半导体工艺与设备-4 光刻工艺与设备

一 概述

在集成电路制造工艺中，光刻是决定集成电路集成度的核心工序，该工序的作用是将电路图形信息从掩模版（也称掩膜版）上保真传输、转印到半导体材料衬底上。

光刻工艺的基本原理是利用涂敷在衬底表面的光刻胶的光化学反应作用，记录掩模版上的电路图形，从而实现将集成电路图形从设计转印到衬底的目的。

光刻工艺的基本过程：

首先，使用涂胶机在衬底表面涂敷光刻胶；

然后，使用光刻机对涂有光刻胶的衬底进行曝光，利用光化学反应作用的机制，记录光刻机传输的掩模版图形信息，完成掩模版图形到衬底的保真传输、转印和复制；

最后，使用显影机对曝光衬底进行显影，去除（或保留）受到曝光后发生光化学反应的光刻胶。

 

二 光刻工艺

为了将掩模版上的设计线路图形转移到硅片上，首先需要通过曝光工艺来实现转移，然后通过刻蚀工艺得到硅图形。

由于光刻工艺区的照明采用的是感光材料不敏感的黄色光源，因此又称为黄光区。

光刻技术最先应用于印刷行业，并且是早期制造PCB的主要技术。自20世纪50年代起，光刻技术逐步成为IC制造中图形转移的主流技术。

光刻工艺的关键指标包括分辨率、灵敏度、套准精度、缺陷率等。

光刻工艺中最关键的材料是作为感光材料的光刻胶，由于光刻胶的敏感性依赖于光源波长，所以g/i线、248nm的KrF、193nm的ArF等光刻工艺需要采用不同的光刻胶材料。

典型光刻工艺的主要过程包括5个步骤：

• 底膜准备；
• 涂光刻胶和软烘；
• 对准、曝光和曝光后烘;
• 显影坚膜;
• 显影检测。

（1）底膜准备：主要是清洗和脱水。因为任何污染物都会减弱光刻胶与晶圆片之间的附着力，所以彻底的清洗可以提升晶圆片与光刻胶之间的黏附性。

（2）涂光刻胶：通过旋转硅片的方式实现。不同的光刻胶要求不同的涂胶工艺参数，包括旋转速度、胶厚度和温度等。

软烘：通过烘烤可以提高光刻胶与硅片的黏附性，以及光刻胶厚度的均匀性，以利于后续刻蚀工艺的几何尺寸的精密控制。

（3）对准、曝光：对准和曝光是光刻工艺中最重要的环节，是指将掩模版图形与晶圆片已有图形（或称前层图形）对准，然后用特定的光照射，光能激活光刻胶中的光敏成分，从而将掩模版的图形转移到光刻胶上。

对准和曝光所用的设备为光刻机，它是整个集成电路制造工艺中单台价格最高的工艺设备。光刻机的技术水平代表了整条生产线的先进程度。

曝光后烘：指的是曝光后进行短时间的烘焙处理，其作用与在深紫外光刻胶和常规i线光刻胶中的作用有所不同。

对于深紫外光刻胶，曝光后烘去除了光刻胶中的保护成分，使得光刻胶能溶解于显影液，因此曝光后烘是必须进行的；

对于常规i线光刻胶，曝光后烘可提高光刻胶的黏附性并减少驻波（驻波对光刻胶边缘形貌会有不良影响）。

（4）显影坚膜：即用显影液溶解曝光后的光刻胶可溶解部分（正光刻胶），将掩模版图形用光刻胶图形准确地显现出来。

显影工艺的关键参数包括显影温度和时间、显影液用量和浓度、清洗等，通过调整显影中的相关参数可提高曝光与未曝光部分光刻胶的溶解速率差，从而获得所需的显影效果。

坚膜又称为坚膜烘焙，是将显影后的光刻胶中剩余的溶剂、显影液、水及其他不必要的残留成分通过加热蒸发去除，以提高光刻胶与硅衬底的黏附性及光刻胶的抗刻蚀能力。

坚膜过程的温度根据光刻胶的不同及坚膜方法的不同而有所不同，以光刻胶图形不发生形变为前提，并应使光刻胶变得足够坚硬。

（5）显影检测：即检查显影后光刻胶图形的缺陷。通常利用图像识别技术，自动扫描显影后的芯片图形，与预存的无缺陷标准图形进行比对，若发现有不同之处，就视为存在缺陷。

如果缺陷超过一定的数量，则该硅片被判定未通过显影检测，视情况可对该硅片进行报废或返工处理。

在集成电路制造过程中，绝大多数工艺都是不可逆的，而光刻是极少数可进行返工的一道工序。

 

