MOSFET 的不断缩小，让我们可以在同样大小的晶圆上装下更多的晶体管。晶体管越小，单个晶体管的功耗就越低，同时单位面积上能塞进更多晶体管，密度更高。这种微缩的趋势已经成为芯片制造的关键目标（当然，目前平面微缩受到限制，3D集成是正在发展的一条路）。而要实现更精细的电路，第一步就是“绘制”。

 

绘制的第一步，是让芯片设计工程师先把电路图设计出来，然后把它转换成 Layout（布局），生成 GDS 文件。接下来，通过 OPC（光学邻近效应修正）对文件进行优化，再生成 JDV 文件。最后，每一层的图案都会被制作成掩模版（Mask）。掩模版是光刻工艺中用来转印图案的工具，它的设计直接决定了芯片的功能。

 

掩模版上有两种区域：透明区和不透明区

 

当光源通过掩模版照射到光刻胶上时，掩模版上的图案就被转印到了光刻胶上。这里有个有趣的地方：掩模版的图案并不是直接等同于我们最终想要的电路图案，因为在设计时会考虑到光的干涉效应（光学临近效应，需要进行OPC修正），所以掩模版的图案会和实际电路图案有些不同。如下图，随着器件尺寸的微缩，OPC也随之复杂。

 

光刻工艺的基本步骤

 

旋涂-->前烘-->曝光-->后烘-->显影

 

1. 涂胶

 

光刻工艺的第一步是在晶圆上涂光刻胶（Photoresist）。光刻胶是一种对光敏感的化学物质，经曝光后其化学性质会发生变化。具体而言，光刻胶在曝光后会在显影液中的溶解度发生变化。曝光后溶解度上升的称为正性光刻胶（正胶），反之则为负性光刻胶（负胶）。

 

选好光刻胶后，就得用旋涂机（Coater）涂抹光刻胶。通过 Coater 的高速旋转，滴落到晶圆的光刻胶可均匀伸展到整个晶圆表面。

 

光刻胶涂好后，应去除沾染在晶圆背面或边缘的多余胶水，再放入烘箱内加热烘烤，使溶剂蒸发，为下一道工艺做准备。

 

 

2. 曝光（Exposure）

 

涂好光刻胶后，使用光刻机将光源通过掩模版照射到晶圆上。掩模版是一种透明的版，分为光可通过的透明区和遮光的不透明区。光源通过掩模版将图案投射到光刻胶上，从而将掩模图形转印到晶圆上。

 

光刻机分辨两物点的能力叫做“物镜的分辨能力（分辨率）”。物镜分辨能力的公式为d=λ/(2NA) （λ：入射光的波长，NA：表示物镜的数值孔径）。物镜的分辨能力越高，两物点间最小距离d越小，即两物体仿佛重合为一个物体，很难分辨。因此，掩模版绘制再精细的版图也无法转印到实际的晶圆表面上。可见，降低分辨能力非常重要。

 

上述公式给我们揭示了两种方法：

 

一是通过调节入射光的波长（λ）来克服。增加激光的能量可缩短入射光的波长。我们经常在新闻中听到的极紫外线（EUV，Extreme Ultraviolet Lithography）光刻机正是通过将深紫外线（DUV，Deep Ultraviolet Lithography）光刻机的波长缩短至1/14（=提高光能），实现精细图形绘制的。

 

另一方面，还可通过提高物镜的数值孔径（NA）来寻找突破口。提高光源镜头数值孔径，或使用高折射率的介质增加物镜的数值孔径。高数值孔径极紫外线（High NA EUV）光刻机就是采用了提高光源镜头数值孔径的方法，而常用的深紫外线光刻机（ArF immersion）则采用了高折射率介质的方法。

 

曝光结束后，就要检测晶圆的套刻（Overlay）误差。套刻，是为测量光刻机的对准精度而在晶圆上做的小标识。每次曝光时围绕同一个中心，以不同大小的标记套刻标识，就可测量曝光的对准程度或晶圆是否有所偏离等。

 

 

3. 显影（Develop）

 

曝光后，光刻胶的指定部分的性质会发生改变。通过显影液溶解并去除这些变质的部分，从而形成所需的电路图案。显影过程决定了图形的形成，是光刻工艺中非常重要的一步。

 

当然，在进入显影工艺前，要把wafer 放入烘箱烘烤，这样可以进一步促进曝光区光刻胶的性质变化，这一过程被称作曝光后烘烤（PEB，Post Exposure Bake）。

 

经PEB后，在晶片涂覆显影液，去除变质的光刻胶部分，必要时还可进行清洗（Rinse）。清洗时，要根据光刻胶的材料选择合适的清洗溶液。而清洗设备也是种类繁多，且往往要在处理速度和良率之间做权衡。

 

经上述一系列过程，半导体的框架终于制成了。最后，在这框架的缝隙涂覆所需的材料，或削减不需要的部分等，经一番完善工作后做好接触和金属布线即可。

 

Reference:

 

1.semi-engineers

 

2.Skhynix 半导体前端工艺

 

 

来源：Internet

关键词： 电路 半导体