半导体光刻的工艺过程（1）

半导体光刻（光刻） - 基本过程

集成电路(IC)的制造需要在半导体(例如，硅)衬底上执行的各种物理和化学过程。通常，用于制造 IC 的各种工艺分为三类：薄膜沉积、图案化和半导体掺杂。导体（例如多晶硅、铝和最近的铜）和绝缘体（各种形式的二氧化硅、氮化硅等）的薄膜用于连接和隔离晶体管及其组件。硅的各个区域的选择性掺杂允许硅的导电性随着电压的施加而改变。通过创建这些不同组件的结构，可以构建数百万个晶体管并将其连接在一起以形成现代微电子设备的复杂电路。

lithography 这个词来自希腊语lithos，意思是石头，以及graphia，意思是书写。字面意思是写在石头上。在半导体光刻（也称为光刻）的情况下，我们的石头是硅晶片，我们的图案是用一种称为光刻胶的光敏聚合物写成的。为了构建构成晶体管的复杂结构和连接电路中数百万个晶体管的多条导线，光刻和蚀刻图案转移步骤至少要重复 10 次，但更常见的是要制作 20 到 30 次才能制作一个电路. 印刷在晶片上的每个图案都与先前形成的图案对齐，然后慢慢地构建导体、绝缘体和选择性掺杂区域以形成最终器件。

可以通过两种方式理解光刻的重要性。首先，由于 IC 制造需要大量光刻步骤，光刻通常占制造成本的 30% 左右。其次，光刻往往成为进一步缩小特征尺寸、从而降低晶体管速度和硅面积的技术限制。显然，在开发光刻工艺时，必须仔细理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，光刻技术的进步已经限制了 IC 成本和性能的进步。

光学平版印刷术基本上是一种照相工艺，通过该工艺，一种称为光刻胶的光敏聚合物被曝光和显影，以在基材上形成三维浮雕图像。通常，理想的光刻胶图像在基板平面上具有设计或预期图案的精确形状，并且具有贯穿抗蚀剂厚度的垂直壁。因此，最终的抗蚀剂图案是二元的：基板的一部分被抗蚀剂覆盖，而其他部分则完全未被覆盖。图案转移需要这种二元图案，因为覆盖有抗蚀剂的基板部分将受到保护，免受蚀刻、离子注入或其他图案转移机制的影响。

典型光刻工艺的处理步骤的一般顺序如下：衬底制备、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终操作，在抗蚀剂图案已转移到下层之后。这个序列如图 1-1 所示，通常是在几个连接在一起的工具上执行的，这些工具被称为光刻集群。下面简要讨论每个步骤，指出光刻胶处理中涉及的一些实际问题。有关这些主题的更多信息将在后续章节中详细讨论。

基材制备旨在提高光刻胶材料对基材的附着力。这是通过以下一种或多种工艺完成的：基材清洁以去除污染物，脱水烘烤以去除水分，以及添加粘合促进剂。基材污染可以采用微粒或薄膜的形式，可以是有机的或无机的。微粒会导致最终抗蚀剂图案出现缺陷，而薄膜污染会导致附着力差和随后的线宽控制损失。微粒通常来自空气中的微粒或受污染的液体（例如，脏的助粘剂）。控制微粒污染的最有效方法是消除它们的来源。由于这并不总是可行的，因此使用化学/机械清洁来去除颗粒。有机薄膜，例如油或聚合物，可能来自真空泵和其他机械、人体油脂和汗水，以及先前加工步骤留下的各种聚合物沉积物。这些薄膜通常可以通过化学、臭氧或等离子体剥离来去除。类似地，无机薄膜，如天然氧化物和盐，可以通过化学或等离子剥离去除。一种类型的污染物——吸附水——最容易通过高温过程去除，称为脱水烘烤。

脱水烘烤，顾名思义，是通过在 200°C 至 400°C 的温度下烘烤（通常持续 30 至 60 分钟）来去除基材表面的水分。然后让基材冷却（优选在干燥环境中）并尽快涂覆。需要注意的是，如果将水置于潮湿（非干燥）环境中，水会重新吸附在基材表面上。脱水烘烤还可有效挥发有机污染物，进一步清洁基材。通常，处理步骤的正常顺序包括紧接在用光刻胶涂覆之前的某种类型的高温工艺，例如热氧化。如果在高温步骤后立即涂覆基材，则可以消除脱水烘烤。然而，典型的脱水烘烤，不能完全去除二氧化硅基材（包括硅、多晶硅、氧化硅和氮化硅）表面的水分。表面硅原子与形成硅烷醇基团 (SiOH) 的单层水紧密结合。需要超过 600°C 的烘烤温度才能去除这最后一层水 [1.1]。此外，当基材在非干燥环境中冷却时，硅烷醇会迅速重新形成。由于这种方法不切实际，因此去除这种硅烷醇的优选方法是通过化学方法。当基材在非干燥环境中冷却时，硅烷醇会迅速重新形成。由于这种方法不切实际，因此去除这种硅烷醇的优选方法是通过化学方法。当基材在非干燥环境中冷却时，硅烷醇会迅速重新形成。由于这种方法不切实际，因此去除这种硅烷醇的优选方法是通过化学方法。
 

审核编辑：汤梓红