基本介紹
光刻光刻工藝也被稱為大家熟知的Photomasking，masking，photolithography，或microlithography。在晶圓的製造過程中，晶體三極體、二極體、電容、電阻和金屬層的各種物理部件在晶圓表面或表層內構成。這些部件是每次在一個掩膜層上生成的，並且結合生成薄膜及去除特定部分，通過光刻工藝過程，最終在晶圓上保留特徵圖形的部分。光刻生產的目標是根據電路設計的要求，生成尺寸精確的特徵圖形，並且在晶圓表面的位置正確且與其它部件（parts）的關聯正確。
光刻是所有四個基本工藝中最關鍵的。光刻確定了器件的關鍵尺寸。光刻過程中的錯誤可造成圖形歪曲或套準不好，最終可轉化為對器件的電特性產生影響。圖形的錯位也會導致類似的不良結果。光刻工藝中的另一個問題是缺陷。光刻是高科技版本的照相術，只不過是在難以置信的微小尺寸下完成。在製程中的污染物會造成缺陷。事實上由於光刻在晶圓生產過程中要完成5層至20層或更多，所以污染問題將會放大。
光刻流程
一般的光刻工藝要經歷矽片表面清洗烘乾、塗底、鏇塗光刻膠、軟烘、對準曝光、後烘、顯影、硬烘、刻蝕、檢測等工序。
矽片清洗烘乾
1、矽片清洗烘乾（Cleaning and Pre-Baking）
方法：濕法清洗+去離子水沖洗+脫水烘焙（熱板150～250C,1～2分鐘，氮氣保護）
目的：a、除去表面的污染物（顆粒、有機物、工藝殘餘、可動離子）；b、除去水蒸氣，使基底表面由親水性變為憎水性，增強表面的黏附性（對光刻膠或者是HMDS-〉六甲基二矽胺烷）。
塗底
2、塗底（Priming）
方法：a、氣相成底膜的熱板塗底。HMDS蒸氣澱積，200～250C,30秒鐘；優點：塗底均勻、避免顆粒污染；b、鏇轉塗底。缺點：顆粒污染、塗底不均勻、HMDS用量大。
目的：使表面具有疏水性，增強基底表面與光刻膠的黏附性。
鏇轉塗膠
3、鏇轉塗膠（Spin-on PR Coating）
方法：a、靜態塗膠（Static）。矽片靜止時，滴膠、加速鏇轉、甩膠、揮發溶劑（原光刻膠的溶劑約占65～85%,鏇塗後約占10～20%）；b、動態（Dynamic）。低速鏇轉（500rpm_rotation per minute）、滴膠、加速鏇轉（3000rpm）、甩膠、揮發溶劑。
決定光刻膠塗膠厚度的關鍵參數：光刻膠的黏度（Viscosity），黏度越低，光刻膠的厚度越薄；鏇轉速度，速度越快，厚度越薄；
影響光刻膠均勻性的參數：鏇轉加速度，加速越快越均勻；與鏇轉加速的時間點有關。
一般鏇塗光刻膠的厚度與曝光的光源波長有關（因為不同級別的曝光波長對應不同的光刻膠種類和解析度）：I-line最厚，約0.7～3μm；KrF的厚度約0.4～0.9μm；ArF的厚度約0.2～0.5μm。
軟烘
4、軟烘（Soft Baking）
方法：真空熱板，85～120C,30～60秒；
目的：除去溶劑（4～7%）；增強黏附性；釋放光刻膠膜內的應力；防止光刻膠玷污設備；
邊緣光刻膠
5、邊緣光刻膠的去除（EBR，Edge Bead Removal）。
光刻膠塗復後，在矽片邊緣的正反兩面都會有光刻膠的堆積。邊緣的光刻膠一般塗布不均勻，不能得到很好的圖形，而且容易發生剝離（Peeling）而影響其它部分的圖形。所以需要去除。
方法：a、化學的方法（Chemical EBR）。軟烘後，用PGMEA或EGMEA去邊溶劑，噴出少量在正反面邊緣處，並小心控制不要到達光刻膠有效區域；b、光學方法（Optical EBR）。即矽片邊緣曝光（WEE，Wafer Edge Exposure）。在完成圖形的曝光後，用雷射曝光矽片邊緣，然後在顯影或特殊溶劑中溶解；
對準
6、對準（Alignment）
對準方法：a、預對準，通過矽片上的notch或者flat進行雷射自動對準；b、通過對準標誌（Align Mark），位於切割槽（Scribe Line）上。另外層間對準，即套刻精度（Overlay），保證圖形與矽片上已經存在的圖形之間的對準。
曝光
7、曝光（Exposure）
曝光中最重要的兩個參數是：曝光能量（Energy）和焦距（Focus）。如果能量和焦距調整不好，就不能得到要求的解析度和大小的圖形。表現為圖形的關鍵尺寸超出要求的範圍。
曝光方法：
