光刻技術(shù)的工藝流程和曝光系統(tǒng)

集成電路制造中利用光學(xué)- 化學(xué)反應(yīng)原理和化學(xué)、物理刻蝕方法，將電路圖形傳遞到單晶表面或介質(zhì)層上，形成有效圖形窗口或功能圖形的工藝技術(shù)。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，光刻技術(shù)傳遞圖形的尺寸限度縮小了2～3個(gè)數(shù)量級(jí)(從毫米級(jí)到亞微米級(jí))，已從常規(guī)光學(xué)技術(shù)發(fā)展到應(yīng)用電子束、 X射線、微離子束、激光等新技術(shù);使用波長(zhǎng)已從4000埃擴(kuò)展到 0.1埃數(shù)量級(jí)范圍。光刻技術(shù)成為一種精密的微細(xì)加工技術(shù)。

光刻技術(shù)是指在光照作用下，借助光致抗蝕劑(又名光刻膠)將掩膜版上的圖形轉(zhuǎn)移到基片上的技術(shù)。其主要過(guò)程為：首先紫外光通過(guò)掩膜版照射到附有一層光刻膠薄膜的基片表面，引起曝光區(qū)域的光刻膠發(fā)生化學(xué)反應(yīng);再通過(guò)顯影技術(shù)溶解去除曝光區(qū)域或未曝光區(qū)域的光刻膠(前者稱正性光刻膠，后者稱負(fù)性光刻膠)，使掩膜版上的圖形被復(fù)制到光刻膠薄膜上;最后利用刻蝕技術(shù)將圖形轉(zhuǎn)移到基片上。

兩種工藝常規(guī)光刻技術(shù)是采用波長(zhǎng)為2000～4500埃的紫外光作為圖像信息載體，以光致抗蝕劑為中間(圖像記錄)媒介實(shí)現(xiàn)圖形的變換、轉(zhuǎn)移和處理，最終把圖像信息傳遞到晶片(主要指硅片)或介質(zhì)層上的一種工藝。在廣義上，它包括光復(fù)印和刻蝕工藝兩個(gè)主要方面。①光復(fù)印工藝：經(jīng)曝光系統(tǒng)將預(yù)制在掩模版上的器件或電路圖形按所要求的位置，精確傳遞到預(yù)涂在晶片表面或介質(zhì)層上的光致抗蝕劑薄層上。②刻蝕工藝：利用化學(xué)或物理方法，將抗蝕劑薄層未掩蔽的晶片表面或介質(zhì)層除去，從而在晶片表面或介質(zhì)層上獲得與抗蝕劑薄層圖形完全一致的圖形。集成電路各功能層是立體重疊的，因而光刻工藝總是多次反復(fù)進(jìn)行。例如，大規(guī)模集成電路要經(jīng)過(guò)約10次光刻才能完成各層圖形的全部傳遞。在狹義上，光刻工藝僅指光復(fù)印工藝,即從④到⑤或從③到⑤的工藝過(guò)程。曝光方式常用的曝光方式分類如下：接觸式曝光和非接觸式曝光的區(qū)別，在于曝光時(shí)掩模與晶片間相對(duì)關(guān)系是貼緊還是分開(kāi)。接觸式曝光具有分辨率高、復(fù)印面積大、復(fù)印精度好、曝光設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便和生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)。但容易損傷和沾污掩模版和晶片上的感光膠涂層,影響成品率和掩模版壽命,對(duì)準(zhǔn)精度的提高也受到較多的限制。一般認(rèn)為，接觸式曝光只適于分立元件和中、小規(guī)模集成電路的生產(chǎn)。非接觸式曝光主要指投影曝光。在投影曝光系統(tǒng)中，掩膜圖形經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像在感光層上，掩模與晶片上的感光膠層不接觸,不會(huì)引起損傷和沾污,成品率較高，對(duì)準(zhǔn)精度也高，能滿足高集成度器件和電路生產(chǎn)的要求。但投影曝光設(shè)備復(fù)雜，技術(shù)難度高，因而不適于低檔產(chǎn)品的生產(chǎn)。現(xiàn)代應(yīng)用最廣的是 1:1倍的全反射掃描曝光系統(tǒng)和x:1倍的在硅片上直接分步重復(fù)曝光系統(tǒng)。

介紹直接分步重復(fù)曝光系統(tǒng) (DSW) 　超大規(guī)模集成電路需要有高分辨率、高套刻精度和大直徑晶片加工。直接分步重復(fù)曝光系統(tǒng)是為適應(yīng)這些相互制約的要求而發(fā)展起來(lái)的光學(xué)曝光系統(tǒng)。主要技術(shù)特點(diǎn)是：①采用像面分割原理，以覆蓋最大芯片面積的單次曝光區(qū)作為最小成像單元，從而為獲得高分辨率的光學(xué)系統(tǒng)創(chuàng)造條件。②采用精密的定位控制技術(shù)和自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行重復(fù)曝光，以組合方式實(shí)現(xiàn)大面積圖像傳遞，從而滿足晶片直徑不斷增大的實(shí)際要求。③縮短圖像傳遞鏈，減少工藝上造成的缺陷和誤差，可獲得很高的成品率。④采用精密自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)，避免高溫工藝引起的晶片變形對(duì)成像質(zhì)量的影響。⑤采用原版自動(dòng)選擇機(jī)構(gòu)(版庫(kù))，不但有利于成品率的提高，而且成為能靈活生產(chǎn)多電路組合的常規(guī)曝光系統(tǒng)。這種系統(tǒng)屬于精密復(fù)雜的光、機(jī)、電綜合系統(tǒng)。它在光學(xué)系統(tǒng)上分為兩類。一類是全折射式成像系統(tǒng)，多采用1/5～1/10的縮小倍率,技術(shù)較成熟;一類是1:1倍的折射-反射系統(tǒng)，光路簡(jiǎn)單，對(duì)使用條件要求較低。