光刻工艺（半导体器件制造工艺的步骤之一）

概述

下面以衬底上金属连接的刻蚀为例讲解光刻过程。

首先，通过金属化过程，在硅衬底上布置一层仅数纳米厚的金属层。然后在这层金属上覆上一层光刻胶。这层光阻剂在曝光（一般是紫外线）后可以被特定溶液（显影液）溶解。使特定的光波穿过光掩膜照射在光刻胶上，可以对光刻胶进行选择性照射（曝光）。然后使用前面提到的显影液，溶解掉被照射的区域，这样，光掩模上的图形就呈现在光刻胶上。通常还将通过烘干措施，改善剩余部分光刻胶的一些性质。

上述步骤完成后，就可以对衬底进行选择性的刻蚀或离子注入过程，未被溶解的光刻胶将保护衬底在这些过程中不被改变。

刻蚀或离子注入完成后，将进行光刻的最后一步，即将光刻胶去除，以方便进行半导体器件制造的其他步骤。通常，半导体器件制造整个过程中，会进行很多次光刻流程。生产复杂集成电路的工艺过程中可能需要进行多达50步光刻，而生产薄膜所需的光刻次数会少一些。

光刻胶

主条目：光刻胶

光刻中采用的感光物质被称为光刻胶，主要分为正光刻胶和负光刻胶两种。正光刻胶未被光照的部分在显影后会被保留，而负光刻胶被感光的部分在显影后会被保留。光刻胶不仅需要对指定的光照敏感，还需要在之后的金属刻蚀等过程中保持性质稳定。不同的光刻胶一般具有不同的感光性质，有些对所有紫外线光谱感光，有些只对特定的光谱感光，也有些对X射线或者对电子束感光。光刻胶需要保存在特殊的遮光器皿中。

步骤

在涂抹光刻胶之前，硅衬底一般需要进行预处理。一般情况下，衬底表面上的水分需要蒸发掉，这一步通过脱水烘焙来完成。此外，为了提高光刻胶在衬底表面的附着能力，还会在衬底表面涂抹化合物。目前应用的比较多的是六甲基乙硅氮烷（hexa-methyl-disilazane,HMDS）、三甲基甲硅烷基二乙胺（tri-methyl-silyl-diethyl-amime,TMSDEA）等。

在这一步中，需要将光刻胶均匀、平整地分布在衬底表面上。

首先，将硅片放在一个平整的金属托盘上，托盘内有小孔与真空管相连。由于大气压力的作用，硅片可以被“吸附”在托盘上，这样硅片就可以与托盘一起旋转。涂胶工艺一般分为三个步骤：

1.将光刻胶溶液喷洒在硅片表面；

2.加速旋转托盘（硅片），直到达到所需的旋转速度；

3.达到所需的旋转速度之后，以这一速度保持一段时间。以旋转的托盘为参考系，光刻胶在随之旋转受到离心力，使得光刻胶向着硅片外围移动，故涂胶也可以被称作甩胶。经过甩胶之后，留在硅片表面的光刻胶不足原有的1%。

完成光刻胶的涂抹之后，需要进行软烘干操作，这一步骤也被称为前烘。

在液态的光刻胶中，溶剂成分占65%－85%。虽然在甩胶之后，液态的光刻胶已经成为固态的薄膜，但仍有10%－30%的溶剂，容易沾污灰尘。通过在较高温度下进行烘培，可以使溶剂从光刻胶中挥发出来（前烘后溶剂含量降至5%左右），从而降低了灰尘的沾污。同时，这一步骤还可以减轻因高速旋转形成的薄膜应力，从而提高光刻胶衬底上的附着性。

在前烘过程中，由于溶剂挥发，光刻胶厚度也会减薄，一般减薄的幅度为10%－20%左右。

在这一步中，将使用特定波长的光对覆盖衬底的光刻胶进行选择性地照射。光刻胶中的感光剂会发生光化学反应，从而使正光刻胶被照射区域（感光区域）、负光刻胶未被照射的区域（非感光区）化学成分发生变化。这些化学成分发生变化的区域，在下一步的能够溶解于特定的显影液中。

在接受光照后，正性光刻胶中的感光剂DQ会发生光化学反应，变为乙烯酮，并进一步水解为茚并羧酸（Indene-Carboxylic-Acid,CA），羧酸在碱性溶剂中的溶解度比未感光部分的光刻胶高出约100倍，产生的羧酸同时还会促进酚醛树脂的溶解。利用感光与未感光光刻胶对碱性溶剂的不同溶解度，就可以进行掩膜图形的转移。

通过在曝光过程结束后加入显影液，正光刻胶的感光区、负光刻胶的非感光区，会溶解于显影液中。这一步完成后，光刻胶层中的图形就可以显现出来。为了提高分辨率，几乎每一种光刻胶都有专门的显影液，以保证高质量的显影效果。

光刻胶显影完成后，图形就基本确定，不过还需要使光刻胶的性质更为稳定。硬烘干可以达到这个目的，这一步骤也被称为坚膜。在这过程中，利用高温处理，可以除去光刻胶中剩余的溶剂、增强光刻胶对硅片表面的附着力，同时提高光刻胶在随后刻蚀和离子注入过程中的抗蚀性能力。另外，高温下光刻胶将软化，形成类似玻璃体在高温下的熔融状态。这会使光刻胶表面在表面张力作用下圆滑化，并使光刻胶层中的缺陷（如针孔）减少，这样修正光刻胶图形的边缘轮廓。

主条目：刻蚀和离子注入

这一步骤简称去胶。刻蚀或离子注入之后，已经不再需要光刻胶作保护层，可以将其除去。去胶的方法分类如下：

•湿法去胶

•有机溶剂去胶：利用有机溶剂除去光刻胶

•无机溶剂：通过使用一些无机溶剂，将光刻胶这种有机物中的碳元素氧化为二氧化碳，进而而将其除去

•干法去胶：利用等离子体将光刻胶剥除

除了这些主要的工艺以外，还经常采用一些辅助过程，比如进行大面积的均匀腐蚀来减小衬底的厚度，或者去除边缘不均匀的过程等等。一般在生产半导体芯片或者其它元件时，一个衬底需要多次重复光刻。

优点和缺点

光刻的优点是它可以精确地控制形成图形的形状、大小，此外它可以同时在整个芯片表面产生外形轮廓。不过，其主要缺点在于它必须在平面上使用，在不平的表面上它的效果要差一些。此外它还要求衬底具有极高的清洁条件。

研究发现

2021年7月16日，美国斯坦福大学鲍哲南团队开发出全光刻工艺，将弹性晶体管密度提高100倍以上。^[1]