半导体光刻与刻蚀工艺

半导体光刻与刻蚀工艺深度剖析

一、引言

在现代半导体制造领域，光刻与刻蚀工艺犹如精密的雕刻大师，将复杂的电路设计精准地转移到硅片上，为芯片的诞生奠定了基石。这两项工艺的不断演进，是推动半导体技术朝着更小尺寸、更高性能和更强大功能发展的关键驱动力。光刻工艺负责在硅片表面构建微小的图形结构，而刻蚀工艺则将这些图形转化为实际的电路元件，二者相辅相成，共同塑造了半导体世界的微观奇迹。

二、光刻工艺流程

光刻工艺流程包含多个精细步骤，每个步骤都对最终的光刻质量起着至关重要的作用。

2. • （一）DHF 处理硅片（新增步骤）

     在光刻工艺流程的起始阶段，使用稀释的氢氟酸（DHF）对硅片进行处理是至关重要的一步。硅片在存储和运输过程中，其表面会自然氧化形成一层二氧化硅（SiO₂）薄膜。这层氧化物会对后续的光刻工艺产生不利影响，例如影响光刻胶与硅片表面的附着力，进而影响光刻图形的转移精度。

     DHF 溶液能够选择性地去除硅片表面的氧化物，其化学反应原理基于氢氟酸与二氧化硅之间的反应：SiO₂ + 6HF → H₂[SiF₆] + 2H₂O。通过将硅片浸泡在适当浓度的 DHF 溶液中一段时间（具体时间根据硅片表面氧化物厚度和 DHF 浓度等因素确定），可以精确地去除表面的氧化层，使硅片表面呈现出适合光刻工艺的状态。处理后的硅片应立即进行后续的涂胶等步骤，以防止再次氧化。
     

     （二）涂胶

     1. 准备工作
        • 涂胶前，硅片需经过脱水烘焙，去除表面吸附的水分子，以增强光刻胶与硅片的附着力。例如，在 150 - 200℃释放硅片表面吸附的水分子，在 400℃左右使硅片上含水化合物脱水，甚至进行 750℃以上的脱水处理。
        • 涂布 HMDS（六甲基乙硅氮烷），它能进一步增强光刻胶与硅片之间的附着力。通常以气相方式涂布，硅片先在 100 - 200℃脱水烘焙后直接气相涂布，可降低吸附水分子机会，提高涂布效果。
     2. 涂胶操作

        • 将硅片置于平整金属托盘上，通过小孔与真空管相连使其吸附在托盘上，然后与托盘一起旋转。

        • 把光刻胶溶液喷洒到硅片表面，接着加速旋转托盘至所需速度并保持一定时间。光刻胶膜厚与旋转速度密切相关，速度越快，膜厚越薄且均匀性越好。
          

        • 成分与化学结构

          • 正胶：
            正胶通常由酚醛树脂、重氮萘醌磺酸酯等成分组成。其中，重氮萘醌磺酸酯是感光性的关键物质，在光照后会发生化学结构变化，使得其在显影液中的溶解性改变。
          • 负胶：
            负胶一般是由聚异戊二烯橡胶类的高分子聚合物和双叠氮类化合物等组成。双叠氮类化合物作为光交联剂，在光照时会引发高分子聚合物之间发生交联反应，改变其化学与物理性质。

          . 曝光反应特性

          • 正胶：
            曝光区域的感光性物质在吸收特定波长的光后，会发生分解反应，生成可溶于显影液的物质。例如在紫外光照射下，正胶中重氮萘醌磺酸酯分解，使得曝光区域能在后续显影过程中被去除，未曝光区域则保留下来，最终在基底上形成与掩膜版对应的图形（透光区域对应的正胶被去除，不透光区域对应的正胶保留）。
          • 负胶：
            曝光区域在光照作用下，光交联剂使高分子聚合物之间形成共价键，发生交联反应，使得原本可溶的聚合物变得不溶，经过显影后，曝光区域的胶层保留下来，而未曝光区域的胶可被显影液溶解去除，这样就将掩膜版上的图形转印到了基底上（透光区域对应的负胶保留，不透光区域对应的负胶被去除）。

          . 分辨率表现

          • 正胶：
            具有较高的分辨率，能够实现更小尺寸图形的光刻，一般可以制作线宽较窄、细节更丰富的图案，比如在超大规模集成电路制造中，对于亚微米甚至纳米级别的精细图形，正胶更能满足精度要求。这是因为正胶曝光后去除的是感光分解部分，形成的图形边缘相对更加锐利、清晰，对细微结构的呈现能力更好。
          • 负胶：
            分辨率相对正胶要低一些，由于其曝光区域是通过交联反应形成相对块状、整体性的胶层保留下来，图形边缘容易出现一定的过渡区域，不太容易精准地呈现非常精细的线条和微小结构，所以常用于对分辨率要求不是极高的光刻工艺场景，比如一些早期集成电路制造或者对尺寸精度要求稍低的电路板光刻等。（负胶曝光会膨胀）

