光刻技術概述及其分類

光刻是一種影像複製技術，是積體電路製程中至關重要的一項製程。簡單來說，光刻類似照相複製方法，即將掩膜版上的圖形精確地複製到塗在矽片表面的光刻膠或其他掩蔽膜上面，然後在光刻膠或其他掩蔽膜的保護下將矽片進行離子注入、蝕刻、金屬蒸鍍等。

光刻技術與晶片的價格和性能密切相關。光刻的最小線寬直接決定裝置的最小特徵尺寸，裝置的特徵尺寸越小，在一個矽片上就可以整合越多的裝置。隨著光刻的技術不斷發展，線寬不斷縮小，每個矽片上裝置數目就越來越多，這樣，單位裝置的成本就不斷降低，而且單一矽片上整合更多的裝置也意味著可以使電子產品實現更多的功能以及更好的性能。當然這種比較是假定在各種光刻系統的成本不變，只考慮了單位矽片成本的基礎上進行的。

事實上，隨著每一代線寬的改變，光刻機、掩膜版、光阻等的成本也在變化，對下一代的光刻工藝來說，其光刻系統的價格往往更加昂貴。即使如此，人們仍在不斷追求越來越細的線寬，追求產品在性價比上的提升。目前，積體電路已經從20世紀60年代的每個晶片上僅幾十個裝置發展到現在的每個晶片上可包含約10億個裝置，其增長過程遵從摩爾定律，這與光刻技術的發展密不可分。

光刻技術的不斷發展為積體電路技術的進步提供了三方面的保證：第一，大面積均勻曝光，在同一塊矽片上能同時做出大量裝置和晶片，保證了批量化的生產水準；第二，圖形線寬不斷縮小，整合度不斷提高，生產成本持續下降；第三，由於線寬的縮小，裝置的運作速度越來越快，積體電路的效能不斷提高。

一個典型的光刻製程流程包括襯底製備、塗膠、前烘、曝光、顯影、堅膜、腐蝕、去膠等。

光學光刻技術

光刻技術是一種精密的微細加工技術。常規光刻技術是採用波長為2000～4500埃的紫外光作為影像資訊載體，以光刻蝕劑為中間（影像記錄）媒介實現圖形的變換、轉移和處理，最終將影像資訊傳遞到晶片(主要指矽片)或介質層上的一種製程。

在廣義上，光刻包括光複印和刻蝕製程兩個主要面向：

1.光影印製程：經曝光系統將預製在光罩版上的元件或電路圖形依所需的位置，精確傳遞到預塗在晶片表面或介質層上的光致抗蝕劑薄層上。

2.蝕刻製程：利用化學或物理方法，將抗蝕劑薄層未遮蔽的晶片表面或介質層除去，從而在晶片表面或介質層上獲得與抗蝕劑薄層圖形完全一致的圖形。積體電路各功能層是立體重疊的，因而光刻製程總是多次重複進行。例如，大規模積體電路要經過約10次光刻才能完成各層圖形的全部傳遞。

光刻技術在狹義上，光刻製程僅指光影印製程。

光刻技術

光刻是透過光的照射用投影方法將掩模上的大規模積體電路元件的結構圖形畫在塗有光阻的矽片上，透過光的照射，光刻膠的成分發生化學反應，從而產生電路圖。限製成品所能獲得的最小尺寸與光刻系統能獲得的解析度直接相關，而減少照射光源的波長是提高解析度最有效的途徑。基於此，開發新型短波長光源光刻機一直是各國的研究熱點。

除此之外，根據光的干涉特性，利用各種波前技術優化製程參數也是提高解析度的重要手段。這些技術是運用電磁理論結合光刻實際對曝光成像進行深入的分析所取得的突破。其中有移相掩膜、離軸照明技術、鄰近效應校正等。運用這些技術，可在目前的技術層面上獲得更高解析度的光刻圖形。

