光刻
光刻工艺（英语：photolithography 或 optical lithography，台湾称为微影制程）是半导体器件制造工艺中的一个重要步骤，该步骤利用曝光和显影在光阻层上刻画几何图形结构，然后通过刻蚀工艺将光掩模上的图形转移到所在衬底上。这里所说的衬底不仅包含硅晶圆，还可以是其他金属层、介质层，例如玻璃、SOS中的蓝宝石。[1]
“光刻”一词由古希腊语词根 φωτός（photos，光）、λίθος（lithos，石头）和 γράφειν（graphein，书写）组合而成，字面意为“用光在石上书写”。[2]该工艺在1950年代被引入半导体制造，随后成为集成电路产业的核心技术。
历史[编辑]
光刻技术的起源可追溯到1826年尼埃普斯发明的日光蚀刻法，这是最早的利用光在涂覆感光材料的表面上记录图像的技术。现代半导体光刻则始于1950年代：1952年，美国军方指派杰伊·莱思罗普和詹姆斯·纳尔在国家标准局开发晶体管的光学图形化方法；1958年，他们发表了第一篇描述利用照相工艺制造晶体管的研究论文，并首次将“photolithography”一词用于半导体领域。[3]
此后光刻技术经历了多次飞跃：1970年代投影式光刻机取代了接触式曝光；1980年代步进式光刻机（stepper）大幅提升了精度和产能；2000年代初浸没式光刻将193纳米光源的有效数值孔径提升至1.0以上，将工艺节点推向45纳米及以下；2010年代末极紫外光刻（EUV，13.5纳米波长）开始进入量产，成为7纳米及以下节点的关键技术。[1]
工艺过程[编辑]
光刻工艺以衬底的清洁和预处理开始。硅片首先经过脱水和清洗，然后涂覆一层增粘剂（如六甲基乙硅氮烷，HMDS），以提高光阻在衬底表面的附着能力。接着，通过旋转涂布（甩胶）将液态光阻均匀铺展在硅片表面：硅片被吸附在真空托盘上高速旋转，光阻在离心力作用下向边缘扩散，最终留下一层均匀的薄膜。涂布后的硅片经过前烘（软烘干），使溶剂挥发、释放薄膜应力。
前烘之后，硅片进入曝光步骤。光线穿过光掩模照射在光阻上，正光阻的感光区域、负光阻的非感光区域发生光化学反应，在后续的显影液中可被选择性溶解。显影完成后，图形便呈现在光阻层上。随后进行后烘（硬烘干），在较高温度下使光阻硬化，提高其抗刻蚀能力。硬烘之后，未被光阻覆盖的区域通过刻蚀或离子注入工艺实现图形转移。最后，将不再需要的光阻去除（去胶），完成单次光刻循环。[4]
在集成电路生产中，一个完整的芯片制造流程往往需要重复多达50次光刻循环，复杂程度越高、使用的光刻次数越多。[1]
光阻[编辑]
光刻制程中采用的感光物质被称为光阻或光刻胶，主要分为正光阻和负光阻两种。正光阻未被光照的部分在显影后会被保留，而负光阻胶被感光的部分在显影后会被保留。光阻不仅需要对指定的光照敏感，还需要在之后的金属刻蚀等过程中保持性质稳定。不同的光阻一般具有不同的感光性质，有些对所有紫外线光谱感光，有些只对特定的光谱感光，也有些对X射线或者对电子束感光。光阻需要保存在特殊的遮光器皿中。
曝光系统[编辑]
超大规模集成电路（VLSI）曝光使用投影系统。光刻机可以应用于集成电路产业链中晶圆制造、封装测试，以及平板显示、高亮度LED等领域。
现代光刻机主要分为接触式/接近式（光掩模与硅片直接贴近）和投影式（通过透镜系统将掩模图案缩小投影到硅片上）。投影式光刻机又分为扫描投影机和步进式光刻机（stepper）。步进式光刻机逐场曝光整个硅片，每个曝光场的尺寸约26×33毫米。浸没式步进机在投影透镜与硅片之间填充高折射率液体（通常为纯水），从而将有效数值孔径提升至1.35以上，实现更小的特征尺寸。[1]
光源[编辑]
光刻技术使用的光源波长经历了多次缩短。早期工艺使用汞灯产生的G线（436纳米）和I线（365纳米）。1990年代，氟化氪（KrF）准分子激光（248纳米）成为主流。2000年代初，氟化氩（ArF）准分子激光（193纳米）推动了130纳米及以下节点的量产。2010年代末，极紫外（EUV）光源（13.5纳米）正式进入量产，成为7纳米及以下节点的核心技术。每次波长缩短都大幅提升了分辨率，但同时也带来了光源功率、透镜材料和光阻配方等方面的巨大挑战。[1]
分辨率提升技术[编辑]
光刻分辨率受瑞利判据制约，大致与波长成正比、与透镜数值孔径成反比。在波长和透镜被推向物理极限之后，业界开发了一系列分辨率增强技术：
- 浸没式光刻：在投影透镜与硅片之间填充高折射率液体，将有效数值孔径提升至1.35以上，使193纳米光源可用于45纳米及以下的节点。
- 多重曝光技术：将密集图案拆分为两至三个掩模，分次曝光后在硅片上组合（如LELE，即光刻-刻蚀-光刻-刻蚀）。自对准双重成像（SADP）进一步利用间隔物实现更密集的间距。
- 计算光刻：利用光学邻近效应修正（OPC）和光源-掩模协同优化（SMO），在掩模设计层面预先补偿衍射和散射造成的影响。[1]
参考资料[编辑]
- ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Levinson, Harry J. Principles of Lithography. SPIE Press. 2005. ISBN 9780819456601 （English）.
- ^ Lithography （English）.
- ^ Lathrop, Jay W. The Diamond Ordnance Fuze Laboratory's Photolithographic Process. Makers of the Microchip: A Documentary History of Fairchild Semiconductor. The MIT Press. 2013 （English）.
- ^ Jaeger, Richard C. Introduction to Microelectronic Fabrication 2nd. Prentice Hall. 2002. ISBN 978-0-201-44494-0 （English）.
