刻膠的靈敏度。靈敏度太低會影響生產效率，所以通常希望光刻膠有較高的靈敏度。但靈敏度太高會影響分辨率。通常負膠的靈敏度高于正膠。

（2）分辨率。光刻工藝中影響分辨率的因素有：光源、曝光方式和光刻膠本身（包括靈敏度、對比度、顆粒的大小、顯影時的溶脹、電子散射等）。通常正膠的分辨率要高于負膠。

（3）對比度。靈敏度表示光刻膠區分掩模上亮區和暗區的能力的大小，即對劑量變化的敏感程度。一般光刻膠的對比度在0.9—2.0之間。對于亞微米圖形，要求對比度大于1。

4.2 光刻膠的材料

光刻膠通常有三種成分：感光化合物、基體材料和溶劑。在感光化合物中有時還包括增感劑。樹脂在曝光過程中改變分子結構，感光化合物控制樹脂定相的化學反應速度，溶劑使得膠能在圓片上旋轉擦敷并形成薄膜。

4.3 正性光刻膠和負性光刻膠的比較

（1）光刻膠在曝光之后，被浸入顯影溶液中，在顯影過程中，正性光刻膠曝過光的區域溶解得要快得多。理想情況下，未曝光的區域保持不變；負性光刻膠正好相反，在顯影劑中未曝光的區域將溶解，正膠光刻后線條不變形。顯影液會使負膠膨脹，線條變寬。雖然烘烤后能收縮，但易變形。所以負膠不適合2.0微米以下工藝使用。

（2）正膠的針孔密度低，但對襯低的粘附差，通常用六甲基二硅胺（HMDS）作增粘處理。負膠對襯底粘附好，針孔密度較高。

（3）正膠耐化學腐蝕，是良好的掩蔽薄膜。

因此，正膠在IC制造中的應用更為普及。

5 光刻工藝的發展

隨著社會的進步，各種高新科學技術也在不斷的飛速發展中。為了最終能夠替代光學光刻的光刻技術，下一代光刻技術正在評估。主要有4種技術以供選擇：極紫外（EUV）光刻技術、電子束光刻技術（SCALPEL）、離子束光刻技術和X射線光刻技術。EUV光刻技術用約13nm的紫外光波長獲得分辨率為30nm的圖形；SCALPEL用已確立的電子束來實現光刻；離子束光刻技術使用離子束進行光刻膠曝光；X射線光刻技術用一個波長為0.1至10nm的X射線投影到一個特殊的掩模上對光刻膠形成圖案。

6 結論

本文分析了光刻工藝的主要步驟，研究了光刻膠的類型與特性，討論了光刻膠的靈敏度、分辨率和對比度，研究了正膠及負膠的光刻工藝，并比較了它們的異同。最后探討了光刻工藝的發展方向。

作者簡介：王愷（1983-），男，湖北武漢人，研究生，教師，講師，研究方向：電子信息。