光刻技术 微电子制造与工程技术课程设计

光刻技术

摘要:介绍了光刻技术的基本原理光刻步骤以及操作和其在光刻方面的应用研究的最新进展。在光的作用下，在二氧化硅或金属薄膜上面刻蚀出与掩膜版完全对应的几何图形，从而实现选择性扩散和金属薄膜布线的目的。光刻是加工集成电路微图形结构的关键工艺技术，通常，光刻次数越多，就意味着工艺越复杂。另-方面，光刻所能加工的线条越细，意味着工艺线水平越高。光刻工艺是完成在整个硅片上进行开窗的工作。

关键词: 光刻; 集成电路;

光刻技术的基本原理：

光刻是一种复印图象与化学腐蚀相结合的综合性技术，它先采用照像复印的方法，将光刻掩模板上的图形精确地复制在涂有光致抗蚀剂的SiO2 层或金属蒸发层上，在适当波长光的照射下，光致抗证剂发生变化，从而提高了强度，不溶于某些有机溶剂中，未受光照射的部分光致抗蚀剂不发生变化，很容易被某些有机溶剂溶解。然后利用光致抗蚀剂的保护作用，对SiO2 层或金属蒸发层进行选择性化学腐蚀，从而在SiO2 层或金属层上得到与光刻掩模板相对应的图形。

（一）光刻胶的特性：

1．性能：光致抗蚀剂是一种对光敏感的高分子化合物。当它受适当波长的光照射后就能吸收一定波长的光能量，使其发生交联、聚合或分解等光化学反应。由原来的线状结构变成三维的网状结构，从而提高了抗蚀能力，不再溶于有机溶剂，也不再受一般腐蚀剂的腐蚀．

2．组成：以KPR 光刻胶为例：

感光剂－－聚乙烯醇肉桂酸酯。

溶剂－－环己酮。

增感剂－－5 ·硝基苊。

3．配制过程：

将一定重量的感光剂溶解于环己酮里搅拌均匀，然后加入一定量的硝基苊,再继续揖拌均匀，静置于暗室中待用。

感光剂聚乙烯醇肉桂酸酯的感光波长为3800A

以内，加入5 ·硝基苊后感光波长范围发生了变化从2600—4700 A 。

（二）光刻设备及工具：

1．曝光机－－光刻专用设备。

2．操作箱甩胶盘－－涂复光刻胶。

3．烘箱――烤硅片。

4．超级恒温水浴锅－－腐蚀SiO2 片恒温用。

5．检查显为镜――检查SiO2 片质量。

6．镊子――夹持SiO2 片。

7．定时钟――定时。

8．培养皿及铝盒――装Si 片用。

9．温度计――测量温度。

光刻步骤以及操作：

1. 涂胶：利用旋转法在SiO2 片和金属蒸发层上，涂上一层粘附性好、厚度适当、均匀的光刻胶。

将清洁的SiO2 片或金属蒸发片整齐的排列在甩胶盘的边缘上，然后用滴管滴上

数滴光刻胶于片子上，利用转动时产生的离心力，将片子上多余的胶液甩掉，在光刻胶表面粘附能力和离心力的共同作用下形成厚度均匀的胶膜。涂胶时间约为1 分钟。

要求：厚度适当（观看胶膜条纹估计厚薄），胶膜层均匀，粘附良好，表面无颗粒无划痕。

2. 前烘：将硅片放入铅盒中，然后在红外灯下烘焙，促使胶膜内溶剂充分地挥发掉，使胶膜干燥，增加胶膜与SiO2 或金属膜之间的粘附性和提高胶膜的耐磨性，不沾污掩模板，只有干燥的光刻胶才能充分进行光化学反应。

