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光刻是集成電路和半導體器件制造工藝中的關鍵性技術，其工藝質量直接影響器件成品率、可靠性、器件性能以及使用壽命等參數(shù)指標的穩(wěn)定和提高，就目前光刻工藝而言，工藝設備的穩(wěn)定性、工藝材料以及人工參與的影響等都會對后續(xù)器件成品率及可靠性產(chǎn)生影響。針對此類問題，本文首先介紹光刻和電子束曝光的基本工藝流程，之后對工藝過程中缺陷來源進行分析。

1.光刻工藝流程

集成電路制造中，在硅片表面涂上光阻薄層作為保護膜，經(jīng)過光照、顯影，在光阻上留下掩模版的圖形，對選定區(qū)域進行刻蝕，或進行離子注入，形成器件和電路結構（圖1）。隨著集成電路的集成度不斷提高，器件的特征尺寸不斷減小，期望進一步縮小光刻圖形的尺寸，目前已經(jīng)開始采用線寬為5-7nm的加工技術。

圖1 光刻（包含刻蝕）工藝基本流程

（1）涂膠，將加工好的硅片清洗并脫水、烘干；之后把硅片放在一個平整的金屬托盤上，有小孔與真空管相連，硅片就被吸在托盤上，硅片與托盤一起旋轉；將光阻溶液噴灑到硅片表面上；加速旋轉托盤(硅片)，直至達到需要的旋轉速度；達到所需的旋轉速度后，保持一定時間的旋轉。光阻的膜厚與本身的黏性和托盤旋轉速度有關，其膜厚越薄，均勻性越好；

（2）前烘，在液態(tài)的光阻中，溶劑的成分占65％-85％，經(jīng)過甩膠之后，雖然液態(tài)的光阻已經(jīng)成為固態(tài)的薄膜，但仍含有10％-30％的溶劑，涂膠以后的硅片，需要在一定的溫度下進行烘烤，使溶劑從光阻內揮發(fā)出來；

（3）曝光，其主要目的是將掩模版上的圖案轉移到晶圓上，當光線通過掩模版到達光阻時，使光阻的光敏物質發(fā)生反應分解，達到圖像轉移的目的。此外，由于集成電路的制程由很多層組成，所以層與層之間的對準關系也很重要。

（4）顯影，將顯影液全面地噴在光阻上，或將曝光后的樣片浸在顯影液中幾十秒鐘，則正型光阻的曝光部分(或負膠的未曝光部分)被溶解。顯影后的圖形精度受顯影液的濃度、溫度以及顯影的時間等影響，顯影后用純水清洗；

（5）堅膜，為使殘留在光阻中的有機物溶液完全揮發(fā)，提高光阻和基片的粘接性及光阻的耐腐蝕能力，通常將基片在120-200℃溫度下烘干20–30分鐘；

后續(xù)對其進行刻蝕、去膠就能在硅片上面得到所需圖案。

2.電子束曝光流程

電子束曝光（Electron beam lithography, EBL）是聚焦電子束在覆蓋有電子抗蝕劑敏感膜的表面上選擇性曝光實現(xiàn)圖形化的微加工技術，屬于無掩模光刻的一類技術。早在1960年研究者就能在薄的襯底上實現(xiàn)了20 nm的EBL分辨率。EBL極高的分辨率歸因于極小的電子波長，電子只需要在10 kV的電壓下加速（普通SEM電子槍加速電壓為3~30 kV），其波長約為0.01 nm，然而目前世界上最先進的極紫外光源的波長仍然在7~10 nm的量級。

EBL設備通常是在普通的SEM基礎上稍作改裝就可以實現(xiàn)的，EBL設備在核心的電子槍內部僅僅比SEM多一個束閘，束閘的作用是在兩個極板之間施加一個電場以控制電子束的快速開關，使電子束在樣品上有選擇的曝光部分區(qū)域，曝光過的區(qū)域，在顯影液中被溶解掉，形成圖形化的軟模板。高分辨率的EBL技術在半導體產(chǎn)業(yè)和科學研究中都有著重要的作用，在半導體產(chǎn)業(yè)領域如小批量集成電路的制造、高分辨率掩模版的制造和新器件原型的開發(fā)，在科學研究領域如納米尺度新結構的實現(xiàn)和新型納米材料的性能研究等。

