半导体工艺|在晶圆上绘制电路的光刻工艺

半导体工艺与设备 2023-04-30 07:00

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人们经常将 Photo Lithography （光刻）缩写成Photo。得此名称的原因是，这个工艺在晶圆上利用光线来照射带有电路图形的掩模版，从而绘制电路。形成图形的方法类似于在洗印黑白照片时，将在胶片上形成的图像印在相纸上。

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光刻工艺

光刻步骤类似于图案绘制的过程。而半导体的生产制造，可以理解为是重复的堆叠和切割。利用光刻工艺，在想要切割的位置绘制图案。

△光刻工艺基本步骤

光刻工艺的第一步就是涂覆光刻胶（Photo Resist，PR），当光穿过掩膜照射时，在受光和未受光区域之间，光刻胶会出现性质差异。利用这种差异，在光刻胶的受光或未受光区域中，可根据情况保留和移除所需区域，这个过程就是显影（Develop）。换言之，显影的区域便是掩模版的图案区域。将掩模版的图案（Pattern）显影在想要切割的物质上的过程，被称为成像（Patterning）。

光刻胶

光刻胶又称光致抗蚀剂，是指通过紫外光、电子束、离子束、X射线等的照射或辐射，其溶解度发生变化的耐蚀剂刻薄膜材料。为了获得更高质量的微电路图形，光刻胶膜必须薄且均匀，且对光要具有高度敏感性。

光刻胶经曝光后，其化学性质会发生改变。更准确地说，经曝光后，光刻胶在显影液中的溶解度发生了变化：曝光后溶解度上升的物质称作正性（Positive）光刻胶，反之则为负性（Negative）光刻胶。

半导体制造商一般会根据工艺的目的选择合适的光刻胶。例如，负胶经曝光而固化的部分，在显影过程中，因吸收部分显影液而容易膨胀、变形，不适合绘制精细图形。因此，绘制精细图形通常采用正胶。但负胶却具有成本低以及在刻蚀（Etching）工艺中抗刻蚀能力更强的的优点。

掩模版（光罩）

掩模版是用于LSI等集成电路制造工序的重要器件。在透明玻璃板表面的遮光膜上蚀刻加工了非常微细的电路图案，成为对硅晶圆复刻电路时的母版。

△光罩（Photo Mask）

将想要绘制的图案制成薄板（也被称为掩膜（Mask）或光罩（Reticle）），使用薄板让光被阻隔或者透射过去，照射在需要的位置，即可将掩模版的图案转印到晶圆上，从而显影出图案。

半导体制造需要多个掩模版。使用掩模版曝光后，在随后的刻蚀、沉积和氧化工艺中再经多种处理，然后再重复上述过程，堆叠半导体的下一层。可见，所谓“设计”，其实就是为赋予芯片一定功能，不断制作用于绘制半导体各层的掩模版的过程。

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通过光线在晶圆上绘制电路的曝光

通过涂胶工序，形成光刻胶膜，使晶圆成为类似于相纸的状态后，使用曝光设备（步进式光刻机，Steper）使光穿过包含电路图形的掩模版，将电路印在晶圆上。这个过程叫做“曝光”（Steper Exposure）。半导体工艺中的曝光是指选择性地照射光的工序。

曝光与氧化工艺不同，无法同时处理数十个晶圆，即无法打造可以一次处理直径为300mm的晶圆的均匀光源，光刻机每次只能曝光1~4个芯片。仅投入到曝光工艺的资金就是氧化工艺的12倍。

形成电路图形的显影工序

光刻工艺的最后一个阶段是显影（Develop）。光刻胶曝光后，曝光区光刻胶的化学性质会发生改变，这些变质的光刻胶要用显影液溶解后去除，从而形成电路图形，这一工艺被称作显影。在正性光刻胶的情况下，留下未曝光的区域，而在负性光刻胶的情况下，仅使用曝光的区域。在进入显影工艺前，要进行曝光后烘烤（Post Exposure Bake，PEB），以进一步促进曝光区光刻胶的性质变化。

显影过程结束后，光刻工艺就完成了。在用各种测量设备和光学显微镜仔细检查图形是否绘制好之后，只有完成这些工序的晶圆才能进入下一个工程阶段。

随着半导体集成度的提高，晶体管的尺寸越来越小，构成芯片的单元元件也要使用微工艺做得更小。由于微电路图形的实现全由光刻工艺决定，因此集成度越高，光刻工艺中需要绘制的线条宽度也越来越窄，密度越来越大，这也就意味着光刻工艺的难度变得越来越大，就越需要更精细和更高级的技术。

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