【創投行聚焦】半導體光刻工藝是半導體制造中最為重要的工藝步驟！

光刻顯影時間過長會怎麼樣

光刻工藝是半導體制造中最為重要的工藝步驟之一。主要作用是將掩膜板上的圖形複製到矽片上，為下一步進行刻蝕或者離子注入工序做好準備。光刻的成本約為整個矽片製造工藝的1/3，耗費時間約佔整個矽片工藝的40～60%。

光刻機是生產線上最貴的機臺，5～15百萬美元/臺。主要是貴在成像系統（由15～20個直 徑為200～300mm的透鏡組成）和定位系統（定位精度小於10nm）。其折舊速度非常快，大約3～9萬人民幣/天，所以也稱之為印鈔機。光刻部分的主 要機臺包括兩部分：軌道機（Tracker），用於塗膠顯影；掃描曝光機（Scanning ）

光刻工藝的要求：光刻工具具有高的解析度；光刻膠具有高的光學敏感性；準確地對準；大尺寸矽片的製造；低的缺陷密度。

光刻工藝過程

一般的光刻工藝要經歷矽片表面清洗烘乾、塗底、旋塗光刻膠、軟烘、對準曝光、後烘、顯影、硬烘、刻蝕、檢測等工序。

1、矽片清洗烘乾（Cleaning and Pre-Baking）

方法：溼法清洗＋去離子水沖洗＋脫水烘焙（熱板150～2500C，1～2分鐘，氮氣保護）

目的：a、除去表面的汙染物（顆粒、有機物、工藝殘餘、可動離子）；b、除去水蒸氣，是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）。

2、塗底（Priming)

方法：a、氣相成底膜的熱板塗底。HMDS蒸氣澱積，200～2500C，30秒鐘；優點：塗底均勻、避免顆粒汙染；b、旋轉塗底。缺點：顆粒汙染、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。

3、旋轉塗膠（Spin-on PR Coating）

方法：a、靜態塗膠（Static）。矽片靜止時，滴膠、加速旋轉、甩膠、揮發溶劑（原光刻膠的溶劑約佔65～85%，旋塗後約佔10～20%）；

b、動態（Dynamic）。低速旋轉（500rpm_rotation per minute）、滴膠、加速旋轉（3000rpm）、甩膠、揮發溶劑。

決定光刻膠塗膠厚度的關鍵引數：光刻膠的黏度（Viscosity），黏度越低，光刻膠的厚度越薄；旋轉速度，速度越快，厚度越薄；

影響光刻膠厚度均運性的引數：旋轉加速度，加速越快越均勻；與旋轉加速的時間點有關。

一般旋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。

4、軟烘（Soft Baking）

方法：真空熱板，85～120℃，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；防止光刻膠玷汙裝置；

邊緣光刻膠的去除（EBR，Edge Bead Removal）。光刻膠塗覆後，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出，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，用鐳射曝光矽片邊緣，然後在顯影或特殊溶劑中溶解

5、對準並曝光（Alignment and Exposure）

對準方法：a、預對準，透過矽片上的notch或者flat進行鐳射自動對準；b、透過對準標誌（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。

曝光中最重要的兩個引數是：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，裝置簡單。缺點：光刻膠汙染掩膜板；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（一次曝光所能覆蓋的區域）。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 械繫統的精度要求。

在曝光過程中，需要對不同的引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物件，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；

6、後烘（PEB，Post Exposure Baking）

方法：熱板，110～1300C，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。

7、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）/自動旋轉顯影（Auto-rotation Development）。一個或多個噴嘴噴灑顯影液在矽片表面，同時矽片低速旋轉（100～500rpm）。噴嘴噴霧模式和矽片旋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引數。

c、水坑（旋覆浸沒）式顯影（Puddle Development）。噴覆足夠（不能太多，最小化背面溼度）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）。矽片固定或慢慢旋轉。一般採用多次旋覆顯影液：第一次塗覆、保持10～30秒、去除；第二次塗覆、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）並旋轉甩幹。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 動離子汙染（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 15～250C）。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，形成臺階。顯影時間太長。

8、硬烘（Hard Baking）

方法：熱板，100～1300C（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（以免在汙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區域性爆裂）；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（125～2000C）工藝中減少因光刻膠高溫流動而引起解析度的降低。