a、接觸式曝光（Contact Printing）。掩膜板直接與光刻膠層接觸。曝光出來的圖形與掩膜板上的圖形解析度相當，設備簡單。缺點：光刻膠污染掩膜板；掩膜板的磨損，壽命很低（只能使用5～25次）；1970前使用，解析度〉0.5μm。
b、接近式曝光（Proximity Printing）。掩膜板與光刻膠層的略微分開，大約為10～50μm。可以避免與光刻膠直接接觸而引起的掩膜板損傷。但是同時引入了衍射效應，降低了解析度。1970後適用，但是其最大解析度僅為2～4μm。
c、投影式曝光（Projection Printing）。在掩膜板與光刻膠之間使用透鏡聚集光實現曝光。一般掩膜板的尺寸會以需要轉移圖形的4倍製作。優點：提高了解析度；掩膜板的製作更加容易；掩膜板上的缺陷影響減小。
投影式曝光分類：
掃描投影曝光（Scanning Project Printing）。70年代末～80年代初，〉1μm工藝；掩膜板1：1，全尺寸；
步進重複投影曝光（Stepping-repeating Project Printing或稱作Stepper）。80年代末～90年代，0.35μm（I line）～0.25μm（DUV）。掩膜板縮小比例（4：1），曝光區域（Exposure Field）22×22mm（一次曝光所能復蓋的區域）。增加了稜鏡系統的製作難度。
掃描步進投影曝光（Scanning-Stepping Project Printing）。90年代末～至今，用於≤0.18μm工藝。採用6英寸的掩膜板按照4：1的比例曝光，曝光區域（Exposure Field）26×33mm。優點：增大了每次曝光的視場；提供矽片表面不平整的補償；提高整個矽片的尺寸均勻性。但是，同時因為需要反向運動，增加了機械系統的精度要求。
在曝光過程中，需要對不同的參數和可能缺陷進行跟蹤和控制，會用到檢測控制晶片/控片（Monitor Chip）。根據不同的檢測控制對象，可以分為以下幾種：a、顆粒控片（Particle MC）：用於晶片上微小顆粒的監控，使用前其顆粒數應小於10顆；b、卡盤顆粒控片（Chuck Particle MC）：測試光刻機上的卡盤平坦度的專用晶片，其平坦度要求非常高；c、焦距控片（Focus MC）：作為光刻機監控焦距監控；d、關鍵尺寸控片（Critical Dimension MC）：用於光刻區關鍵尺寸穩定性的監控；e、光刻膠厚度控片（PhotoResist Thickness MC）：光刻膠厚度測量；f、光刻缺陷控片（PDM，Photo Defect Monitor）：光刻膠缺陷監控。
舉例：0.18μm的CMOS掃描步進光刻工藝。
光源：KrF氟化氪DUV光源（248nm）；
數值孔徑NA：0.6～0.7；
焦深DOF：0.7μm；
解析度Resolution：0.18～0.25μm（一般採用了偏軸照明OAI_Off-Axis Illumination和相移掩膜板技術PSM_Phase Shift Mask增強）；
套刻精度Overlay：65nm；
產能Throughput：30～60wafers/hour（200mm）；
視場尺寸Field Size：25×32mm；
後烘
8、後烘（PEB，Post Exposure Baking）
方法：熱板，110～130C,1分鐘。
目的：a、減少駐波效應；b、激發化學增強光刻膠的PAG產生的酸與光刻膠上的保護基團發生反應並移除基團使之能溶解於顯影液。
顯影
9、顯影（Development）
方法：a、整盒矽片浸沒式顯影（Batch Development）。缺點：顯影液消耗很大；顯影的均勻性差；b、連續噴霧顯影（Continuous Spray Development）/自動鏇轉顯影（Auto-rotation Development）。一個或多個噴嘴噴灑顯影液在矽片表面，同時矽片低速鏇轉（100～500rpm）。噴嘴噴霧模式和矽片鏇轉速度是實現矽片間溶解率和均勻性的可重複性的關鍵調節參數。c、水坑（鏇復浸沒）式顯影（Puddle Development）。噴復足夠（不能太多，最小化背面濕度）的顯影液到矽片表面，並形成水坑形狀（顯影液的流動保持較低，以減少邊緣顯影速率的變化）。矽片固定或慢慢鏇轉。一般採用多次鏇復顯影液：第一次塗復、保持10～30秒、去除；第二次塗復、保持、去除。然後用去離子水沖洗（去除矽片兩面的所有化學品）並鏇轉甩乾。優點：顯影液用量少；矽片顯影均勻；最小化了溫度梯度。
