图形化光刻工艺的应用与优化

本章主要叙述光刻工艺（见图4-1），掩膜版技术（见图4-2），光刻胶和光刻技术（见图4-3）。

图4-1　光刻工艺

图4-2　掩膜版

光刻工艺（photolithography）是集成电路技术中使用最频繁和最关键的技术之一，光刻工艺成本也占据了半导体工艺生产线70%左右的支出。随着芯片集成度的不断提高，晶体管的器件特征尺寸也随之缩小。而光刻技术作为集成电路制造环节中的关键模块，决定着制造工艺的先进程度。

图4-3　光刻胶和光刻技术

掩膜板光刻工艺（lithography）是把集成电路设计的图形从掩模板上通过光刻胶转移到硅基板上的过程。其转移过程必须遵循精确（关键尺寸大小忠于设计或工艺需求）与无偏差（和下层图形之间无偏差）的两大原则。随着集成电路由微米级向纳米级的发展，光刻技术的研究也在不断提速前进。(www.xing528.com)

集成电路芯片制造使用的光刻工艺有点类似于传统的照相过程，包含了图形化、曝光和显影三个过程（见图4-4）。

图4-4　光刻工艺

（a）光刻过程：在薄膜淀积之后，在表面涂一层光刻胶（PR），然后光线（light）透过光刻版（mask）对硅片进行曝光（light exposure）、显影（developing）、烘干，之后进行刻蚀（etching），除去光刻胶之后，就在薄膜上得到了所需要的图案（b）光刻胶（PR，Photoresist）的三维形态，主要的参数有厚度（thickness）、间距（gap）、线条宽度（width）

首先是图形化，即要制作带有图形的可复制的掩膜版。其次是曝光，即利用高精度光学系统透过掩膜版对衬底表面的光刻胶进行选择性曝光，从而将掩膜版上的图形转移到衬底表面的光刻胶上。掩膜版的基底多为高纯度的石英玻璃，构成掩膜的材料多为铬。曝光方式有接触式、接近式和投影式等几种，而投影式曝光是目前最常用的方式。其三是显影，就是把曝过光后的光刻胶用显影液腐蚀掉，在对曝光后的硅片进行显影处理之后，光刻板上的图形就“复印”到了硅片上。之后，对带有显影图形的硅片进行相应的工艺操作，比如进行湿法或干法刻蚀、离子注入等工艺。最后将残留在硅片上的光刻胶除去并进行硅片清洗，然后进入到下一步工序。

在光刻技术的研究和开发中，表征光刻水平或集成电路更新换代的指数就是光刻特征尺寸。我们常说的90 nm制程、45 nm制程指的就是这个特征尺寸。特征尺寸通常是指集成电路中半导体器件的最小尺度。如MOS晶体管的栅极线宽，或第一层金属连线的最小线宽。30年来，集成电路的工程师们一直致力于减小这个特征尺度。特征尺寸是衡量集成电路制造和设计水平的重要尺度，代表了光刻工艺可以曝光显影的最小线宽。这个线宽越小，可以制作的器件就越小，集成度就越高，集成功能就越强大，芯片的成本就越低（见图4-5）。早在20世纪80年代，计算机进入千家万户还是一个很贵的“梦”，但是到了2010年以后，全世界很多家庭都可以拥有自己的电脑，这个价格的巨变很大程度上归功于集成电路集成度的巨大提高（从2→0.045μm）带来的巨大的成本降低。

图4-5　集成电路特征尺寸（feature size）近30年的发展及光刻波长（lithograph wavelength）与特征尺寸的相关性

光刻工艺有三个主要部分：光学系统，掩膜版技术及光刻胶。以下对这三个主要部分的内容予以详细介绍。