光刻技术原理及应用

随着半导体技术的发展，光刻技术传递图形的尺寸限度缩小了2～3个数量级（从毫米级到亚微米级），已从常规光学技术发展到应用电子束、 X射线、微离子束、激光等新技术；使用波长已从4000埃扩展到 0.1埃数量级范围。光刻技术成为一种精密的微细加工技术。
　　常规光刻技术是采用波长为2000～4500埃的紫外光作为图像信息载体，以光致抗蚀剂为中间（图像记录）媒介实现图形的变换、转移和处理，最终把图像信息传递到晶片(主要指硅片)或介质层上的一种工艺（图1）。在广义上，它包括光复印和刻蚀工艺两个主要方面。

　①光复印工艺：经曝光系统将预制在掩模版上的器件或电路图形按所要求的位置，精确传递到预涂在晶片表面或介质层上的光致抗蚀剂薄层上。

　②刻蚀工艺：利用化学或物理方法，将抗蚀剂薄层未掩蔽的晶片表面或介质层除去，从而在晶片表面或介质层上获得与抗蚀剂薄层图形完全一致的图形。集成电路各功能层是立体重叠的，因而光刻工艺总是多次反复进行。例如，大规模集成电路要经过约10次光刻才能完成各层图形的全部传递。
　　在狭义上，光刻工艺仅指光复印工艺。
曝光方式
　　常用的曝光方式分类如下：
　　接触式曝光和非接触式曝光的区别，在于曝光时掩模与晶片间相对关系是贴紧还是分开。接触式曝光具有分辨率高、复印面积大、复印精度好、曝光设备简单、操作方便和生产效率高等特点。但容易损伤和沾污掩模版和晶片上的感光胶涂层,影响成品率和掩模版寿命,对准精度的提高也受到较多的限制。一般认为，接触式曝光只适于分立元件和中、小规模集成电路的生产

。
　　非接触式曝光主要指投影曝光。在投影曝光系统中，掩膜图形经光学系统成像在感光层上，掩模与晶片上的感光胶层不接触,不会引起损伤和沾污,成品率较高，对准精度也高，能满足高集成度器件和电路生产的要求。但投影曝光设备复杂，技术难度高，因而不适于低档产品的生产。现代应用最广的是 1:1倍的全反射扫描曝光系统和x:1倍的在硅片上直接分步重复曝光系统。
　光致抗蚀剂
　　简称光刻胶或抗蚀剂，指光照后能改变抗蚀能力的高分子化合物。光蚀剂分为两大类。①正性光致抗蚀剂：受光照部分发生降解反应而能为显影液所溶解。留下的非曝光部分的图形与掩模版一致。正性抗蚀剂具有分辨率高、对驻波效应不敏感、曝光容限大、针孔密度低和无毒性等优点，适合于高集成度器件的生产。
②负性光致抗蚀剂：受光照部分产生交链反应而成为不溶物，非曝光部分被显影液溶解，获得的图形与掩模版图形互补。负性抗蚀剂的附着力强、灵敏度高、显影条件要求不严，适于低集成度的器件的生产。
　　半导体器件和集成电路对光刻曝光技术提出了越来越高的要求，在单位面积上要求完善传递图像的信息量已接近常规光学的极限。光刻曝光的常用波长是3650～4358 埃，预计实用分辨率约为1微米。几何光学的原理，允许将波长向下延伸至约2000埃的远紫外波长，此时可达到的实用分辨率约为0.5～0.7微米。

微米级图形的光复印技术除要求先进的曝光系统外,对抗蚀剂的特性、成膜技术、显影技术、超净环境控制技术、刻蚀技术、硅片平整度、变形控制技术等也有极高的要求。因此，工艺过程的自动化和数学模型化是两个重要的研究方向。



　　直接分步重复曝光系统 (DSW)
　　超大规模集成电路需要有高分辨率、高套刻精度和大直径晶片加工。直接分步重复曝光系统是为适应这些相互制约的要求而发展起来的光学曝光系统。

主要技术特点是：①采用像面分割原理，以覆盖最大芯片面积的单次曝光区作为最小成像单元，从而为获得高分辨率的光学系统创造条件。②采用精密的定位控制技术和自动对准技术进行重复曝光，以组合方式实现大面积图像传递，从而满足晶片直径不断增大的实际要求。③缩短图像传递链，减少工艺上造成的缺陷和误差，可获得很高的成品率。

④采用精密自动调焦技术，避免高温工艺引起的晶片变形对成像质量的影响。

⑤采用原版自动选择机构（版库），不但有利于成品率的提高，而且成为能灵活生产多电路组合的常规曝光系统。这种系统属于精密复杂的光、机、电综合系统。它在光学系统上分为两类。一类是全折射式成像系统，多采用1/5～1/10的缩小倍率,技术较成熟；一类是1:1倍的折射-反射系统，光路简单，对使用条件要求较低。