顯影液：a、正性光刻膠的顯影液。正膠的顯影液位鹼性水溶液。KOH和NaOH因為會帶來可動離子污染（MIC，Movable Ion Contamination），所以在IC製造中一般不用。最普通的正膠顯影液是四甲基氫氧化銨（TMAH）（標準當量濃度為0.26，溫度15～25C）。在I線光刻膠曝光中會生成羧酸，TMAH顯影液中的鹼與酸中和使曝光的光刻膠溶解於顯影液，而未曝光的光刻膠沒有影響；在化學放大光刻膠（CAR，Chemical Amplified Resist）中包含的酚醛樹脂以PHS形式存在。CAR中的PAG產生的酸會去除PHS中的保護基團（t-BOC），從而使PHS快速溶解於TMAH顯影液中。整個顯影過程中，TMAH沒有同PHS發生反應。b、負性光刻膠的顯影液。二甲苯。清洗液為乙酸丁脂或乙醇、三氯乙烯。
顯影中的常見問題：a、顯影不完全（Incomplete Development）。表面還殘留有光刻膠。顯影液不足造成；b、顯影不夠（Under Development）。顯影的側壁不垂直，由顯影時間不足造成；c、過度顯影（Over Development）。靠近表面的光刻膠被顯影液過度溶解，形成台階。顯影時間太長。
硬烘
10、硬烘（Hard Baking）
方法：熱板，100～130C（略高於玻璃化溫度Tg），1～2分鐘。
目的：a、完全蒸發掉光刻膠裡面的溶劑（以免在污染後續的離子注入環境，例如DNQ酚醛樹脂光刻膠中的氮會引起光刻膠局部爆裂）；b、堅膜，以提高光刻膠在離子注入或刻蝕中保護下表面的能力；c、進一步增強光刻膠與矽片表面之間的黏附性；d、進一步減少駐波效應（Standing Wave Effect）。
常見問題：a、烘烤不足（Underbake）。減弱光刻膠的強度（抗刻蝕能力和離子注入中的阻擋能力）；降低針孔填充能力（Gapfill Capability for the needle hole）；降低與基底的黏附能力。b、烘烤過度（Overbake）。引起光刻膠的流動，使圖形精度降低，解析度變差。
另外還可以用深紫外線（DUV，Deep Ultra-Violet）堅膜。使正性光刻膠樹脂發生交聯形成一層薄的表面硬殼，增加光刻膠的熱穩定性。在後面的等離子刻蝕和離子注入（125～200C）工藝中減少因光刻膠高溫流動而引起解析度的降低。
準分子技術
準分子光刻技術作為當前主流的光刻技術，主要包括：特徵尺寸為0．1μm的248 nm KrF準分子雷射技術；特徵尺寸為90 nm的193 nm ArF準分子雷射技術；特徵尺寸為65 nm的193 nm ArF浸沒式技術（Immersion，193i）。其中193 nm浸沒式光刻技術是所有光刻技術中最為長壽且最富有競爭力的，也是目前如何進一步發揮其潛力的研究熱點。傳統光刻技術光刻膠與曝光鏡頭之間的介質是空氣，而浸沒式技術則是將空氣換成液體介質。實際上，由於液體介質的折射率相比空氣介質更接近曝光透鏡鏡片材料的折射率，等效地加大了透鏡口徑尺寸與數值孔徑（NA），同時可以顯著提高焦深（DOF）和曝光工藝的寬容度（EL），浸沒式光刻技術正是利用這個原理來提高其解析度。
世界三大光刻機生產商ASML，Nikon和Cannon的第一代浸沒式光刻機樣機都是在原有193nm乾式光刻機的基礎上改進研製而成，大大降低了研發成本和風險。因為浸沒式光刻系統的原理清晰而且配合現有的光刻技術變動不大，目前193nm ArF準分子雷射光刻技術在65nm以下節點半導體量產中已經廣泛套用；ArF浸沒式光刻技術在45nm節點上是大生產的主流技術。
為把193i技術進一步推進到32和22nm的技術節點上，光刻專家一直在尋找新的技術，在沒有更好的新光刻技術出現前，兩次曝光技術（或者叫兩次成型技術，DPT）成為人們關注的熱點。ArF浸沒式兩次曝光技術已被業界認為是32nm節點最具競爭力的技術；在更低的22nm節點甚至16nm節點技術中，浸沒式光刻技術也具有相當大的優勢。