          粘附性

          • 正胶：
            对基底材料的粘附性较好，在光刻过程中，尤其是后续的蚀刻等工艺环节中，能够比较牢固地附着在基底表面，不易出现剥落、起皮等现象，这有助于保证光刻图形在后续加工中的完整性和准确性。
          • 负胶：
            其粘附性相对正胶往往稍弱一些，在一些复杂的加工工序中，比如长时间的蚀刻或者多次工艺处理时，有更高的概率出现胶层与基底分离等问题，所以在使用时可能需要更精细地处理基底表面或者采取一些辅助粘附的措施。

          应用场景

          • 正胶：
            广泛应用于现代高精度的半导体制造领域，像逻辑芯片、存储芯片等超大规模集成电路的制造，需要实现极小尺寸的晶体管、电路布线等图形光刻，正胶凭借其高分辨率和良好粘附性等优势成为首选。同时也用于制造对图形精度要求高的微机电系统（MEMS）等器件。
          • 负胶：
            在一些对分辨率要求不是特别高的场合应用较多，比如普通的印刷电路板（PCB）制造，一些简单的半导体分立器件光刻，还有早期的集成电路生产中也常使用，此外在某些对工艺成本比较敏感且对精度要求相对宽松的科研、小批量生产场景中也会采用负胶进行光刻操作。

        • 

     （三）前烘

     1. 溶剂挥发目的
        • 液态光刻胶中溶剂占比较大（65％ - 85％），甩胶后仍含 10％ - 30％溶剂。前烘可使溶剂挥发，降低光刻胶厚度（一般减小 10％ - 20％），并减少灰尘玷污。
     2. 温度和时间的影响
        • 温度太低或时间太短，会导致光刻胶层与硅片表面黏附性差、曝光精确度降低、图形转移效果不佳。因为此时光刻胶中溶剂含量过高，影响其性能。
        • 温度太高，光刻胶层黏附性会因变脆而降低，且过高温度会使光刻胶中的感光剂发生反应，导致曝光时敏感度变差。
        • 前烘常采用干燥循环热风、红外线辐射或热平板传导等方式，ULSI 工艺中常用真空热平板烘烤，以便更好地控制温度和保证均匀加热。

     （四）曝光

     • 曝光是利用光照使光刻胶发生光化学反应，将掩模版上的图形信息转移到光刻胶上的关键步骤。不同的曝光光源和方式会影响光刻的分辨率和精度。

     （五）后烘（新增步骤）

     后烘在曝光之后、显影之前进行。其主要目的是减少驻波效应，通过适当的温度处理（一般在 100 - 120℃左右），可以使光刻胶中的感光剂进一步扩散并稳定，从而优化光刻胶内部的化学结构，提高光刻图形的质量。后烘过程中，光刻胶内的分子会发生一定程度的重排，有助于在显影时获得更清晰、准确的图形。后烘的温度和时间需要精确控制，温度过高或时间过长可能导致光刻胶过度反应，影响其在显影过程中的性能；温度过低或时间过短则无法充分发挥后烘的作用，驻波效应可能依然较为明显，影响图形的分辨率和精度。

     （六）显影

     1. 图形显现原理
        • 以正胶为例，曝光区的光刻胶在显影液中溶解，非曝光区不溶解，从而形成与掩模版对应的光刻胶图形。显影后留下的光刻胶图形将在后续刻蚀和离子注入工艺中作为掩膜。
     2. 影响显影效果因素
        • 光刻胶的膜厚、前烘的温度和时间、曝光时间、显影液的浓度、温度和搅动情况等都会影响显影效果。例如，显影液浓度不合适可能导致曝光区与非曝光区光刻胶溶解速度反差变小，图形对比度降低。
        • 目前广泛使用喷洒方法显影，包括硅片置于旋转台喷洒显影液、静止显影和漂洗旋干三个阶段，该方法能满足工艺流水线要求。

     （七）显影检查（新增步骤）

     显影检查是确保光刻工艺质量的重要环节。在显影完成后，利用光学显微镜、扫描电镜（SEM）或激光系统等高精度检测设备对硅片上的光刻胶图形进行检查。主要检查图形的尺寸是否符合设计要求，包括线宽、线间距、图形形状等参数。如果发现图形尺寸存在偏差或缺陷，如线宽不均匀、图形缺失或模糊等问题，可以及时对光刻工艺进行调整或返工。例如，如果线宽超出了允许的误差范围，可能需要检查曝光剂量、显影时间等工艺参数是否正确，并进行相应的修正。通过显影检查，可以有效提高光刻工艺的成品率，降低生产成本，确保后续刻蚀和离子注入等工艺能够基于准确的光刻胶图形进行，从而提高整个半导体制造工艺的可靠性和稳定性。

