文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：小陳婆婆

本文介紹了集成電路芯片制備中的光刻和刻蝕技術(shù)。

光刻與刻蝕是納米級(jí)圖形轉(zhuǎn)移的兩大核心工藝，其分辨率、精度與一致性共同決定器件性能與良率上限。

本文系統(tǒng)梳理光刻膠涂覆-曝光-顯影-刻蝕全流程的關(guān)鍵機(jī)理、控制參數(shù)及最新技術(shù)演進(jìn)，分述如下：

光刻工藝

刻蝕工藝

光刻工藝

在集成電路芯片制造中，光刻工藝作為圖案轉(zhuǎn)移的核心技術(shù)，通過精密的光學(xué)與化學(xué)過程將掩模上的電路設(shè)計(jì)逐層復(fù)制至晶圓表面，其技術(shù)演進(jìn)始終圍繞分辨率提升與工藝穩(wěn)定性優(yōu)化展開。

光刻膠的涂抹

該工藝起始于光刻膠的旋涂階段——晶圓經(jīng)真空吸附固定于旋涂機(jī)支撐臺(tái)后，滴加的光刻膠在數(shù)千轉(zhuǎn)每秒的高速旋轉(zhuǎn)下借助離心力形成均勻薄膜，膜厚由膠體黏度、溶劑特性及旋轉(zhuǎn)參數(shù)精確調(diào)控。

由于光刻膠作為光敏樹脂材料對(duì)溫濕度高度敏感，光刻區(qū)需采用黃色照明并嚴(yán)格維持恒溫恒濕環(huán)境，以避免材料性能波動(dòng)。

光刻膠的種類

光刻膠按顯影特性分為正性與負(fù)性兩類：正性膠經(jīng)曝光后，曝光區(qū)域在顯影液中溶解，未曝光區(qū)域保留；負(fù)性膠則相反，未曝光區(qū)域被去除。具體選擇取決于電路圖案的拓?fù)湫枨螅缑芗€條結(jié)構(gòu)更傾向采用正性膠以避免邊緣橋接缺陷。

預(yù)烘烤

旋涂后需進(jìn)行預(yù)烘烤處理，晶圓在氮?dú)夥諊屑訜嶂良s80℃，促使膠膜內(nèi)殘留溶劑揮發(fā)，提升膠層與基底的粘附性及抗曝光干擾能力，此過程多采用隧道式烘烤設(shè)備實(shí)現(xiàn)批量處理。

曝光

曝光階段是圖案轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，晶圓被載入步進(jìn)式曝光機(jī)或掃描儀中。傳統(tǒng)步進(jìn)器通過縮放透鏡系統(tǒng)將掩模圖案以四倍縮放比例投影至晶圓表面，其分辨率遵循公式

R=kλ/NA

其中λ為光源波長(zhǎng)，NA為透鏡數(shù)值孔徑，k為工藝系數(shù)。當(dāng)前主流光源采用193nm波長(zhǎng)的ArF準(zhǔn)分子激光，配合高NA透鏡實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)級(jí)分辨率。為突破物理衍射極限，超分辨率技術(shù)如雙重曝光、相移掩模及光學(xué)鄰近效應(yīng)修正被廣泛應(yīng)用。掃描儀作為步進(jìn)器的升級(jí)形態(tài)，通過狹縫掃描曝光替代全幅曝光，有效擴(kuò)大視野并降低透鏡像差影響，成為先進(jìn)制程的標(biāo)配設(shè)備。

曝光后需進(jìn)行曝光后烘烤（PEB），通過輕度熱處理激活光刻膠中的產(chǎn)酸劑，促進(jìn)酸催化反應(yīng)，減少駐波效應(yīng)并銳化圖案邊緣輪廓。

顯影

顯影環(huán)節(jié)，正性膠的曝光區(qū)域在堿性顯影液中溶解，形成與掩模一致的浮雕圖案；負(fù)性膠則通過未曝光區(qū)域的溶解實(shí)現(xiàn)圖案定義。顯影后需進(jìn)行硬烘烤固化，增強(qiáng)光刻膠的耐蝕刻性，為后續(xù)刻蝕或離子注入提供保護(hù)掩模。

近年來，極紫外光刻（EUV）技術(shù)憑借13.5nm短波長(zhǎng)光源突破傳統(tǒng)光學(xué)光刻的分辨率極限，成為7nm及以下制程的核心曝光方案。配合多重圖形化技術(shù)如自對(duì)準(zhǔn)雙重成像（SADP）和自對(duì)準(zhǔn)四重成像（SAQP），EUV光刻在實(shí)現(xiàn)更高集成度的同時(shí)，有效控制工藝成本與良率。

