原创 微光刻的基础知识

半导体光刻（光刻）- 基本工艺

光刻的重要性可以通过两种方式来理解。首先，由于 IC 制造需要大量的光刻步骤，光刻通常占制造成本的30%左右。其次，光刻往往是进一步缩小特征尺寸并进而限制晶体管速度和硅面积的技术限制因素。显然，在开发光刻工艺时，必须仔细了解成本和能力之间的权衡。尽管光刻肯定不是IC制造流程中唯一具有技术重要性和挑战性的工艺，但从历史上看，光刻技术的进步推动了IC成本和性能的进步。

典型光刻工艺的一般工艺步骤顺序如下：基板准备、光刻胶旋涂、预烘烤、曝光、曝光后烘烤、显影和后烘烤。抗蚀剂剥离是光刻工艺中的最后一道工序，在抗蚀剂图案转移到下层之后。图1以图解方式显示了该序列，通常在多个工具上执行，这些工具链接在一起形成一个称为光刻集群的连续单元。

图1。典型的光刻处理步骤序列示例（在这种情况下没有曝光后烘烤），以正性抗蚀剂为例。

1.基板准备

基板制备旨在提高光致抗蚀剂材料对基板的粘附性。这是通过以下一个或多个过程完成的：基板清洁以去除污染物、脱水烘烤以去除水和添加粘合促进剂。基材污染可以采取微粒或薄膜的形式，可以是有机的也可以是无机的。

2.光刻胶涂层

通过看似简单的旋涂工艺，可以在特定的、控制良好的厚度上薄而均匀地涂上一层光刻胶。通过将固体成分溶解在溶剂中而变成液体形式的光致抗蚀剂被倒在晶片上，然后在转盘上高速旋转以产生所需的薄膜。对厚度控制和均匀性以及低缺陷密度的严格要求要求特别注意这一过程，其中大量参数会对光刻胶厚度均匀性和控制产生重大影响。

在这个周期结束时，一层厚的、富含溶剂的光致抗蚀剂薄膜覆盖在晶圆上，准备好进行后应用烘烤。温度和湿度控制以及旋转器的清洁度通常对抗蚀剂膜有显着影响。（江苏英思特半导体科技有限公司）

 3. 应用后烘焙

涂布后，生成的抗蚀剂薄膜将包含20–40%重量的溶剂。应用后烘烤工艺，也称为软烘烤或预烘烤，包括通过去除多余的溶剂来干燥旋涂后的光致抗蚀剂。减少溶剂含量的主要原因是为了稳定抗蚀膜。在室温下，未烘烤的光刻胶薄膜会因蒸发而失去溶剂，从而随时间改变薄膜的特性。通过烘烤抗蚀剂，大部分溶剂被去除，薄膜在室温下变得稳定。从光刻胶薄膜中去除溶剂有四个主要影响：(1) 薄膜厚度减少，(2) 曝光后烘烤和显影特性发生变化，(3)附着力提高，以及 (4) 薄膜粘性降低从而不易受到颗粒污染。

4. 对齐和曝光

光刻胶操作背后的基本原理是在曝光（或其他类型的曝光辐射）时抗蚀剂在显影剂中的溶解度的变化。在标准重氮萘醌正性光刻胶的情况下，不溶于水基显影剂的光活性化合物在暴露于350 - 450nm范围内的紫外线时会转化为羧酸。羧酸产物非常易溶于碱性显影剂。因此，入射到光致抗蚀剂上的光能的空间变化将引起抗蚀剂在显影剂中的溶解度的空间变化。接触式和接近式光刻是通过称为光掩模的主图案曝光光刻胶的最简单方法。接触光刻提供高分辨率，但掩模损坏和由此产生的低产量等实际问题使该工艺无法在大多数生产环境中使用。（江苏英思特半导体科技有限公司）

5.曝光后烘烤

一种减少驻波效应的方法称为曝光后烘烤 (PEB)。尽管对该机制仍有一些争论，但据信所用的高温 (100°C –130°C) 会导致光活性化合物扩散，从而平滑驻波脊（图3）。重要的是要注意，关于预烘烤所讨论的高温对光刻胶的不利影响也适用于PEB。因此，优化烘烤条件变得非常重要。还观察到PAC的扩散速率取决于预烘条件。据认为，溶剂的存在增强了PEB期间的扩散。因此，对于给定的PEB温度，低温预烘会导致更大的扩散。

对于传统抗蚀剂，PEB的主要重要性是通过扩散去除驻波。对于另一类称为化学放大抗蚀剂的光刻胶，PEB是化学反应的重要组成部分，化学反应会在抗蚀剂的曝光部分和未曝光部分之间产生溶解度差异。对于这些抗蚀剂，曝光会产生少量本身不会改变抗蚀剂溶解度的强酸。在曝光后烘烤过程中，这种光生酸会催化一种反应，从而改变聚合物树脂在抗蚀剂中的溶解度。

图3。曝光后烘烤期间的扩散通常用于减少驻波。

6.发展

一旦曝光，就必须显影光刻胶。最常用的光刻胶使用水性碱作为显影剂。特别是四甲基氢氧化铵 (TMAH) 的使用浓度为0.2 - 0.26 N。显影无疑是光刻胶工艺中最关键的步骤之一。抗蚀剂-显影剂相互作用的特性在很大程度上决定了光刻胶轮廓的形状，更重要的是，决定了线宽控制。（江苏英思特半导体科技有限公司）

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