文章來源：學習那些事

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)鍵機理、控制參數(shù)及最新技術(shù)演進，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)，通過精密的光學與化學過程將掩模上的電路設(shè)計逐層復(fù)制至晶圓表面，其技術(shù)演進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支撐臺后，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溫濕度高度敏感，光刻區(qū)需采用黃色照明并嚴格維持恒溫恒濕環(huán)境，以避免材料性能波動。

光刻膠的種類

光刻膠按顯影特性分為正性與負性兩類：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撲需求，例如密集線條結(jié)構(gòu)更傾向采用正性膠以避免邊緣橋接缺陷。

預(yù)烘烤

旋涂后需進行預(yù)烘烤處理，晶圓在氮氣氛圍中加熱至約80℃，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)，晶圓被載入步進式曝光機或掃描儀中。傳統(tǒng)步進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，NA為透鏡數(shù)值孔徑，k為工藝系數(shù)。當前主流光源采用193nm波長的ArF準分子激光，配合高NA透鏡實現(xiàn)亞波長級分辨率。為突破物理衍射極限，超分辨率技術(shù)如雙重曝光、相移掩模及光學鄰近效應(yīng)修正被廣泛應(yīng)用。掃描儀作為步進器的升級形態(tài)，通過狹縫掃描曝光替代全幅曝光，有效擴大視野并降低透鏡像差影響，成為先進制程的標配設(shè)備。

曝光后需進行曝光后烘烤（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；負性膠則通過未曝光區(qū)域的溶解實現(xiàn)圖案定義。顯影后需進行硬烘烤固化，增強光刻膠的耐蝕刻性，為后續(xù)刻蝕或離子注入提供保護掩模。

近年來，極紫外光刻（EUV）技術(shù)憑借13.5nm短波長光源突破傳統(tǒng)光學光刻的分辨率極限，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)如自對準雙重成像（SADP）和自對準四重成像（SAQP），EUV光刻在實現(xiàn)更高集成度的同時，有效控制工藝成本與良率。

此外，納米壓印光刻（NIL）作為補充技術(shù)，在特定場景下以高精度壓印方式實現(xiàn)亞10nm級圖案制備，展現(xiàn)獨特應(yīng)用潛力。這些技術(shù)的協(xié)同發(fā)展，持續(xù)推動光刻工藝向更高精度、更低缺陷率方向演進，支撐著半導體產(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現(xiàn)薄膜圖案的成型，二者在技術(shù)路徑與適用場景上形成互補。

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。

這些粒子在電場加速下垂直轟擊材料表面，與目標層發(fā)生化學反應(yīng)生成揮發(fā)性產(chǎn)物，經(jīng)真空系統(tǒng)排出，從而實現(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；同時需抑制微負載效應(yīng)，避免因局部圖案密度差異導致的刻蝕速率波動，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)合脈沖電源與磁場增強技術(shù)，實現(xiàn)納米級控制。

濕法刻蝕

濕法刻蝕則依賴化學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，利用流體力學增強傳質(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?；蚧瘜W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。干法領(lǐng)域，原子層刻蝕（ALE）通過交替的自限制反應(yīng)實現(xiàn)單原子層級的精確去除，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，三維堆疊結(jié)構(gòu)與先進封裝需求推動深硅刻蝕、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)保型化學藥液（如無氟、低毒配方）的研發(fā)成為趨勢，配合在線監(jiān)測與閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)刻蝕速率的精確調(diào)控與廢液的無害化處理。

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

?