     （八）坚膜

     1. 增强光刻胶性能
        • 坚膜通过高温处理，除去光刻胶中剩余溶剂，增强其对硅片表面的附着力，提高在刻蚀和离子注入过程中的抗蚀性和保护能力。坚膜温度通常高于前烘温度。
          
     2. 光学稳定处理（可选）
        • 光刻胶的光学稳定可通过紫外光辐照和适度热处理（110℃）实现，能在光刻胶表面图形形成交叉链接硬壳，防止高温变形，提高抗刻蚀能力，最终需经氧等离子活化后用湿法除去。

     （九）去胶

     1. 湿法去胶
        • 包括有机溶液去胶（如丙酮和芳香族有机溶剂使光刻胶溶解）和无机溶液去胶（如 H₂SO₄和 H₂O₂等将光刻胶中碳元素氧化为二氧化碳除去）。但无机溶液会腐蚀 Al，去除 Al 上光刻胶需用有机溶液。
     2. 干法去胶
        • 利用等离子体将光刻胶剥除，光刻胶在氧等离子体中反应生成气态产物由真空系统抽走。干法去胶效果好，但存在反应残留物玷污问题，常与湿法去胶搭配使用。

     光刻与刻蚀工艺在半导体制造中持续演进，面临着诸多挑战，如进一步提高分辨率、改善工艺稳定性、降低成本等。随着技术的不断创新，有望在未来实现更先进的半导体器件制造，推动电子科技迈向新的高度。同时，新的材料和工艺方法也在不断探索中，为半导体产业的发展注入新的活力。

三、光刻胶

光刻胶作为光刻工艺的核心材料，其性能决定了光刻的分辨率和精度等关键指标。

（一）基本属性

1. 成分组成
   • 光刻胶包含聚合物材料（树脂），提供附着性和抗腐蚀性；感光材料（感光剂），决定感光性能；溶剂，使光刻胶保持液态。
   • 
2. 正胶与负胶区别
   • 正胶感光区在显影时溶掉，形成掩模版图形的正影像；负胶则相反，显影后形成掩模版的负性图形。正胶分辨率比负胶高，这是由于负胶在显影过程中可能出现膨胀现象，尤其在光刻小于 3μm 图形时，正胶因不会膨胀而更具优势。

（二）性能参数

1. 分辨率

   • 描述光刻工艺能达到的最小图形尺寸，受光刻系统、光刻胶和工艺等多方面因素限制，从物理角度主要受衍射影响。例如，粒子束能量给定后，粒子质量越大（如离子相比电子），分辨率可能越高，但离子自身线度会限制加工尺寸。对于给定粒子（如电子），动能越高，分辨率越高。

2. 对比度

   • 通过测量不同辐照剂量下显影后剩余光刻胶膜厚，利用光刻胶膜厚 - 曝光剂量响应曲线计算得到。对比度影响曝光后光刻胶膜的倾角和线宽，对比度越高，光刻胶层侧面越陡，有助于提高分辨率和减小刻蚀钻蚀效应。
   • 理想的曝光过程中，投到光刻胶上的辐照区域应该等于掩模版上的透光区域，在其他区域应该没有辐照能量。在实际的曝光过程中，由于衍射和散射的影响，光刻胶所接受的辐照具有一定的分布。以正胶为例，部分区域的光刻胶受到的曝光剂量小于Dc而大于Do，在显影过程中只有部分溶解。因此经过显影之后留下的光刻胶的侧面都会有一定的斜坡。
   • 

3. 光敏度

   • 指完成所需图形曝光的最小曝光剂量。正胶通常比负胶有更高曝光效率（负胶在曝光时会膨胀，其分子结构会发生变化，从而导致整体体积膨胀。这种膨胀特性在光刻工艺中需要被考虑到，因为它可能会影响到最终的图案精度和尺寸控制。），光敏度较大，但过高光敏度会使光刻胶室温下可能发生热反应，减少存储时间，且影响均匀曝光。

4. 抗刻蚀能力和热稳定性

   • 光刻胶对湿法刻蚀抗蚀能力较好，部分正胶（如 DQN 正胶）对干法刻蚀有一定抗蚀能力，但多数干法刻蚀工作温度高，要求光刻胶（坚膜后的光刻胶）能经受 200℃以上工作温度，以保证热稳定。

5. 黏着力

   • 在刻蚀中，光刻胶黏附不牢会导致钻蚀和浮胶，影响光刻质量。影响黏附性因素众多，增强方法包括1.涂胶前脱水处理、2.使用 HMDS 或 TMSDEA 增黏剂、3.提高坚膜循环温度等，干法刻蚀可降低对黏着力要求（湿法刻蚀溶剂中的水溶液会氧化光刻胶）。