電子束光刻

電子束光刻技術是微型技術加工發展的關鍵技術，他在奈米製造領域中扮演著不可取代的角色。電子束微影主要是刻畫微小的電路圖，電路通常是以奈米微單位的。電子束微影技術不需要掩膜，直接將會聚的電子束斑打在表面塗有光阻的基板上。

電子束微影技術要應用於奈米尺度微小結構的加工和積體電路的光刻，必須解決幾個關鍵的技術問題：電子束高精度掃描成像曝光效率低；電子在抗蝕劑和基片中的散射和背散射現象造成的鄰近效應；在實現奈米尺度加工中電子抗蝕劑和電子束曝光及顯影、蝕刻等製程技術問題。

實務證明，電子束鄰近效應校正技術、電子束曝光與光學曝光系統的匹配及混合微影技術及抗蝕劑曝光製程最佳化技術的應用，是一種提升電子束微影系統實際微影分辨能力非常有效的辦法。

電子束微影最主要的就是金屬化剝離。

第一步是在光阻表面掃描到自己需要的圖形；

第二步是將曝光的圖形進行顯影去除未曝光的部分；

第三步在形成的圖形上沉澱金屬；

第四步將光阻去除。在金屬剝離的過程中，關鍵在於光刻製程的膠型控制。最好使用厚膠，這樣有利於膠劑的滲透，形成清晰的形貌。

聚焦離子束光刻

聚焦離子束(Focused Ion beam, FIB)的系統是利用電透鏡將離子束聚焦成非常小尺寸的顯微切割儀器，她的原理與電子束光刻相近，不過是有電子變成離子。

目前商業用途系統的離子束為液態金屬離子源，金屬材質為鎵，因為鎵元素具有熔點低、低蒸氣壓、及良好的抗氧化力；典型的離子束顯微鏡包括液相金屬離子源、電透鏡、掃描電極、二次粒子偵測器、5-6軸向移動的試片基座、真空系統、抗振動和磁場的裝置、電子控制面板、和電腦等硬設備，外加電場於液相金屬離子源可使液態鎵形成細小尖端，再加上負電場(Extractor) 牽引尖端的鎵，而導出鎵離子束，在一般工作電壓下，尖端電流密度約為1埃10-8 Amp/cm2，以電透鏡聚焦，經過一連串變化孔徑(Automatic Variable Aperture, AVA)可決定離子束的大小，再經過二次聚焦至試片表面，利用物理碰撞來達到切割之目的。

在成像方面，聚焦離子束顯微鏡和掃描電子顯微鏡的原理比較相近，其中離子束顯微鏡的試片表面受鎵離子掃描撞擊而激發出的二次電子和二次離子是影像的來源，影像的分辨率決定於離子束的大小、帶電離子的加速電壓、二次離子訊號號的強度、試片接地的狀況、與儀器抗振動和磁場的狀況，目前商用機型的影像解析度最高已達4nm，雖然其解析度不及掃描式電子顯微鏡和穿透式電子顯微鏡，但是對於定點結構的分析，它沒有試片製備的問題，在工作時間上較為經濟。

聚焦離子束投影曝光除了前面已經提到的曝光靈敏度極高和沒有鄰近效應之外還包括焦深大於曝光深度可以控制。離子源發射的離子束具有非常好的平行性，離子束投影透鏡的數值孔徑只有0.001，其焦深可達100μm，也就是說，矽片表面任何起伏在100μm之內，離子束的分辨力基本不變。而光學曝光的焦深只有1～2μm為。她的主要作用就是在電路上修補，和生產線製成異常分析或進行光阻切割。

EUV 微影技術

在微電子技術的發展歷程中，人們一直在研究開發新的IC製造技術來縮小線寬和增加晶片的容量。我們也普遍的把軟X射線投影光刻稱作極紫外線投影微影。在光刻技術領域我們的科學家們對極紫外投影光刻EUV技術的研究最為深入也取得了突破性的進展，使極紫外投影光刻技術最有希望被普遍使用到以後的集成電路生產當中。它支援22nm以及更小線寬的積體電路生產使用。

