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光刻及微纳蚀刻技术研究进展

发布时间:2019年4月11日


蚀刻(Lithography or Printing)技术泛指能够高效、精准地复制图形的方法。从古代的印刷术开始,蚀刻技术的革新对人类的文明进步有着重要的推动作用。进入20世纪以来,光子学、电子学等学科的发展,使人类的加工尺度首次进入微纳级别。光刻(Photolithography)作为微纳蚀刻最典型的代表,直接催生了半导体芯片、计算机、数码相机、液晶显示器等推动人类文明的科技产品。

光刻技术是通过光子束同与其敏感的光刻材料之间的相互作用在基板上形成微纳结构图形的过程/技术。它是至今为止3D微纳结构图形最高效的复制方法。主要用于大规模集成电路(IC)和半导体分立器件的微细加工。除此之外还在非集成电路领域如平板显示、触摸屏、LED也有着广泛的应用。光刻材料主要指光刻胶又称光致抗蚀剂,是由感光树脂、增感剂和溶剂三种主要成分组成的对光敏感的混合液体。感光树脂经光照后,在曝光区能很快发生光化学反应,使得这种材料的溶解性、亲合性等性能发生明显变化。经适当的溶剂处理,溶去可溶性部分,得到所需图像。光刻胶具有光化学敏感性,可利用其进行光化学反应,将光刻胶涂覆半导体、导体或绝缘体上,经曝光、显影后留下的部分对底层起保护作用,然后采用蚀刻剂进行蚀刻将所需要的微细图形从掩模版转移到待加工的衬底上,所以光刻材料的发展在一定程度上决定了光刻技术的发展与应用。

作为半导体工业的“领头羊”,光刻技术是大规模集成电路制造的核心步骤。Intel创始人之一G.Moore在1965年的报告中指出,每隔18~24个月,芯片的容量将增加1倍,后来演变成著名的“摩尔定律”。在摩尔定律的指引下,半导体工业每两至三年就跨上一个新台阶,即所谓的半导体技术发展路线图(ITRS),2004年90 nm节点器件进入批量生产,2007年半导体制造技术已经达到65 nm节点级别和11 nm的套刻精度,随着技术的不断进步,目前技术节点正在向1x nm以下继续延伸。摩尔定律总是在触碰半导体工艺的极限,却在即将唱衰时因黑科技的拯救而重获新生。这一切变化的关键是光刻技术,新一代的集成电路的出现总是代表着当时最先进的光刻技术水平的应用,而相比其它单个制造工艺技术而言,光刻对芯片性能的发挥有着革命性的贡献。

1947年,贝尔实验室发明第一只点接触晶体管,光刻技术自此开始发展,随着计算机的大量使用,芯片的需求急剧增加,光刻技术迅速被人们重视,并飞速发展。

另外,相对于半导体芯片蚀刻的光刻技术,微纳蚀刻技术在智能手机、柔性显示、可穿戴芯片等新兴产业及基础前沿研究的推动力越来越大,多种新型的纳米蚀刻技术成为近年来的研究热点,包括电子束/聚焦离子束光刻、激光直写光刻、微LED光刻、自组装阳极氧化铝模板、纳米压印、模板光刻、纳米球光刻、蘸笔纳米光刻等。

集成电路光刻及各种微纳蚀刻技术代表了人类迄今为止能达到最精细的加工手段。二者相互补充、相互促进,推动了包括集成电路芯片、智能手机、平板显示、生化传感器等产业的发展,及基础前沿领域的探索。

(节选自:《2016-2017感光影像学学科发展报告》)