光刻技术
浏览次数：1863次  最近更新：2019-06-13 17:13:45

  光刻技术是现代半导体、微电子、信息产业的基础，光刻技术直接决定了这些技术的发展水平。

  概念：集成电路制造中利用光学- 化学反应原理和化学、物理刻蚀方法，将电路图形传递到单晶表面或介质层上，形成有效图形窗口或功能图形的工艺技术。

  原理：首先紫外光通过掩膜版照射到附有一层光刻胶薄膜的基片表面，引起曝光区域的光刻胶发生化学反应；再通过显影技术溶解去除曝光区域或未曝光区域的光刻胶（前者称正性光刻胶，后者称负性光刻胶），使掩膜版上的图形被复制到光刻胶薄膜上；最后利用刻蚀技术将图形转移到基片上。

  光刻工艺的流程介绍：

    （1）涂胶：即在硅片上形成厚度均匀、附着性强、没有缺陷的光刻胶薄膜。为了增强光刻胶薄膜与硅片之间的附着力，往往需要先用六甲基二硅氮烷（HMDS）、三甲基硅烷基二乙胺（TMSDEA）等物质对硅片进行表面改性。随后以旋涂的方式制备光刻胶薄膜。

    （2）前烘：经过旋涂后的光刻胶薄膜依旧残留有一定含量的溶剂。经过较高温度的烘烤，可以将溶剂尽可能低挥发除去，前烘之后，光刻胶的含量降低到5%左右。

    （3）曝光：即对光刻胶进行光照，此时光反应发生，光照部分与非光照部分因此产生溶解性的差异。

    （4）显影&坚膜：即将产品浸没于显影液之中，此时正性胶的曝光区和负性胶的非曝光区则会在显影中溶解。以此呈现出三维的图形。经过显影后的晶片，需要一个高温处理过程，成为坚膜，主要作用为进一步增强光刻胶对衬底的附着力。

    （5）刻蚀：受到刻蚀的是光刻胶下方的材料。包括液态的湿法刻蚀和气态的干法刻蚀。比如对于硅的湿法刻蚀，使用的为氢氟酸的酸性水溶液；对于铜的湿法刻蚀，使用的为硝酸、硫酸等强酸溶液，而干法刻蚀往往使用等离子体或者高能离子束，使材料表面产生损伤而得到刻蚀。

    （6）去胶：最后需要将光刻胶从镜片表面除去，这一步骤称为去胶。

不同的光刻技术：

  1、沉浸式光刻

    在传统的光刻技术中，其镜头与光刻胶之间的介质是空气，而所谓浸入式技术是将空气介质换成液体。实际上，浸入式技术利用光通过液体介质后光源波长缩短来提高分辨率，其缩短的倍率即为液体介质的折射率。

    沉浸式光刻技术也称为浸入式光刻技术。一般特指193nm浸入式光刻技术。

    在浸入式光刻技术之前，继436nm、365nm、248nm之后，采用的是193nm干式光刻技术，但在65 纳米技术节点上遇到了困难，试验了很多技术（如157nm干式光刻技术等）但都无法很好的突破这一难题。等到2002年底浸入式技术迅速成为光刻技术中的新宠，而此前业界并没有认为浸入式技术有如此大的功效。此技术在原来的193nm干式光刻技术平台之上，因为此种技术的原理清晰及配合现有的光刻技术变动不大，获得了人们的极大赞赏。2004年12月IBM和台积电分别宣布采用193 nm浸入式光刻技术制造出全功能的芯片。

    虽然浸入式光刻已受到很大的关注，但仍面临巨大挑战。根据2005版《国际半导体技术蓝图》的光刻内容，浸入式光刻的挑战在于：

    控制由于浸入环境引起的缺陷，包括气泡和污染；抗蚀剂与流体或面漆的相容性，以及面漆的发展；抗蚀剂的折射指数大于1.8；折射指数大于1.65的流体满足粘度、吸收和流体循环要求；折射指数大于1.65的透镜材料满足透镜设计的吸收和双折射要求。

2、极紫外光刻（EUV）

   极紫外光刻（Extreme Ultraviolet Lithography），常称作EUV光刻，它以波长为10-14纳米的极紫外光作为光源的光刻技术。具体为采用波长为13.4nm 的软x 射线。

   EUV光刻采用波长为10-14纳米的极紫外光作为光源，可使曝光波长一下子降到13.5nm,它能够把光刻技术扩展到32nm以下的特征尺寸。

   光刻技术是现代集成电路设计上一个最大的瓶颈。现cpu使用的45nm、32nm工艺都是由193nm液浸式光刻系统来实现的，但是因受到波长的影响还在这个技术上有所突破是十分困难的，但是如采用 EUV光刻技术就会很好的解决此问题，很可能会使该领域带来一次飞跃。

   但是涉及到生产成本问题，由于193纳米光刻是目前能力最强且最成熟的技术，能够满足精确度和成本要求，所以其工艺的延伸性非常强，很难被取代。因而在2011年国际固态电路会议 (ISSCC2011)上也提到，在光刻技术方面，22/20nm节点主要几家芯片厂商也将继续使用基于193nm液浸式光刻系统的双重成像（double patterning）技术。

3、定向自组装（Directedself-assembly, DSA）光刻

    定向自组装光刻（Directed Self-Assembly ，DSA）是诱导光刻材料在硅片上自发形成有序结构的一种技术。采用的是化学性质不同的两种单体聚合而成的嵌段共聚物作为原材料，在热退火下分相形成纳米尺度的图形，再通过一定的方法将图形诱导成为规则化的纳米线或纳米孔阵列，从而形成刻蚀模板进行纳米结构的制造。

    自组装（self-assembly），是指基本结构单元(分子，纳米材料，微米或更大尺度的物质）自发形成有序结构的一种技术。在自组装的过程中，基本结构单元在基于非共价键的相互作用下自发的组织或聚集为一个稳定、具有一定规则几何外观的结构。自组装具有4个特征：

   1) 由个体集合形成整体组织或系统的过程是自发的、自动的；

   2) 个体之间的结合是非共价键力的结合；

   3) 组成整体组织或系统的个体必须能够自由运动或迁移；

   4) 自组装形成的整体组织或系统是个体相互作用的热力学平衡或能量平衡的结果；

   与其他一些技术相比，DSA因为无需光源和掩膜版，具有低成本、高分辨率、高产率的优势，正逐渐得到人们的广泛关注，包括Intel、IBM、IMEC在内的众多国际公司与研究机构已对此项技术开展了相应的研究。