6. 溶解度和黏滞力

   • 溶解度决定甩胶后光刻胶膜厚度和流动性，黏滞度与溶解度和环境温度有关，二者共同影响甩胶后光刻胶膜厚，需严格控制以获得可重复的胶膜厚度。

7.微粒数量和金属含量

• 光刻胶纯净度与微粒数量和金属含量有关，使用前需严格过滤（光刻胶中的固体物质会沉降和析出），以去除直径 0.1μm 以上微粒。钠和钾（带来碱金属污染）等金属含量需极低，如钠达到 50 万原子分之一，否则会污染降低器件性能，可通过原子吸收光谱分光光度计测量。

8. 存储寿命

   • 光刻胶成分随时间和温度变化，负胶储存寿命通常比正胶短（负胶是通过交链反应固化，常温下可能发生少量交链所以寿命短于正胶），DQN 正胶在封闭条件下储存较稳定，若储存得当（保存在氮气柜中，温度控制在10℃-20℃），可保存六个月至一年。适当运输、存储和使用前过滤有助于解决老化问题。

9. MLR多层光刻胶技术的概念
   -利用不同光刻胶特性：多层光刻胶由性质不同的多层光刻胶组成，如顶层光刻胶具有良好的感光性和分辨率，能在曝光和显影后形成精确的曝光图形，可作为刻蚀掩蔽层；底层光刻胶则可用于在衬底上形成平坦化的平面，为后续工艺提供良好的基础 。
   图形转移过程：首先在衬底上涂覆底层光刻胶并进行相应处理，使其形成平坦表面。接着在底层光刻胶上涂覆顶层光刻胶，经过曝光和显影，顶层光刻胶上的图形被定义出来。然后利用顶层光刻胶的图形作为掩蔽，通过刻蚀工艺将图形转移到下层光刻胶或衬底上，从而实现更复杂、更精细的图形制造 。
   主要优点
   提高分辨率：通过使用较薄的顶层光刻胶，可以获得更高的分辨率，有助于制造更小尺寸的半导体器件结构，满足芯片制造不断向更小制程发展的需求 。
   增强图形转移精度：多层光刻胶的不同特性能够更好地控制图形转移过程，减少因光刻胶厚度不均、表面不平整等因素导致的图形失真，提高图形转移的精度和准确性。
   实现复杂结构制造：可以通过多层光刻胶的组合和不同的工艺步骤，制造出各种复杂的三维结构，如高深宽比的沟槽、多层布线结构等，为半导体器件的高性能化和多功能化提供了支持.
   面临的挑战
   工艺复杂性增加：多层光刻胶技术涉及多次涂胶、曝光、显影和刻蚀等工艺步骤，相比传统的单层光刻胶工艺，其工艺复杂性大幅提高，对工艺控制和设备的要求也更为严格

10. SI -CRAL光刻胶图形硅化学增强工艺
    表面改性技术
    原理：通过在硅表面引入新的化学官能团或者化学键，改变硅表面的化学性质。例如，硅表面通常存在自然氧化层（主要是二氧化硅），可以利用化学处理方法（如氢氟酸蚀刻）部分去除氧化层，然后引入有机硅烷试剂（如六甲基二硅氮烷，HMDS）。HMDS 分子中的硅 - 氮键（Si - N）可以与硅表面的硅 - 氢键（Si - H）发生反应，在硅表面形成一层有机硅膜。这层膜可以改变硅表面的润湿性、黏附性等性质。
    应用：在光刻工艺中，经过这种表面改性后，光刻胶在硅表面的附着力增强，有利于精确的图案转移。同时，在微机电系统（MEMS）中，这种改性后的表面可以减少摩擦和黏附，提高微机械结构的可靠性。

11.对比增强光刻（CEL）技术原理与特点
- 原理：对比增强光刻是一种光刻技术增强手段。它主要是通过在光刻胶曝光过程中或曝光后，采用一些物理或化学方法来改变光刻胶的溶解度等性质，从而增强光刻胶图形的对比度。

12.CLB 在半导体器件中的原理和实现方式
基于材料的电流阻挡
原理：在半导体材料层面，通过改变材料的电学性质来实现电流阻挡。例如，在异质结半导体结构中，利用不同半导体材料的带隙差异可以形成电流阻挡层。以氮化镓（GaN）和铝镓氮（AlGaN）构成的异质结为例，AlGaN 层具有较宽的带隙，当电子从 GaN 层向 AlGaN 层移动时，由于带隙的不连续性，会遇到能量势垒，从而阻止电子的进一步流动，实现电流阻挡。
应用场景：这种基于材料的电流阻挡在高电子迁移率晶体管（HEMT）等器件中得到广泛应用。在 HEMT 中，电流阻挡层有助于将二维电子气（2DEG）限制在特定的沟道区域，提高器件的电子迁移率和性能，减少漏电流，使得晶体管能够在高频率和高功率下工作。

