光刻工藝：與小時候玩的“日光照相”原理相似，光刻包括曝光裝置、感光材料的光刻膠、有版圖的掩膜版，還包括涂膠顯影工藝。

圖1、光刻工藝的流程

光刻的工藝流程主要如圖1所示，首先，在準備刻蝕的薄膜上面涂上光刻膠，

該工序使用涂膠裝置(涂膠機)。為了去除光刻膠中含有的溶劑，在70 ~ 90°C的溫度下進行前烘(Pre -Bake)。在曝光裝置上“繪制”掩膜圖形。接下來進行顯影，只留下必要的光刻膠。之后，為了完全去除顯影液和清洗液成分，增強與刻蝕物的附著性，在100℃左右進行后烘(Past Bake)。有時候，前烘被稱為較烘，后烘被稱為硬烘。這是系列化的光刻流程。

如上所述，光刻只是創建光刻膠的圖形。從這個意義來說，光刻與草圖或素插相當，刻蝕和灰化是實際繪畫的過程。

接觸式曝光：將掩膜版與晶圓接觸進行曝光，光學系統簡單、價格較低，缺點是晶圓上的灰塵會黏到掩膜版上以及硅片會劃傷掩膜版。此外，接觸式曝光需要掩膜版覆蓋晶圓的全部區域，曝光圖形是1：1復制，因此，曝光精度不高，一般在微米量級。

圖2、接觸式曝光示意圖

縮小投影：為解決接觸式曝光的問題，開發了縮小投影曝光的方法，該方法已經實用化。使用光學系統將掩膜版圖案縮小復制到晶圓上，因此不會有灰塵黏附以及刮傷掩膜版的問題。由于光刻圖形通常縮小到1/4或者1/5，因此可以大大提高光刻的精度。

但不能像接觸式曝光一樣，晶圓和掩膜版固定不動，投影式曝光晶圓與掩膜版都會移動，有步進、重復曝光、掃描晶圓的方法。

圖3、縮小投影曝光示意圖

電子束曝光：該方法式將圖形轉換為數據，使用電子束曝光設備直接將圖案復制到光刻膠上，光刻精度很高，但是價格昂貴、耗時較長，難以量產。

推動微細化的曝光技術的演變

未來推進微細化，光的波長需要變短，因此需要開發相應的光學系統以及光刻膠。

分辨率：

λ：曝光波長

NA：鏡頭光圈（Numerical Aperture）

k：取決于工藝參數

為了提高分辨率

1、λ短波長→光源；

2、NA增大→鏡頭系統的改進

3、k因子改進→光刻膠改進和其它超分辨技術

焦深：可以看成是對焦的深度，焦深較大時，在焦深范圍內，即使晶圓表面有臺階，在臺階上下轉移圖形也不會有差異；但如果焦深較小，則存在問題。

為了提高分辨率，應減小λ，NA增大時，焦深變小。焦深變小，會導致有臺階的圖形曝光異常，因此，CMP技術也很重要。

光源和曝光設備的歷史：

為了提高分辨率，曝光波長的變短是必要的。分辨率的提高依賴于光源、光刻膠、光學系統的開發。在1um到亞微米之間，高壓汞燈的G線（G-line）被使用。半微米到亞半微米之間，統同一高壓水銀燈的I線（I-Line）被使用。

圖4、曝光光源的歷史

之后，0.35um和0.25um以下使用KrF準分子激光的246nm光源，從0.1um以下的90nm節點開始使用ArF準分子激光器的193nm光源，而且進入ArF浸液和雙重圖形的時代。

掩膜版和防塵薄膜

掩膜版：掩膜版微電子制造過程中的圖形轉移母版，掩膜版的作用是將設計者的電路圖形通過曝光的方式轉移到下游行業的基板或晶圓上，從而實現批量化生產。作為光刻復制圖形的基準和藍本，掩膜版是連接工業設計和工藝制造的關鍵，掩膜版的精度和質量水平會直接影響最終下游制品的優品率。

掩膜基板材料：合成石英為主，原材料主要依靠進口。

光刻是將掩膜版上的圖形精確地轉移到光刻膠上，所以如果掩膜版上有缺陷，也會全部轉移到光刻膠上。掩膜版是在透光的石英基板上用鉻（Cr）作為遮光材料，形成一定的圖形。如果鉻膜有缺陷、劃痕、灰塵或顆粒，都會導致圖形缺陷，降低半導體器件的成品率。掩膜版的制造、檢查和管理是前段制程生產線的重要課題。隨著微細化的發展，相移掩膜和OPC等掩膜版的結構也變得越來越復雜。 相移掩膜（PSM，Phase Shift Mask）：在掩膜板上，周期性地在相鄰的圖形、中，每隔一個圖形特征對掩膜板的結構（減薄或者加厚）進行改變，使相鄰圖形的相位相差180度，從而可以達到提升分辨率的目的，相移掩膜板技術使掩膜板的制作難度和成本大幅增加。

OPC（Optical Proximity Effect Correction）的縮寫，光學臨近效應矯正。在曝光過程中，往往會因為光學臨近效應使最后的圖形質量下降：線寬的變化；轉角的圓化；線長的縮短等。因此，需要在掩膜版上形成用于矯正圖形的輔助圖案，以以制光的臨近效應并提高分辨率。

防塵薄膜：防塵薄膜是為了防止光學掩模版上的顆粒造成圖形缺陷的薄膜，在掩膜版上幾mm的位置上，在邊框上粘一層薄薄的透明膜，這樣即使有顆粒，在防塵膜上也不會對曝光圖形造成影響。因為掩膜版與防塵膜是分開的，一般保護膜距離基板距離為6 mm，而光刻機的焦深最多100~200 nm，當顆粒投影到晶圓表面時會失焦(defocus)，在晶圓表面形成一個模糊的像，對晶圓表面條紋影響較小。

圖7、掩膜版和防灰薄膜的關系

審核編輯：郭婷