EUV是目前距實用化最近的一種深亞微米的微影技術。波長為157nm的準分子雷射光刻技術也將近期投入應用。若採用波長為13nm的EUV，則可得到0.1um的細條。

在1985年左右已經有前輩們就EUV技術進行了理論上的探討並做了許多相關的實驗。近十年後微電子產業的發展受到重重阻礙才致人們有了憂患意識。並且從微電子技術的發展過程能判斷出，若不早日推出極紫外光刻技術來對當前的晶片製造方法做出全面的改進，將使整個晶片工業處在岌岌可危的地步。

EUV系統主要由四個部分構成：極端紫外光源；反射投影系統；光刻模板（mask）；能夠用於極端紫外線的光刻塗層（photo-resist）。

極端紫外光刻技術所使用的光刻機的對準套刻精度要達到10nm，其研發和製造原理實際上和傳統的光學光刻在原理上十分相似。對光刻機的研究重點是要求定位要極其快速精密以及逐場調平調焦技術，因為光刻機在工作時拼接圖形和步進式掃描曝光的次數很多。不僅如此入射對準光波訊號的擷取以及處理問題還需要解決。

X光光刻技術

X射線波長極短，使得其不會發生嚴重的繞射現象。我們在使用X射線進行曝光時對波長的選擇是受到一定因素限制的，在曝光過程中，光阻會吸收X射線光子，而產生射程隨X射線波長變化而相繼改變的光電子，這些光電子會降低光刻分辨率，X射線的波長越短，光電子的射程越遠，對光刻越不利。因此增加X射線的波長有助於提高光刻解析度。然而長波長的X射線會加寬圖形的線寬，考慮多種因素的影響，通常只能折身選擇X射線的波長。

今年來的研究發現，當圖形的線寬小到一定程度時（一般為0.01μm以下），被波導效應影響，最終得到的圖形線寬要小於實際掩模圖形，因此X光刻分辨率也受到掩模版與晶圓間距大小的影響。

除此之外，還需要大量的實驗研究來解決X射線光刻圖形微細加工時對圖形品質造成影響的許多因素。

X射線光刻掩模

在後光學光刻的技術中，其最主要且最困難的技術就是光罩製造技術，其中1：1的光刻非常困難，是妨礙技術發展的難題之一。所以說，我們認為掩模開發是應用於工業發展的重要環節，也是決定成敗的關鍵。在過去的發展中，科學家對其已經得到了巨大的發展，也有一些新型材料的發現以及應用，有一些已經在實驗室中得以實踐，但對於工業發展還是沒有什麼重大的成就。

X射線掩模的基本結構包括薄膜、吸收體、框架、基板，其中薄膜襯基材料一般使用Si、SiC、鑽石。吸收體主要使用金、鎢等材料，其結構圖如圖所示：

奈米壓印光刻技術

奈米壓印技術是美國普林斯頓大學華裔科學家週鬱在20 世紀1995 年首先提出的。這項技術具有生產效率高、成本低、製程簡單等優點, 已被證實是奈米尺寸大面積結構複製最有前途的下一代光刻技術之一。目前該技術能實現分辨率達5 nm以下的水平。

奈米壓印技術經過多年發展，從最初的熱壓印技術，到紫外線固化奈米壓印技術再到後來衍生出的軟膜複型技術、微接觸印刷術、雷射輔助直接壓印技術等，新的奈米壓印技術不斷被開發與完善，奈米壓印技術在微納加工領域也佔有越來越重要的地位。

奈米壓印技術是加工聚合物結構最常用的方法, 它採用高分辨率電子束等方法將結構複雜的奈米結構圖案製在印章上, 然後用預先圖案化的印章使聚合物材料變形而在聚合物上形成結構圖案。

(半導體材料與製程設備)