下面以制作金陣列為例，介紹EBL的基本工藝流程[1]。

（1）旋涂，以聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作為光阻，用主體可導電的平整基片作為襯底，如摻雜的硅片、SiO2/Si、導電玻璃和金屬箔等，用旋涂工藝在襯底上涂覆光阻，先涂一層甲基丙烯酸甲酯（MMA），作用是去膠時更徹底及減少蒸金等外延工藝粘側壁現(xiàn)象，再涂一層PMMA作為電子抗蝕劑，然后在對流烘箱或者熱板上前烘去除有機溶劑；

（2）曝光及顯影，用束閘控制電子束的曝光區(qū)域，被電子束曝光后的區(qū)域內PMMA分子鏈發(fā)生斷裂，分解成更短鏈或者MMA單體，在顯影液中被溶解，顯影之后使用去離子水或者酒精等不溶解光阻的溶劑清洗阻斷顯影過程，實現(xiàn)定影，形成圖案化的軟模板；

（3）蒸鍍，當真空度低于飽和蒸汽壓時，金絲在高溫下發(fā)生汽化后，在光阻和襯底上成膜，也可以使用磁控濺射、原子層沉積、化學氣相沉積等其它外延工藝形成金膜；

（4）去膠，使用丙酮、四氫呋喃和氯仿等有機溶劑將光阻溶解，光阻上和襯底不相連的金屬膜將被剝離，從而獲得所需要的各種圖案。

3.缺陷產(chǎn)生的原因

經(jīng)有關工藝分析資料和五所分析中心近三年電源芯片失效案例表明，光刻引入的工藝缺陷幾乎占整個芯片工藝流程總缺陷的50%。除了掩模版質量引起的缺陷外，大部分都是在進行光刻工藝的操作過程中由于人員行為、操作介質、環(huán)境因素等引起的隨機分布點缺陷。根據(jù)具體的操作步驟，總結其可能的缺陷[2]。

3.1晶圓缺陷

晶圓翹曲度比較大，基底不平整，會導致光刻圖形尺寸偏差，尤其是晶圓邊緣位置；晶圓表面清洗處理不良，表面有雜質顆粒等，使光阻里面和表面有灰塵的地方對曝光和刻蝕起到阻礙作用，同時也降低了膠膜與基底的粘附力，容易形成小島或針孔似的缺陷。

3.2光阻缺陷

光阻管路里有氣泡，做旋涂的時候會造成氣泡，同樣會對曝光和刻蝕起到阻礙作用。光阻管路或去離子水有雜質粒子，那么旋涂曝光后會造成圖形斷開。光阻有結晶或顯影不夠完全，會造成圖案斷開不徹底。

3.3曝光

如果掩模版上出現(xiàn)質量問題，使得需要透光的位置被缺陷（小島）遮擋住，或不需要透光的位置出現(xiàn)針孔，或者是制作掩模版時，圖形邊緣處理不好而留下有鋸齒，從而掩模版上是針孔或小島等缺陷也被同時復制到了硅片上。掩模版上的缺陷多數(shù)情況是在掩模版的制作過程中形成的，可能是掩模版材料選擇不正確，也可能是掩模版制作工藝的問題，或者是在光刻工藝的架版過程中不小心劃傷造成的。

3.4顯影

顯影過程中有氮氣和去離子水共同作用，如果參數(shù)設置不夠好，兩者會產(chǎn)生相互應力，造成顯影不完全。

3.5工藝過程損傷

涂在基底表面上的光阻，其機械強度比較弱，在曝光、顯影沖洗、顯微鏡下觀察、蝕刻及最后的清洗處理等過程中人員的粗心大意都會在基底表面造成劃傷缺陷。另外，對于接觸式曝光方式，在對位的過程中，掩模版與涂有光阻的基底表面接觸摩擦力大小控制不當，也會造成劃傷缺陷。

4.總結

當我們弄清楚了光刻工藝中各種缺陷產(chǎn)生的機理和原因，就能有針對性的采取各種措施，在實際工作中避免和消除各種缺陷的出現(xiàn)，使器件的質量得到進一步提升。

參考文獻

[1] Wu G, Cao F, Zhao P, et al.Novel periodic bilayer Au nanostructures for ultrasensitive surface-enhanced Raman spectroscopy [J] Advanced Materials Interfaces, 2018, 5(20): 1800802

[2]鄧濤, 李平, 鄧光華. 光刻工藝中缺陷來源的分析[J].半導體光電, 2005, 26(3):3.