集成电路光刻工艺研究

摘 要：光刻是利用特定工艺将掩膜板上的集成电路图形印制到硅片上的精密表面加工技术。在集成电路制造工艺中，光刻是最为重要的工艺之一。它决定着芯片的最小特征尺寸，占芯片制造时间的40-50%，并且占制造成本的30%。本文通过对光刻工艺的主要步骤的分析，研究了正胶及负胶的特性，探讨了未来光刻工艺发展的方向。

关键词：集成电路；光刻；工艺；光刻胶

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

1 绪论

1.1 集成电路

集成电路（Integrated Circuit，简称IC）是20世纪60年代初期发展起来的一种新型半导体器件。它是经过氧化、光刻、扩散、外延、蒸铝等半导体制造工艺，把构成具有一定功能的电路所需的半导体、电阻、电容等元件及它们之间的连接导线全部集成在一小块硅片上，然后焊接封装在一个管壳内的电子器件。使电子元件向着微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面迈进了一大步。

1.2 光刻

光刻是利用曝光和光刻胶的选择性化学腐蚀，在半导体晶体表面的掩模层刻制出图形的工艺。自从它在1959年被发明以来，就成为半导体工业最有用的工具。迄今为止，基本上所有的集成电路都是通过它制造的。它决定着芯片的最小特征尺寸，占芯片制造时间的40-50%，并且占制造成本的30%。

2 光刻的原理

光刻的原理与印相片相同，涂在硅片上的光刻胶相当于相纸，掩模相当于底片。光学光刻是由投影光学系统和掩模版相结合来产生光刻图形的。曝光方式普遍采用分布重复投影式曝光，即将一组图形重复上百次制作在一大片硅片上。

3 光刻工艺的基本流程

光刻工艺可分为涂胶、对准和曝光、显影三个基本流程。

3.1 涂胶

涂胶就是在圆片衬底上均匀的涂一层一定厚度的光刻胶，要求光刻胶粘附良好，均匀，薄厚适当。一般采用旋转涂敷的方式，将圆片放置在涂胶机的真空卡盘上，液态光刻胶滴在高速旋转的圆片中心，以离心力向外扩展，均匀涂覆在圆片表面。

不同的光刻胶要求不同的旋转涂胶条件，例如最初慢速旋转（例如500rpm），接下来跃变到最大转速3000rpm或者更高。一些光刻胶应用的重要质量指标是时间、速度、厚度、均匀性、颗粒沾污以及光刻胶缺陷，如针孔。

3.2 对准和曝光

掩膜版与涂了胶的硅片上的正确位置对准。硅片表面可以是裸露的硅，但通常在其表面有一层事先确定了的图形。将掩膜版和硅片曝光，把掩膜版图形转移到涂胶的硅片上。光能激活了光刻胶中的光敏成分。对准和曝光的重要质量指标是线宽分辨率、套刻精度、颗粒和缺陷。

3.3 显影

显影是在硅片表面光刻胶中产生图形的关键步骤。光刻胶上的可溶解区域被化学显影剂溶解，将可见的岛或者窗口图形留在硅片表面。最通常的显影方法是旋转、喷雾、浸润。

一旦光刻胶在硅片上形成图形，就要进行检查以确定光刻胶图形的质量。检查有两个目的：找出光刻胶有质量问题的硅片，描述光刻胶工艺性能以满足规范要求。如果确定胶有缺陷，通过去胶可以把它们除去，硅片也可以返工。

4 光刻胶

光刻胶也称为光致抗蚀剂（Photoresist，P. R.）。

凡是在能量束（光束、电子束、离子束等）的照射下，以降解反应为主的光刻胶称为正性光刻胶，交联反应为主的光刻胶称为负性光刻胶。

4.1 光刻胶的特性

（1）灵敏度。单位面积上入射的使光刻胶全部发生反应的最小光能量或最小电荷量（对电子束胶），称为光刻胶的灵敏度。灵敏度太低会影响生产效率，所以通常希望光刻胶有较高的灵敏度。但灵敏度太高会影响分辨率。通常负胶的灵敏度高于正胶。

（2）分辨率。光刻工艺中影响分辨率的因素有：光源、曝光方式和光刻胶本身（包括灵敏度、对比度、颗粒的大小、显影时的溶胀、电子散射等）。通常正胶的分辨率要高于负胶。

（3）对比度。灵敏度表示光刻胶区分掩模上亮区和暗区的能力的大小，即对剂量变化的敏感程度。一般光刻胶的对比度在0.9—2.0之间。对于亚微米图形，要求对比度大于1。

4.2 光刻胶的材料

光刻胶通常有三种成分：感光化合物、基体材料和溶剂。在感光化合物中有时还包括增感剂。树脂在曝光过程中改变分子结构，感光化合物控制树脂定相的化学反应速度，溶剂使得胶能在圆片上旋转擦敷并形成薄膜。

4.3 正性光刻胶和负性光刻胶的比较

（1）光刻胶在曝光之后，被浸入显影溶液中，在显影过程中，正性光刻胶曝过光的区域溶解得要快得多。理想情况下，未曝光的区域保持不变；负性光刻胶正好相反，在显影剂中未曝光的区域将溶解，正胶光刻后线条不变形。显影液会使负胶膨胀，线条变宽。虽然烘烤后能收缩，但易变形。所以负胶不适合2.0微米以下工艺使用。

（2）正胶的针孔密度低，但对衬低的粘附差，通常用六甲基二硅胺（HMDS）作增粘处理。负胶对衬底粘附好，针孔密度较高。

（3）正胶耐化学腐蚀，是良好的掩蔽薄膜。

因此，正胶在IC制造中的应用更为普及。

5 光刻工艺的发展

随着社会的进步，各种高新科学技术也在不断的飞速发展中。为了最终能够替代光学光刻的光刻技术，下一代光刻技术正在评估。主要有4种技术以供选择：极紫外（EUV）光刻技术、电子束光刻技术（SCALPEL）、离子束光刻技术和X射线光刻技术。EUV光刻技术用约13nm的紫外光波长获得分辨率为30nm的图形；SCALPEL用已确立的电子束来实现光刻；离子束光刻技术使用离子束进行光刻胶曝光；X射线光刻技术用一个波长为0.1至10nm的X射线投影到一个特殊的掩模上对光刻胶形成图案。

6 结论

本文分析了光刻工艺的主要步骤，研究了光刻胶的类型与特性，讨论了光刻胶的灵敏度、分辨率和对比度，研究了正胶及负胶的光刻工艺，并比较了它们的异同。最后探讨了光刻工艺的发展方向。

作者简介：王恺（1983-），男，湖北武汉人，研究生，教师，讲师，研究方向：电子信息。