13.DISIRE工艺
DESIRE 工艺使用标准的紫外线曝光表面层，曝光仅局限于顶层。之后，将晶圆放入反应腔中暴露于 HMDS，发生硅烷化反应。通过这一步，硅混入曝光区域，富硅区域变成硬掩膜二氧化硅。
工艺优势：
形成坚固的刻蚀阻挡层：在刻蚀工艺中，硅烷化区域变成二氧化硅，形成了更坚
固的刻蚀阻挡层，可更好地保护下方材料在刻蚀过程中不受影响，有助于实现更精确的图形转移。
主要应用：
提高图形分辨率：与其他多层光刻胶工艺类似，DESIRE 工艺能够平整晶圆表面，并在表层形成图形，有助于提高图形的分辨率，对于制造小尺寸、高精度的半导体器件尤为重要。主要用于mesa工艺，且sio2掩膜具有更好的各向异性，可用于蚀刻较深的基板，

14.PRIME 工艺
原理剖析
曝光过程中的反应：在 PRIME 工艺的曝光阶段，曝光区的感光剂发生分解并且形成交叉链接。这种交叉链接能够达到 30nm 的深度，这一特性对于后续图形的形成有着关键的影响。例如，这种深度的交叉链接可能会改变曝光区光刻胶的物理和化学性质，如机械强度、溶解度等，使其与未曝光区产生差异。
UV 辐照替代前烘的作用：用 UV 辐照代替传统的前烘步骤是 PRIME 工艺的一个特点。UV 辐照使得未曝光区的感光剂分解，从而为硅扩散创造了条件。这一过程与传统工艺有所不同，传统工艺中的前烘主要是为了去除光刻胶中的溶剂等，而在此工艺中，UV 辐照更侧重于引发未曝光区的反应。硅扩散到未曝光区后，硅烷基化在这些区域进行，这会导致未曝光区的化学性质发生变化，与曝光区的差异进一步加大。
干法刻蚀后的图形形成：经过干法刻蚀光刻胶这一步骤，基于前面步骤中曝光区和未曝光区化学性质的差异，在光刻胶上形成了正性的掩膜图形。在干法刻蚀过程中，由于未曝光区经过硅烷基化等反应，其抗蚀性能可能与曝光区不同，蚀刻气体对它们的蚀刻速率也会不同，从而选择性地去除部分光刻胶，形成正性图形。
统光刻工艺对比
图形形成方式的差异：传统光刻工艺形成正性图形主要是通过曝光使曝光区的光刻胶在显影液中的溶解度增加，而 PRIME 工艺是通过复杂的曝光、UV 辐照和硅烷基化过程，利用干法刻蚀时不同区域的蚀刻速率差异来形成正性图形。例如，传统正性光刻胶在曝光后，其分子结构被破坏，使得曝光区在显影液中容易溶解，而 PRIME 工艺是在整个过程中改变了光刻胶不同区域的化学结构，通过蚀刻来体现正性图形。
工艺步骤的创新：PRIME 工艺用 UV 辐照代替前烘是一个创新点。前烘在传统光刻中主要是稳定光刻胶结构、去除溶剂等，但在 PRIME 工艺中，UV 辐照不仅起到了类似的稳定作用，还引发了未曝光区的感光剂分解和后续的硅扩散、硅烷基化等反应，这改变了工艺的流程和反应机制。

（三）抗反射涂层工艺

1. 驻波效应影响
   • 曝光光波在光刻胶层与衬底间反射形成驻波，导致光刻胶中光强周期性变化，引起光吸收不均匀，使线宽变化、分辨率降低，衬底强反射会加重此效应。
2. 改善措施
   • 使用抗反射涂层（ARC）并进行曝光后烘焙（PEB）。
   • 底层抗反射涂层（BARC）位于衬底和光刻胶之间，由高消光率材料组成，可吸收光线，调整其厚度可使透射光产生相移，减弱反射光强度（产生消光现象），降低驻波效应，但会增加工艺复杂性，且需独立工序去除 BARC。