此外，納米壓印光刻（NIL）作為補(bǔ)充技術(shù)，在特定場(chǎng)景下以高精度壓印方式實(shí)現(xiàn)亞10nm級(jí)圖案制備，展現(xiàn)獨(dú)特應(yīng)用潛力。這些技術(shù)的協(xié)同發(fā)展，持續(xù)推動(dòng)光刻工藝向更高精度、更低缺陷率方向演進(jìn)，支撐著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的技術(shù)革新與產(chǎn)品迭代。

刻蝕工藝

在集成電路制造的刻蝕工藝中，干法與濕法刻蝕通過精確控制材料去除過程實(shí)現(xiàn)薄膜圖案的成型，二者在技術(shù)路徑與適用場(chǎng)景上形成互補(bǔ)。

干法刻蝕

干法刻蝕以反應(yīng)性離子刻蝕（RIE）為核心，其設(shè)備采用平行板式結(jié)構(gòu)：晶圓置于真空腔室內(nèi)的下部電極，上部電極接地，通過施加高頻電壓激發(fā)注入氣體形成等離子體，產(chǎn)生正離子、自由基等活性粒子。

這些粒子在電場(chǎng)加速下垂直轟擊材料表面，與目標(biāo)層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成揮發(fā)性產(chǎn)物，經(jīng)真空系統(tǒng)排出，從而實(shí)現(xiàn)各向異性的刻蝕效果。此過程的關(guān)鍵在于高選擇比——即光刻膠與材料層的刻蝕速率差異需足夠大，以保障圖案轉(zhuǎn)移的保真度；同時(shí)需抑制微負(fù)載效應(yīng)，避免因局部圖案密度差異導(dǎo)致的刻蝕速率波動(dòng)，并減少靜電損傷及雜質(zhì)引入。為提升精度，現(xiàn)代RIE技術(shù)常采用電感耦合等離子體（ICP）源或電容耦合等離子體（CCP）源，結(jié)合脈沖電源與磁場(chǎng)增強(qiáng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)納米級(jí)控制。

濕法刻蝕

濕法刻蝕則依賴化學(xué)藥液與材料的直接反應(yīng)，分為浸入式與旋轉(zhuǎn)式兩種模式。浸入式將晶圓浸沒于刻蝕槽中的藥液，通過擴(kuò)散控制反應(yīng)速率；旋轉(zhuǎn)式則通過旋轉(zhuǎn)晶圓并噴射藥液，利用流體力學(xué)增強(qiáng)傳質(zhì)效率。

由于濕法刻蝕本質(zhì)為各向同性，其橫向鉆蝕特性限制了微細(xì)加工能力，且光刻膠掩模易受藥液侵蝕，故多用于大尺寸結(jié)構(gòu)或特定材料（如金屬鋁、氧化物）的加工?？涛g后需通過等離子體退模或化學(xué)剝離去除殘留光刻膠，其中等離子體退模利用氧等離子體分解膠層，化學(xué)剝離則采用專用溶劑選擇性溶解。

近年來，刻蝕技術(shù)向更高精度與環(huán)保方向演進(jìn)。干法領(lǐng)域，原子層刻蝕（ALE）通過交替的自限制反應(yīng)實(shí)現(xiàn)單原子層級(jí)的精確去除，結(jié)合高選擇比材料與優(yōu)化的等離子體參數(shù)，可突破傳統(tǒng)RIE的分辨率極限。同時(shí)，三維堆疊結(jié)構(gòu)與先進(jìn)封裝需求推動(dòng)深硅刻蝕、介質(zhì)層高深寬比刻蝕等技術(shù)的發(fā)展，采用低溫等離子體與氣體混合策略減少側(cè)壁損傷。濕法方面，環(huán)保型化學(xué)藥液（如無(wú)氟、低毒配方）的研發(fā)成為趨勢(shì)，配合在線監(jiān)測(cè)與閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)刻蝕速率的精確調(diào)控與廢液的無(wú)害化處理。

此外，混合刻蝕技術(shù)（如濕法-干法聯(lián)合工藝）在特定場(chǎng)景下展現(xiàn)優(yōu)勢(shì)，例如通過濕法預(yù)處理降低材料應(yīng)力，再以干法完成精細(xì)圖案成型。這些創(chuàng)新持續(xù)推動(dòng)刻蝕工藝向更高效、更綠色、更精密的方向發(fā)展，支撐著半導(dǎo)體器件性能與集成度的不斷提升。

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