三 光掩模和光刻胶材料

3.1 光掩模

光掩模，即光刻掩模版，又称为光罩，是集成电路晶圆片制造光刻工艺中使用的母版。

光掩模制造流程是将集成电路设计工程师设计的晶圆片制造所需的原始版图数据，通过掩模数据处理转换成激光图形产生器或电子束曝光设备等能够识别的数据格式，使其可由上述设备曝光在涂有感光材料的光掩模基板材料上；然后经显影、刻蚀等一系列工艺处理，使图形定像在基板材料上；最后经检查、修补、清洗、贴膜后形成掩模产品，交付于集成电路制造厂使用。

3.2 光刻胶

光刻胶又称为光致抗蚀剂，是一种感光材料，其中的感光成分在光的照射下会发生化学变化，从而引起溶解速率的改变，其主要作用是将掩模版上的图形转移到晶圆片等衬底上。

光刻胶的工作原理：首先，将光刻胶涂布在衬底片上，前烘去除其中的溶剂；

其次，透过掩模版进行曝光，使曝光部分的感光组分发生化学反应；

然后，进行曝光后烘烤；

最后通过显影将光刻胶部分溶解（对于正光刻胶，曝光区域被溶解；对于负光刻胶，未曝光区域被溶解），从而实现集成电路图形从掩模版到衬底片的转移。

光刻胶的组分主要包括成膜树脂、感光组分、微量添加剂和溶剂。

其中，成膜树脂用于提供机械性能和抗刻蚀能力；感光组分在光照下发生化学变化，引起溶解速度的改变；

微量添加剂包括染料、增黏剂等，用以改善光刻胶性能；溶剂用于溶解各组分，使之均匀混合。

目前大量使用的光刻胶既可以根据光化学反应机理分为传统光刻胶和化学放大型光刻胶，也可以按感光波长分为紫外、深紫外、极紫外、电子束、离子束及X射线类光刻胶。

 

四 光刻设备

光刻技术经历了接触/接近式光刻、光学投影光刻、步进重复光刻、扫描光刻、浸没式光刻、EUV光刻的发展历程。

4.1 接触/接近式光刻机

接触式光刻技术出现于20世纪60年代，并广泛应用于20世纪70年代，它是小规模集成电路时代的主要光刻手段，主要用于生产特征尺寸大于5μm的集成电路。

在接触/接近式光刻机中，通常晶圆片置于一个手动控制水平位置和旋转的工件台上。操作者利用分立视场显微镜同时观察掩模和晶圆片的位置，并通过手动控制工件台的位置来实现掩模版与晶圆片的对准。晶圆片与掩模版对准后，二者将被压紧，使得掩模版与晶圆片表面的光刻胶直接接触。移开显微镜物镜后，将压紧的晶圆片与掩模版移入曝光台进行曝光。汞灯发出的光经透镜准直平行照射掩模版，由于掩模版与晶圆片上的光刻胶层直接接触，所以曝光后掩模图形按照1:1的比例移转印至光刻胶层。

接触式光刻设备是最为简单、经济的光学光刻设备，且可实现亚微米级的特征尺寸图形的曝光，因此至今仍应用于小批量产品制造和实验室研究中。在大规模的集成电路生产中，为避免因掩模版与晶圆片的直接接触而导致的光刻成本上升，接近式光刻技术得以引入。

接近式光刻技术于20世纪70年代在小规模集成电路时代与中规模集成电路时代早期被广泛应用。与接触式光刻不同，接近式光刻中的掩模版与晶圆片上的光刻胶并未直接接触，而是留有被氮气填充的间隙。掩模版浮在氮气之上，掩模版与晶圆片之间的间隙大小由氮气的气压来决定。由于接近式光刻技术不存在晶圆片与掩模版的直接接触，减少了光刻过程中引入的缺陷，从而降低了掩模版的损耗，提高了晶圆片成品率。接近式光刻技术中，晶圆片与掩模版存在的间隙使得晶圆片处于菲涅耳衍射区域。而衍射的存在限制了接近式光刻设备分辨率的进一步提高，因此该技术主要适用于特征尺寸在3μm以上的集成电路生产。