四、光照系统与曝光方式

（一）光照系统

投影式照明系统

在半导体光刻工艺中，投影式照明系统扮演着至关重要的角色，其作用是确保光线能够准确、均匀地照射到硅片表面，从而实现高精度的光刻图形转移。

系统组成与功能

1. 整体功能
   • 投影式照明系统负责收集从弧光灯中射出的光，并将其引导通过掩模版，最终投射到透镜组的入射光孔中，为光刻过程提供高质量的光照条件。
2. 光学收集系统
   • 光学收集系统通常采用抛物面或椭圆面的镜子。这些特殊形状的镜子具有独特的光学性能，能够将弧光灯发射出的光线进行有效的收集和汇聚，尽可能多地将光线引向需要曝光的硅片表面。抛物面镜子可以将平行于其对称轴的光线汇聚到一个焦点上，而椭圆面镜子则可以将一个焦点发出的光线汇聚到另一个焦点上，从而实现对光线的高效收集和定向传输，确保硅片表面能够接收到足够强度的光线。
3. 过滤器
   • 过滤器的主要功能是对光线进行筛选，将除曝光波长以外的其他波长光过滤掉。在光刻过程中，只有特定波长的光线才能与光刻胶发生有效的光化学反应，从而实现图形的转移。过滤器通过选择性地透过所需波长的光线，阻挡其他波长的干扰，保证通过投影透镜到达硅片表面的光线是纯净的曝光波长光线，提高了光刻的准确性和精度。
4. 光线空间均匀性优化
   • 弧形灯发射光线的空间一致性不够好，而照明掩膜要求光强波动小于 1％，为了满足这一严格要求，采用了蜂窝状透镜技术。蜂窝状透镜可以产生小弧形灯的多重图像，这些多重图像射出的光集合在一起，能够有效地平均光线强度，使最终照射到硅片表面的光线具有高度的均匀性。这种均匀的光照对于确保光刻胶在整个硅片表面上均匀曝光至关重要，能够避免因光照不均匀导致的光刻图形尺寸偏差、线条宽度不均匀等问题，从而提高芯片的制造质量和性能。

投影式照明系统通过各组成部分的协同工作，实现了光线的高效收集、精确过滤和均匀分布，为半导体光刻工艺提供了稳定、高质量的光照基础，是保证芯片制造精度和性能的关键环节之一。

（二）紫外光曝光

1. 水银弧光灯光源

   • 曾广泛应用，内部充有水银气体，电极间高压脉冲使气体电离产生弧光发射特征光谱。加入氙气可提高 200 - 300nm 范围输出能量，其发射光谱在 350 - 450nm 有 i 线（365nm）、h 线（405nm）和 g 线（436nm）三条强发射线，可通过折射透镜分离出单一波长光线。市面上使用的i线为主。
   • 
   • 

2. 准分子激光 DUV 光源

   • KrF 准分子激光器（波长 248nm）应用于 0.35μm、0.25μm 和 0.18μm CMOS 技术；ArF 准分子激光器（波长 193nm）应用于 0.2μm 以下 CMOS 工艺。准分子由惰性气体原子和卤素原子组成，激发态衰变时发射 DUV 光。以 KrF 准分子激光器为例，先产生 Kr⁺和 F⁻离子，高电压脉冲使其结合成 KrF 准分子，部分准分子自发衰变发射光激励其他准分子衰变，从而以短脉冲形式发射激光。ArF KrF为准分子通过外加电场

   • 

（三）曝光方式

1. 接近式曝光
   • 掩模版与硅片间有 5μm 左右间隙，分辨率受衍射限制，低于接触式曝光，且因间隙存在，容易引入一些工艺缺陷。
2. 接触式曝光
   • 掩模版与硅片紧密接触，分辨率高，但由于紧密接触，容易在掩模版和硅片间引入大量工艺缺陷，导致成品率过低，目前已逐渐被淘汰。
3. 投影光刻
   • 光源光线经透镜变成平行光，通过掩模版后由第二个透镜系统聚焦投影在硅片上成像，硅片支架和掩模版间有对准系统，是当前主流的曝光方式，能有效提高光刻精度和生产效率。
4. 离轴照明
   • 对于数值孔径一定的投影物镜，当光栅周期小时，同轴照明下 ±1 级及更高阶衍射光可能被物镜光阑遮挡，而离轴照明可使 0 级和 - 1 级衍射光进入成像系统光瞳， - 1 级衍射光包含图形空间信息，能提高光刻分辨率，适用于对分辨率要求较高的情况。
5. 扩大调焦范围曝光（FLEX）
   • 适用于曝光接触孔或通孔，通过在光刻胶膜中形成两个焦点，一个位于中点，一个接近顶部表面，使每个接触孔形成两个重置像，焦点外像在宽敞区域伸展，仅产生模糊背景效果，可提高接触孔聚集深度 3 至 4 倍，有助于解决因硅片表面不平坦等引起的问题。

（补充）掩模版制造

在半导体光刻工艺中，掩模版的制造是至关重要的环节，其质量直接影响到光刻图形的精度和芯片的性能。以下是掩模版制造的详细内容：

掩模版的重要性

 制作一个完整的 ULSI 芯片通常需要 20 - 25 块不同图形的掩膜版。这些掩模版在光刻过程中起着精确传递电路图形信息的关键作用，确保在硅片上形成正确且微小的电路结构。