在結束光刻工藝的解讀後，還是來談談光刻的工具——光刻機。

光刻機，被稱為現代光學工業之花，製造難度非常大，全世界只有少數幾家公司能夠製造。其售價高達7000萬美金。用於生產晶片的光刻機是中國在半導體裝置製造上最大的短板，國內晶圓廠所需的高階光刻機完全依賴進口。

在能夠製造機器的這幾家公司中，尤其以荷蘭（ASML）技術最為先進。價格也最為高昂。光刻機的技術門檻極高，堪稱人類智慧集大成的產物。

“十二五”科技成就展覽上，上海微電子裝備公司（SMEE）生產的中國最好的光刻機，與中國的大飛機、登月車並列。它的加工精度是90奈米，相當於2004年上市的奔騰四CPU的水準。國外已經做到了十幾奈米。

測量臺、曝光臺：承載矽片的工作臺，也就是雙工作臺。一般的光刻機需要先測量，再曝光，只需一個工作臺，而ASML有個專利，有兩個工作臺，實現測量與曝光同時進行。而本次“光刻機雙工件臺系統樣機研發”專案則是在技術上突破ASML對雙工件臺系統的技術壟斷。

鐳射器：也就是光源，光刻機核心裝置之一。

光束矯正器：矯正光束入射方向，讓鐳射束儘量平行。

能量控制器：控制最終照射到矽片上的能量，曝光不足或過足都會嚴重影響成像質量。

光束形狀設定：設定光束為圓型、環型等不同形狀，不同的光束狀態有不同的光學特性。

遮光器：在不需要曝光的時候，阻止光束照射到矽片。

能量探測器：檢測光束最終入射能量是否符合曝光要求，並反饋給能量控制器進行調整。

掩模版：一塊在內部刻著線路設計圖的玻璃板，貴的要數十萬美元。

掩膜臺：承載掩模版運動的裝置，運動控制精度是nm級的。

物鏡：物鏡由20多塊鏡片組成，主要作用是把掩膜版上的電路圖按比例縮小，再被鐳射對映的矽片上，並且物鏡還要補償各種光學誤差。技術難度就在於物鏡的設計難度大，精度的要求高。

矽片：用矽晶製成的圓片。矽片有多種尺寸，尺寸越大，產率越高。題外話，由於矽片是圓的，所以需要在矽片上剪一個缺口來確認矽片的座標系，根據缺口的形狀不同分為兩種，分別叫flat、notch。

內部封閉框架、減振器：將工作臺與外部環境隔離，保持水平，減少外界振動干擾，並維持穩定的溫度、壓力。

光刻機跟照相機差不多，它的底片，是塗滿光敏膠的矽片。電路圖案經光刻機，縮微投射到底片，蝕刻掉一部分膠，露出矽面做化學處理。製造晶片，要重複幾十遍這個過程。

位於光刻機中心的鏡頭，由20多塊鍋底大的鏡片串聯組成。鏡片得高純度透光材料+高質量拋光。SMEE光刻機使用的鏡片，得數萬美元一塊。

ASML的鏡片是蔡司技術打底。鏡片材質做到均勻，需幾十年到上百年技術積澱。

另外，光刻機需要體積小，但功率高而穩定的光源。ASML的頂尖光刻機，使用波長短的極紫外光，光學系統極複雜。有頂級的鏡頭和光源，沒極致的機械精度，也是白搭。光刻機裡有兩個同步運動的工件臺，一個載底片，一個載膠片。兩者需始終同步，誤差在2奈米以下。兩個工作臺由靜到動，加速度跟導彈發射差不多。而且，溫溼度和空氣壓力變化會影響對焦。機器內部溫度的變化要控制在千分之五度，得有合適的冷卻方法，精準的測溫感測器。一個最好的光刻機，包含13個分系統，3萬個機械件，200多個感測器，每一個都要穩定。

全球只有一家企業在光刻機市場上佔據了80%的份額，就是處於荷蘭的ASML，旗下所研發的EUV光刻機曾售價高達1億美元一臺，而且還不一定有貨。皆因每臺光刻機的裝配大約需要50000個零件左右。國際上著名的晶片製造商如Intel、臺積電、三星都是它名下的股東。

阿斯麥公司ASML Holding NV創立於1984年，是從飛利浦獨立出來的一個半導體裝置製造商。前稱ASM Lithography Holding N。V。，於2001年改為現用名，總部位於荷蘭費爾德霍芬，全職僱員12，168人，是一家半導體裝置設計、製造及銷售公司。