4.2 步进重复光刻机

步进重复光刻机是晶圆片光刻工艺发展史上最重要的设备之一，它推动光刻亚微米工艺迈入了量产阶段。步进重复光刻机利用22mm × 22mm的典型静态曝光视场和缩小比为5:1或4:1的光学投影物镜，将掩模版上的图形转印到晶圆片上。

步进重复光刻机一般由曝光分系统、工件台分系统、掩模台分系统、调焦/调平分系统、对准分系统、主框架分系统、晶圆片传输分系统、掩模传输分系统、电子分系统和软件分系统组成。典型的步进重复光刻机工作过程为：

首先，利用晶圆片传输分系统将涂覆好光刻胶的晶圆片传输到工件台上，同时利用掩模传输分系统将需要曝光的掩模传输到掩模台上；

然后，系统利用调焦/调平分系统对工件台上载有的晶圆片进行多点高度测量，获得待曝光晶圆片表面的高度和倾斜角度等信息，以便在曝光过程中始终将晶圆片曝光区域控制在投影物镜焦深范围内；

随后，系统利用对准分系统对掩模和晶圆片进行对准，以便在曝光过程中控制掩模图像与晶圆片图形转印的位置精度始终在套刻要求范围内；

最后，按规定路径完成晶圆片整面的步进-曝光动作，实现图形转印功能。

后续发展起来的步进扫描光刻机是在上述基本工作过程的基础上，将步进→曝光改进为扫描→曝光，调焦/调平→对准→曝光在双台机型上改进为测量（调焦/调平→对准）与扫描曝光并行。

与步进扫描光刻机相比，由于步进重复光刻机不需要实现掩模和晶圆片同步反向扫描，在结构上不需要扫描掩模台和同步扫描控制系统，因而结构相对简单、成本相对较低、工作可靠。

IC工艺进入0.25μm后，由于步进扫描光刻机在扫描曝光视场尺寸及曝光均匀性上均具有优势，使得步进重复光刻机的应用开始缩减。目前，Nikon提供的最新型步进重复光刻机具有与步进扫描光刻机同样大的静态曝光视场，每小时可加工200片以上的晶圆片，具有极高的生产效率，此类光刻机目前主要用于IC非关键层的制造。

4.3 步进扫描光刻机

步进扫描光刻机的应用始于20世纪90年代。通过配置不同的曝光光源，步进扫描技术可支撑不同的工艺技术节点，从365nm、248nm、193nm浸没式，直至EUV光刻。与步进重复光刻机不同，步进扫描光刻机的单场曝光采用动态扫描方式，即掩模版相对晶圆片同步完成扫描运动；完成当前场曝光后，晶圆片由工件台承载步进至下一扫描场位置，继续进行重复曝光；重复步进并扫描曝光多次，直至整个晶圆片所有场曝光完毕。

通过配置不同种类的光源（如i线、KrF、ArF），步进扫描光刻机可支撑半导体前道工艺几乎所有的技术节点。典型的硅基底CMOS工艺，从0.18μm节点开始便大量采用步进扫描光刻机；目前在7nm以下工艺节点使用的极紫外（EUV）光刻机也采用步进扫描方式。经部分适应性改造，步进扫描光刻机也可以支撑MEMS、功率器件、射频器件等诸多非硅基底工艺的研发与生产。

步进扫描投影光刻机的主要生产厂商包括ASML（荷兰）、Nikon（日本）、Canon（日本）和SMEE（中国）。ASML于2001年推出了TWINSCAN系列步进扫描光刻机，它采用双工件台系统架构，可以有效地提高设备产出率，已成为目前应用最为广泛的高端光刻机。