（1）前烘时间：约15′

（2）前烘温度：T＝80℃

3．曝光：接触式曝光法，在专用的光刻机上，它包括“定位”和“曝光”两部分。

预热紫外光灯（高压水银灯）使光源稳定—将光刻掩模板安装在支架上，使有图形的玻璃面向下—把涂有光刻胶的Si 片放在可微调的工作台上胶面朝上—在显微镜下仔细调节微动装置，使掩模板上的图形与硅片相应的位置准确套合—顶紧Si 片和掩模板—复查是否对准—曝光－－取下片子。

（1）曝光时间的选择：

a．光源强弱；b．光源与Si 片距离远近；c．光刻胶性能；d．光刻图形尺寸大小。一般情况下，先试曝光一片，显影后检查一下表面，看其图形是否清晰。

a，曝光不足：光刻胶反应不充分，显影时部分胶膜被溶解，显微镜下观察胶膜发黑。

b．曝光时间过长：使不感光部分的边缘微弱感光，产生“晕光”现象，边界模糊，出现皱纹。

曝光时间：约8 ″一25 ″

4．显影：将未感光部分的光刻胶溶除，以获得腐蚀时所需要的、有抗蚀剂保护的图形。

（1）将曝光后的片子依次放入两杯丁酮液中－－取出放入丙酮液中漂洗。

t：1～2 ′（大概）

（2）显影后的图形必须认真检查，保证光刻质量。

a．图形是否套刻准确；b．图形边缘是否整齐；c．是否有皱胶或胶膜发黑；

d．有无浮胶；e．Si 片表面胶膜有无划伤。

5，坚膜：显影时胶膜发生软化、膨胀，显影后必须进行坚固胶膜的工作，坚固后可以使胶膜与SiO2 层或金属蒸发层之间粘贴的更牢，以增强胶膜本身的抗蚀能力。

红外灯烘箱内烘栲30′左右，T＝180℃

6．腐蚀：选用适当的腐蚀液，将无光刻胶复盖的氧化层或金属蒸发层腐蚀掉，而有光刻胶复盖的区域保存下来。

（1）腐蚀液的配方与配制：

a．配方：选用氢氟酸缓冲剂：

氢氟酸﹕氟化铵﹕去离子水＝3 （ml）﹕6 （g）﹕lO （ml）氢氟艘－－腐蚀剂；氟化铵－－缓冲剂；去离子水—溶剂。

b．配制：先称出氟化铵的重量，溶于去离子水中，搅拌使其混合均匀。

（2）SiO2层的腐蚀时间和温度选择：

a．腐蚀温度：T＝30—40℃

b．腐蚀时间；约为30 ″—10′

讨论：

1．腐蚀时间的确定：首先观看SiO2层颜色，根据辨色法初步判断SiO2层的厚度；然后放入腐蚀液中腐蚀，SiO2 层在HF 酸缓冲液中的腐蚀速度是1000A/分,利用初步估计的SiO2 层厚度与腐蚀速度之比确定腐蚀时间。

此方法误差较大,因为SiO2 层的颜色随其厚度的增加而呈周期性的变化，对应同一颜色可能有几种厚度。

2 腐蚀时间的长短是根据：a．腐蚀速度；腐蚀速度与氧化层生长的方法有关，依干氧法、湿氧法、低温沉积法、磷扩散等不同而定；b．腐蚀液浓度；c．腐蚀液温度。

腐蚀后的SiO2 层要求：

（1）边缘整齐；（2）图形完整干净；（3）图形无畸变；（4）无钻蚀、浮胶、针孔等弊病。

7．去胶：去除复盖在硅片表面的保护胶膜，一般使用化学试剂使其胶膜碳化脱落。用浓硫酸煮两遍使胶膜碳化脱落—冷却－－用去离子水冲洗净。最后检查光刻质量。

光刻技术：

在过去的30多年里，以集成电路为核心的微电子技术迅速发展，高密度，高速度和超高频器件不断出现，醋及了计算机，网络技术，移动通信技术，多媒体传播等为技术代表的信息技术的发展，尤其是最近十年。