掩模版的结构

 1. 石英玻璃板
    - 石英玻璃的热扩散系数小，在掩模版刻写过程中受温度变化的影响较小，能保证掩模版的尺寸稳定性。
    - 对 248nm 和 193nm 波长的通透效果极佳，有利于光刻过程中光线的传输和图形的精确成像。
 2. 铬层
    - 在石英玻璃片上淀积一层铬（Cr），掩膜图形最终就在铬膜上形成。铬膜的淀积和刻蚀相对容易，并且对光线完全不透明，能有效阻挡光线，形成清晰的图形边界。
    - 铬膜下方有一层由铬的氮化物或氧化物形成的薄膜，用于增加铬膜与石英玻璃之间的黏附力，防止铬膜脱落或剥离，确保掩模版的结构完整性。
    - 铬膜上方有一层 20nm 厚的 Cr₂O₃抗反射层，可减少光线在铬膜表面的反射，降低反射光对光刻胶曝光的干扰，提高光刻图形的精度。这些薄膜都是通过溅射法制备的。

掩模版的保护层

 1. 防止缺陷形成
    - 为防止在掩模版上形成缺陷，需要用保护膜将掩模版的表面密封起来。保护膜可以有效避免掩模版遭到空气中微粒以及其他形式的污染，如灰尘、化学物质等，从而保护掩模版的图形质量。
 2. 保护膜特性
    - 保护膜的厚度需要足够薄，以保证透光性，确保光刻过程中光线能够正常透过掩模版进行曝光。
    - 同时要耐清洗，因为掩模版在使用过程中可能需要定期清洗以去除表面的污染物，保护膜需要能够经受清洗过程而不被损坏。
    - 还要求保护膜长时间暴露在 UV 射线的辐照下，仍然能保持其形状，以保证在光刻过程中不会因 UV 射线的影响而发生变形或损坏，从而维持掩模版图形的准确性。目前所使用的材料包括硝化纤维素醋酸盐和碳氟化合物，形成的保护薄膜厚度为 1 - 2μm。
 3. 掩模版清洁方法
    - 有保护膜的掩模版可以用去离子水清洗，这样可以去掉保护膜上大多数的微粒，然后再通过弱表面活性剂和手工擦洗，进一步去除残留的污染物，从而完成对掩模版的清洁，确保掩模版的清洁度，以保证光刻图形的质量。

移相掩膜（PSM）

移相掩膜（Phase - Shift Mask，PSM）技术应运而生，成为提高光学曝光分辨率的关键技术之一。
技术原理
移相掩膜的核心原理是通过在光掩模版的特定图形上添加或减少透明介质层（即移相器），使光波在通过这些区域时产生 180° 的相位差。当这些具有相位差的光波与邻近透明区域透过的光波相遇时，会发生干涉现象。这种干涉能够有效地抵消图形边缘的光衍射效应，从而显著提高曝光的分辨率。
例如，在传统光刻中，由于光的衍射，图形边缘的光强分布会变得模糊，导致在硅片上形成的光刻胶图形边缘不清晰，影响芯片的精度和性能。而移相掩膜技术通过引入相位差，调整了光的干涉效果，使得图形边缘的光强分布更加准确，从而提高了图形的清晰度和分辨率。

（四）X 射线曝光

1. 曝光系统组成
   • X 射线源用高能电子束轰击金属靶产生 X 射线，工作需在真空下，X 射线透过铍窗口进入常压气氛曝光。其波长一般选在 2 - 40Å 软 X 射线区。
2. 图形畸变问题
   • 由于 X 射线源为发散型点光源，会产生半阴影（Δ = Sd/D，S 为掩模版与样品距离，d 为靶斑尺寸，D 为光源到掩模版距离）和几何畸变，导致图形畸变，影响分辨率。通常需采用折衷方法优化 Δ，以平衡分辨率和曝光时间等因素。
3. 掩模版与光刻胶
   • X 射线光刻掩模版通过选择低原子序数轻元素材料（如氮化硅、氮化硼、铍等）形成可透 X 射线区，高原子序数重元素材料（如金）形成不透 X 射线区。光刻胶需添加在特定波长范围内有高吸收峰元素以提高灵敏度，因为深紫外曝光用光刻胶对 X 射线光子吸收率低。

（五）电子束直写式曝光

1. 曝光原理与精度
   • 利用具有一定能量电子与光刻胶碰撞发生化学反应完成曝光，可实现 0.1 - 0.25μm 超微细加工，甚至数十纳米线条曝光，常用于制造高精度掩模版等。
2. 邻近效应影响
   • 电子在光刻胶中散射分为前向散射和背散射，前向散射导致曝光图形轻微展宽，背散射使大面积光刻胶曝光，导致图形模糊畸变，即邻近效应，包括因增强曝光引起图形凸起和因减弱曝光引起图形缺损，影响图形质量。
3. 曝光系统类型
   • 改进的扫描电镜（SEM）从电子显微镜演变而来，分辨率取决于所选 SEM，工作台移动小，适用于研究工作。高斯扫描系统有光栅扫描（高速扫描整个图形场，利用快速束闸选择性曝光）和矢量扫描（只扫描需曝光图形，无图形部分快速移动）两种方式，分辨率可达几纳米。有限散射角投影式电子束曝光（SCALPEL）采用散射式掩膜技术，通过原子序数不同的薄膜和光阑过滤电子，在光刻胶上形成高对比度图形。