浸沒式光刻技術所面臨的挑戰主要有：如何解決曝光中產生的氣泡和污染等缺陷的問題；研發和水具有良好的兼容性且折射率大於1．8的光刻膠的問題；研發折射率較大的光學鏡頭材料和浸沒液體材料；以及有效數值孔徑NA值的拓展等問題。針對這些難題挑戰，國內外學者以及ASML，Nikon和IBM等公司已經做了相關研究並提出相應的對策。浸沒式光刻機將朝著更高數值孔徑發展，以滿足更小光刻線寬的要求。
極紫外技術
提高光刻技術解析度的傳統方法是增大鏡頭的NA或縮短波長，通常首先採用的方法是縮短波長。早在80年代，極紫外光刻技術就已經開始理論的研究和初步的實驗，該技術的光源是波長為11～14 nm的極端遠紫外光，其原理主要是利用曝光光源極短的波長達到提高光刻技術解析度的目的。由於所有的光學材料對該波長的光有強烈的吸收，所以只能採取反射式的光路。EUV系統主要由四部分組成，即反射式投影曝光系統、反射式光刻掩模版、極紫外光源系統和能用於極紫外的光刻塗層。其主要成像原理是光波波長為10～14nm的極端遠紫外光波經過周期性多層膜反射鏡投射到反射式掩模版上，通過反射式掩模版反射出的極紫外光波再通過由多面反射鏡組成的縮小投影系統，將反射式掩模版上的積體電路幾何圖形投影成像到矽片表面的光刻膠中，形成積體電路製造所需要的光刻圖形。
目前EUV技術採用的曝光波長為13．5nm，由於其具有如此短的波長，所有光刻中不需要再使用光學鄰近效應校正（OPC）技術，因而它可以把光刻技術擴展到32nm以下技術節點。2009年9月Intel第一次向世人展示了22 nm工藝晶圓，稱繼續使用193nm浸沒式光刻技術，並規劃與EUV及EBL曝光技術相配合，使193nm浸沒式光刻技術延伸到15和11nm工藝節點。
電子束技術
電子束光刻技術是利用電子槍所產生的電子束，通過電子光柱的各極電磁透鏡聚焦、對中、各種象差的校正、電子束斑調整、電子束流調整、電子束曝光對準標記檢測、電子束偏轉校正、電子掃描場畸變校正等一系列調整，最後通過掃描透鏡根據電子束曝光程式的安排，在塗布有電子抗蝕劑（光刻膠）的基片表面上掃描寫出所需要的圖形。
電子束光刻基本上分兩大類，一類是大生產光掩模版製造的電子束曝光系統，另一類是直接在基片上直寫納米級圖形的電子束光刻系統。電子束光刻技術起源於掃描電鏡，最早由德意志聯邦共和國杜平根大學的G．Mollenstedt等人在20世紀60年代提出。電子束曝光的波長取決於電子能量，電子能量越高，曝光的波長越短，大體在10－6nm量級上，因而電子束光刻不受衍射極限的影響，所以電子束光刻可獲得接近於原子尺寸的解析度。
但是，由於電子束入射到抗蝕劑及基片上時，電子會與固體材料的原子發生“碰撞”產生電子散射現象，包括前散射和背散射電子，這些散射電子同樣也參與“曝光”，前散射電子波及範圍可在幾十納米，從基片上返回抗蝕劑中背散射電子可波及到幾十微米之遠。所有實際電子束曝光、顯影后圖形的邊緣要往外擴展，這就是所謂的“電子束鄰近效應。同時，半導體基片上如果有絕緣的介質膜，電子通過它時也會產生一定量的電荷積累，這些積累的電荷同樣會排斥後續曝光的電子，產生偏移，而不導電的絕緣體（如玻璃片）肯定不能採用電子束曝光。還有空間交變磁場、實驗室溫度變化等都會引起電子束曝光產生“漂移”現象。因此，即使擁有2nm電子束斑的曝光系統，要曝光出50nm以下的圖形結構也不容易。麻省理工學院（MIT）已經採用的電子束光刻技術解析度將推進到9nm。電子束直寫光刻可以不需要
製造掩模版，比較靈活。但由於其曝光效率低，主要用於實驗室小樣品納米製造。而電子束曝光要適應大批量生產，如何進一步提高曝光速度是個難題。為了解決電子束光刻的效率問題，通常將其與其他光刻技術配合使用。例如為解決曝光效率問題，通常採用電子束光刻與光學光刻進行匹配與混合光刻的辦法，即大部分曝光工藝仍然採用現有十分成熟的半導體光學光刻工藝製備，只有納米尺度的圖形或者工藝層由電子束光刻實現。
在傳統光學光刻技術逼近工藝極限的情況下，電子束光刻技術將有可能出現在與目前193i為代表的光學曝光技術及EUV技術相匹配的混合光刻中，在實現10nm級光刻中起重要的作用。應該提到的是電子束曝光技術是推動微電子技術和微細加工技術進一步發展的關鍵技術，在微電子、微光學和微機械等微系統微細加工領域有著廣泛的套用前。