在的发展前途就是与光学光刻的混合匹配曝光技术，即电路的大部分工艺有光学光刻完成，超精细图形由电子束光刻完成，结合两者的优势，弥补不足，正由于这些特性，目前电子束光刻一般用于制作高精度掩模。

离子束光刻（IPL）

离子束曝光技术的研究起源于20世纪70年代，自从80年代液态金属离子源出现之后，粒子束曝光技术才真正得以发展，由于离子质量比电子大，所以散射少得多，因此不易产生类似电子束光刻的那种场效应，而且具有比电子束光刻更高的分辨率。粒子束光刻还处在研究阶段，需要解决抗蚀剂的曝光的深度，掩模制作，高能离子束源及离子束的聚焦问题。

X射线光刻

X射线光刻早在20世纪70年代初期就已经出现，由于波长很短，所以可获得极高的分辨率。X射线光刻的焦深容易控制，对于0.13μm的光刻分辨率，其焦深可达7μm。X射线曝光的视场远远大于光学光刻，而且可方便的应用单层工艺，工艺简单，因此，x射线光刻是代替光学光刻的首选技术。不过，x射线有些关键的技术问题没有解决，如聚焦，掩模制作和电光源等，以此，x射线光刻需要一段时间替代光学光刻。

极紫外光刻（EUL）（Extreme Ultraviolet Lithography）早在80年代就开始了理论研究和初步进入试验的阶段，1997年由Intel, AMD, Micron, Motorola, SVGL, USAL, AML 组成极紫外

有限公司和在加州的三的国家实验室参加，共同研发末常委13nm的极紫外光刻机样机。2001年4月在加州Livermore的 Sandia 国家实验室推出的样机被视为光刻的一个重要里程碑。

极紫外光刻技术是以波长10*14nm的极紫外光作为光源。虽然该技术最初被称为软X射线光刻，但本质上与光学光刻十分相似，只是在材料的强烈吸收中存在差异，极紫外光刻技术的光学系统必须采用反射形式。由于不能跟目前的光学光刻及兼容，所以无论哪个部分，传统的光刻工艺都要重新设计。由于及紫外线光源非常难设计，所发出的13μm的波长太短，她几乎会被绝大多数的材料吸收，包括空气，传统的设备等，EUV采取新的环境控制，来控制污染，样机采用nm级精度无摩擦的悬浮工作台。

纳米压印光刻技术

纳米压印技术是美国普林斯顿大学华裔科学家周郁在1995年首选提出的，这项技术具有极高的生产效率，低成本，工艺工程简单等优点，已被证实是纳米尺寸大面积结构复制最有前途的下一代光刻技术之一。目前该技术能分辨率达5nm以下的水平。纳米压印技术主要包括热压印（HEL）,紫外压印（UV-NIL）以及微接触印刷（μCP）。纳米压印技术是加工聚合物结构最常用的方法，它采用高分辨率电子束等方法将结构复杂的纳米结构图案制在印章上，然后用预先图案化的印章是聚合物材料变形而在聚合物上形成结构团。

光刻技术的发展：

纳米科技现在已成为备受人们关注，最为活跃的前沿学科领域，它是人类在改造自然方面进入到原子，分子级的纳米层次，从而给国民经济和国家安全带来深远的影响。纳米科技的发展将带来一场工业革命。

纳米光刻技术是纳米科技发展的基础，它涵盖了从电子束到极紫外的宽光谱范围，包含纳米烟瘾技术以及很多的创新型概念。目前。美日两国在纳米光刻技术领域的研究处于世界的领先地位。

纳米光刻技术可用于纳米材料制作，纳米器件加工，纳米长度测量，纳米物质的物理特性研究等方面，适于复杂团和器件的制造。

参考文献：

《纳米光刻技术现状与进展》耿磊陈勇发表于《世界科技研究与发展》2005.06

《纳米光刻技术的现状和未来》陈献忠姚汉明陈旭南李展罗先刚

《光刻技术新进展》Suki 半导体技术 2005.6

《半导体器件物理于工艺》施半导体技术 2005.6