4.4 浸没式光刻机

由瑞利公式可知，在曝光波长不变的情况下，进一步提高成像分辨率的有效方法是增大成像系统的数值孔径。对于45nm以下及更高的成像分辨率，采用ArF干法曝光方式已经无法满足要求（因其最大支持65nm成像分辨率），故而需要引入浸没式光刻方法。传统的光刻技术中，其镜头与光刻胶之间的介质是空气，而浸没式光刻技术是将空气介质换成液体（通常是折射率为1.44的超纯水）。实际上，浸没式光刻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。虽然浸没式光刻机是步进扫描光刻机中的一种，其设备整机系统方案也没有变化，但由于引入了与浸没相关的关键技术，所以它属于ArF步进扫描光刻机的改型与拓展。

浸没式光刻的优点在于，由于系统数值孔径的增大，提升了步进扫描光刻机的成像分辨能力，可以满足45nm以下成像分辨率的工艺要求。

由于浸没式光刻机仍然沿用ArF光源，因此保证了工艺的延续性，节省了光源、设备及工艺的研发成本。在此基础上，结合多重图形和计算光刻技术，浸没式光刻机得以在22nm及以下工艺节点应用。在EUV光刻机正式投入量产前，浸没式光刻机已得到广泛的应用，并能够满足7nm节点的工艺要求。但是，由于浸没液体的引入，导致设备本身工程难度大幅度增加，其关键技术包括浸没液体供给与回收技术、浸没式液场维持技术、浸没式光刻污染与缺陷控制技术、超大数值孔径浸液式投影物镜开发与维护、浸液条件下成像质量检测技术等。

目前，商用的ArFi步进扫描光刻机主要由两家公司提供，即荷兰的ASML与日本的尼康。其中，ASML NXT1980 Di的单台售价约为8000万欧元。

4.4 极紫外光刻机

为了提高光刻分辨率，在采用准分子光源后进一步缩短曝光波长，引入波长为10～14nm的极紫外光作为曝光光源。极紫外光的波长极短，可使用的反射式光学系统也通常由Mo/Si或Mo/Be等多层膜反射镜组成。其中，Mo/Si多层膜在13.0～13.5nm波长范围内的反射率的理论最大值约为70%，Mo/Be多层膜在更短的11.1nm波长处的反射率的理论最大值约为80%。虽然Mo/Be多层膜反射镜的反射率更高，但是Be的毒性较强，因此在研发EUV光刻技术时放弃了对此类材料的研究。现在的EUV光刻技术采用的是Mo/Si多层膜，其曝光波长也确定为13.5nm。

主流的极紫外光源采用激光致等离子体（Laser-produced Plasma，LPP）技术，通过高强度激光激发热熔状态的Sn等离子体发光。长期以来，光源功率与可用性是制约EUV光刻机效率的瓶颈，通过主振荡功率放大器、预测等离子体（Predictive Plasma，PP）技术和原位收集镜清洁技术，EUV光源的功率及稳定性得到大幅的提高。

EUV光刻机主要由光源、照明、物镜、工件台、掩模台、晶圆片对准、调焦/调平、掩模传输、晶圆片传输、真空框架等分系统组成。极紫外光经过多层镀膜的反射镜组成的照明系统后，照射在反射掩模上，被掩模反射的光进入由一系列反射镜构成的光学全反射成像系统，并最终在真空环境下将掩模的反射像投影在晶圆片表面。EUV光刻机的曝光视场和成像视场均为弧形，并采用步进扫描方式实现全晶圆片曝光，以提高产出率。ASML公司的最先进的NXE系列EUV光刻机采用波长为13.5nm的曝光光源、反射型掩模（6 °角斜入射）、6镜结构的4倍缩小反射投影物镜系统（NA=0.33）、扫描视场为26mm × 33mm、真空曝光环境。

相对于浸没式光刻机，采用极紫外光源的EUV光刻机的单次曝光分辨率得到大幅的提高，可有效地避免因多次光刻刻蚀形成高分辨率图形所需的复杂工艺。目前数值孔径为0.33的NXE 3400B光刻机的单次曝光分辨率达到13nm，产出率达到125片/h。为了满足摩尔定律进一步延伸的需求，未来使用数值孔径为0.5的EUV光刻机将采用中心拦光的投影物镜系统，采用0.25倍/0.125倍的非对称倍率，扫描曝光视场从26m × 33mm缩小为26mm × 16.5mm，单次曝光分辨率可达8nm以下。