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MOSFET 的不斷縮小，讓我們可以在同樣大小的晶圓上裝下更多的晶體管。晶體管越小，單個(gè)晶體管的功耗就越低，同時(shí)單位面積上能塞進(jìn)更多晶體管，密度更高。這種微縮的趨勢(shì)已經(jīng)成為芯片制造的關(guān)鍵目標(biāo)（當(dāng)然，目前平面微縮受到限制，3D集成是正在發(fā)展的一條路）。而要實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的電路，第一步就是“繪制”。

繪制的第一步，是讓芯片設(shè)計(jì)工程師先把電路圖設(shè)計(jì)出來(lái)，然后把它轉(zhuǎn)換成 Layout（布局），生成 GDS 文件。接下來(lái)，通過(guò) OPC（光學(xué)鄰近效應(yīng)修正）對(duì)文件進(jìn)行優(yōu)化，再生成 JDV 文件。最后，每一層的圖案都會(huì)被制作成掩模版（Mask）。掩模版是光刻工藝中用來(lái)轉(zhuǎn)印圖案的工具，它的設(shè)計(jì)直接決定了芯片的功能。

掩模版上有兩種區(qū)域：透明區(qū)和不透明區(qū)

當(dāng)光源通過(guò)掩模版照射到光刻膠上時(shí)，掩模版上的圖案就被轉(zhuǎn)印到了光刻膠上。這里有個(gè)有趣的地方：掩模版的圖案并不是直接等同于我們最終想要的電路圖案，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)時(shí)會(huì)考慮到光的干涉效應(yīng)（光學(xué)臨近效應(yīng)，需要進(jìn)行OPC修正），所以掩模版的圖案會(huì)和實(shí)際電路圖案有些不同。如下圖，隨著器件尺寸的微縮，OPC也隨之復(fù)雜。

光刻工藝的基本步驟

旋涂-->前烘-->曝光-->后烘-->顯影

1. 涂膠

光刻工藝的第一步是在晶圓上涂光刻膠（Photoresist）。光刻膠是一種對(duì)光敏感的化學(xué)物質(zhì)，經(jīng)曝光后其化學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化。具體而言，光刻膠在曝光后會(huì)在顯影液中的溶解度發(fā)生變化。曝光后溶解度上升的稱(chēng)為正性光刻膠（正膠），反之則為負(fù)性光刻膠（負(fù)膠）。

選好光刻膠后，就得用旋涂機(jī)（Coater）涂抹光刻膠。通過(guò) Coater 的高速旋轉(zhuǎn)，滴落到晶圓的光刻膠可均勻伸展到整個(gè)晶圓表面。

光刻膠涂好后，應(yīng)去除沾染在晶圓背面或邊緣的多余膠水，再放入烘箱內(nèi)加熱烘烤，使溶劑蒸發(fā)，為下一道工藝做準(zhǔn)備。

2. 曝光（Exposure）

涂好光刻膠后，使用光刻機(jī)將光源通過(guò)掩模版照射到晶圓上。掩模版是一種透明的版，分為光可通過(guò)的透明區(qū)和遮光的不透明區(qū)。光源通過(guò)掩模版將圖案投射到光刻膠上，從而將掩模圖形轉(zhuǎn)印到晶圓上。

光刻機(jī)分辨兩物點(diǎn)的能力叫做“物鏡的分辨能力（分辨率）”。物鏡分辨能力的公式為d=λ/(2NA) （λ：入射光的波長(zhǎng)，NA：表示物鏡的數(shù)值孔徑）。物鏡的分辨能力越高，兩物點(diǎn)間最小距離d越小，即兩物體仿佛重合為一個(gè)物體，很難分辨。因此，掩模版繪制再精細(xì)的版圖也無(wú)法轉(zhuǎn)印到實(shí)際的晶圓表面上。可見(jiàn)，降低分辨能力非常重要。

上述公式給我們揭示了兩種方法：

一是通過(guò)調(diào)節(jié)入射光的波長(zhǎng)（λ）來(lái)克服。增加激光的能量可縮短入射光的波長(zhǎng)。我們經(jīng)常在新聞中聽(tīng)到的極紫外線（EUV，Extreme Ultraviolet Lithography）光刻機(jī)正是通過(guò)將深紫外線（DUV，Deep Ultraviolet Lithography）光刻機(jī)的波長(zhǎng)縮短至1/14（=提高光能），實(shí)現(xiàn)精細(xì)圖形繪制的。

另一方面，還可通過(guò)提高物鏡的數(shù)值孔徑（NA）來(lái)尋找突破口。提高光源鏡頭數(shù)值孔徑，或使用高折射率的介質(zhì)增加物鏡的數(shù)值孔徑。高數(shù)值孔徑極紫外線（High NA EUV）光刻機(jī)就是采用了提高光源鏡頭數(shù)值孔徑的方法，而常用的深紫外線光刻機(jī)（ArF immersion）則采用了高折射率介質(zhì)的方法。

曝光結(jié)束后，就要檢測(cè)晶圓的套刻（Overlay）誤差。套刻，是為測(cè)量光刻機(jī)的對(duì)準(zhǔn)精度而在晶圓上做的小標(biāo)識(shí)。每次曝光時(shí)圍繞同一個(gè)中心，以不同大小的標(biāo)記套刻標(biāo)識(shí)，就可測(cè)量曝光的對(duì)準(zhǔn)程度或晶圓是否有所偏離等。

3. 顯影（Develop）

曝光后，光刻膠的指定部分的性質(zhì)會(huì)發(fā)生改變。通過(guò)顯影液溶解并去除這些變質(zhì)的部分，從而形成所需的電路圖案。顯影過(guò)程決定了圖形的形成，是光刻工藝中非常重要的一步。

當(dāng)然，在進(jìn)入顯影工藝前，要把wafer 放入烘箱烘烤，這樣可以進(jìn)一步促進(jìn)曝光區(qū)光刻膠的性質(zhì)變化，這一過(guò)程被稱(chēng)作曝光后烘烤（PEB，Post Exposure Bake）。

經(jīng)PEB后，在晶片涂覆顯影液，去除變質(zhì)的光刻膠部分，必要時(shí)還可進(jìn)行清洗（Rinse）。清洗時(shí)，要根據(jù)光刻膠的材料選擇合適的清洗溶液。而清洗設(shè)備也是種類(lèi)繁多，且往往要在處理速度和良率之間做權(quán)衡。

經(jīng)上述一系列過(guò)程，半導(dǎo)體的框架終于制成了。最后，在這框架的縫隙涂覆所需的材料，或削減不需要的部分等，經(jīng)一番完善工作后做好接觸和金屬布線即可。

Reference:

1.semi-engineers

2.Skhynix 半導(dǎo)體前端工藝