五、刻蚀工艺

刻蚀工艺是将光刻胶上图形转移到硅片材料中的关键环节，分为湿法腐蚀和干法刻蚀两种方式。

（一）湿法腐蚀

1. 原理与特点
   • 通过腐蚀溶液与被腐蚀薄膜化学反应去除未被光刻胶保护的薄膜，具有工艺简单、选择性较高的优点，但存在各向同性腐蚀问题，即侧向腐蚀不可避免。
2. 不同材料的湿法腐蚀
   • 腐蚀硅常用硝酸、氢氟酸和水（或醋酸）混合液，醋酸可抑制硝酸分解，维持硝酸浓度。腐蚀 SiO₂使用氢氟酸，加入氟化氨作为缓冲剂维持 HF 浓度。Si₃N₄可使用加热的磷酸（130 - 150℃）腐蚀，但因其常作为保护层，湿法刻蚀不常见。

（二）干法刻蚀

1. 原理与特点
   • 利用等离子体激活的化学反应或高能离子束轰击去除物质，具有各向异性（纵向刻蚀速率远大于横向刻蚀速率）特点，但选择性比湿法腐蚀差。
2. 干法刻蚀分类与应用
   • 等离子体刻蚀利用辉光放电产生活性粒子与材料反应形成挥发性产物，选择性较好，各向异性相对较差。溅射刻蚀通过高能离子轰击材料表面溅射完成刻蚀，各向异性好，选择性相对较差。反应离子刻蚀（RIE）介于两者之间，同时利用物理溅射和化学反应机制，可灵活选取工作条件获得最佳刻蚀效果，目前在集成电路工艺中广泛应用。
   • 在 ULSI 工艺中，二氧化硅刻蚀常用含氟化碳等离子体（如 CF₄、CHF₃等），加入适量氢气可增强 SiO₂/Si 刻蚀选择性。Si₃N₄刻蚀可采用 CF₄等离子刻蚀或 CF₄ - O₂等离子体刻蚀，其刻蚀速度介于 SiO₂和 Si 之间，选择性较差。多晶硅化金属（如多晶硅与金属硅化物）在 MOSFET 栅极中常用，刻蚀金属硅化物可用 CF₄、SF₆、Cl₂及 HCl 等气体，刻蚀多晶硅常用氯化物等离子体（如 Cl₂、HCl 和 SiCl₄等），对多晶硅 / SiO₂选择性好。铝及铝合金刻蚀，纯铝比铝合金容易，刻蚀前需去除自然氧化层，铝可与 Cl 或 Cl₂反应形成挥发性 AlCl₃，Al - Si 合金可在含氯气体中刻蚀，Al - Cu 合金刻蚀后有含铜残留物需特殊处理，铝对 SiO₂刻蚀选择性好，但对硅和多晶硅刻蚀选择性差，刻蚀后需防止侵蚀现象。钼、钽、钨和钛等金属能在含氟刻蚀剂中刻蚀，对 SiO₂有较高选择性；铬、金和铂等金属可在含氯气体中刻蚀，金和铂常用溅射法刻蚀。

（三）刻蚀参数影响

1.离子能量和入射角
-在溅射刻蚀中，刻蚀速率由溅射率、离子束入射角和入射流密度决定。离子能量一般≤2keV，多数材料溅射率随离子能量增加先单调上升后变缓，存在最佳入射角使溅射率最大，从而影响刻蚀速率。
2.气体成份
-气体成份是影响干法刻蚀速率和选择性关键因素，除刻蚀光刻胶和有机膜外，主要用卤素气体，选择依据是能否与刻蚀材料形成挥发性或准挥发性卤化物，常使用混合气体改善刻蚀速率、选择性、均匀性和刻蚀剖面。
3.气体流速
-一般情况下对刻蚀速率影响不大，但流速过小时刻蚀速率受反应剂供给量限制，流速过大时输运成为反应剂损失主要原因。
4.温度、压力、功率密度和频率
-温度通过化学反应速率影响刻蚀速率，衬底温度上升原因包括等离子体加热和刻蚀放热效应，需控制衬底温度以获得均匀、可重复刻蚀速率。
5.负载效应
-反应刻蚀中，刻蚀速率往往随刻蚀面积增大而减小，即负载效应。在反应离子刻蚀中，刻蚀速率与被刻蚀面积成反比。这意味着一次刻蚀硅片数目越多，反应原子和原子团消耗越多，整体刻蚀速率越慢。在集成电路工艺中，负载效应影响图形尺寸精确控制。随着刻蚀到达终点，被刻材料表面积迅速减小，此时刻蚀速率比正常高，可能出现过刻蚀和加速侧向刻蚀，给条宽控制带来困难。例如，在刻蚀微小电路图形时，若不能有效控制负载效应，可能导致图形线条宽度不均匀，影响芯片性能。