二、光刻 Photo-lithography

光刻的原理：光刻胶（Photoresist，PR，又叫光阻）是一种光敏感材料，被UV（紫外光）照射后化学性质会发生变化，可以被显影液（Developer）泡掉；而没有被紫外光照射的部分，就不会被泡掉。通过这一点，就可以在光刻胶上开洞，然后把暴露出来的下面的材料刻蚀掉，而被光刻胶覆盖住的部分就不会被刻蚀液影响。

光刻样品需要分几步？把冰箱门打开，把大象塞进去，把冰箱门关上。哦，不不，跑题了。。。其实光刻分四步：涂胶、曝光、显影和刻蚀。本着认真负责，而且不侵犯图片版权的态度，自己画了以下流程图。(这里以TFT制程中需要光刻的第一步举例）

Fig. 3 光刻流程示意图。（1）需要被刻蚀的ZnO已经沉积在SiO2/Si沉底上；（2）涂胶；（3）曝光；（4）显影；（5）刻蚀；（6）清洗。

这里需要提一句，由于光刻胶是光敏感材料，以下所有工艺最理想情况下全部都要在黑暗情况下进行。但是人眼需要看嘛，需要光，而光刻胶对于黄光的吸收是最弱的，所以我们把房间照黄光。

Fig. 4 黄光室

2.1 涂胶 Spin-coating
利用旋涂的方法，把光刻胶（Photoresist，PR）涂上去。因为光刻胶是粘性的，所以可以用这种方法。旋涂就是下面一个托盘，中间有个洞可以吸气，把样品背面吸上去，然后把光刻胶挤上样品正面去，然后高速旋转，就涂平了。光阻层的厚度与转速成负相关，相关参数可以在所用的光阻说明书上找到。

Fig. 5 旋涂机 （Spin Coater）

2.2 曝光 Exposure
光刻板（mask，又叫光罩）：光刻板就是在石英板上镀上呈某种图案排列的铬金属。石英透光，金属不透光。UV光透过光刻板照射光刻胶后，被照射地方的化学性质发生变化，而没有被光照射到的地方性质不变。性质变化的部分可以在显影液中被反应掉，暴露出下面的材料，这部分材料在刻蚀液中被刻蚀掉。光刻板上的图案如何，就意外着这颗晶体管的设计如何。光刻板一旦制造完成，不可更改。所以在芯片制程中，光刻板的设计至关重要。微电子微电子，学术上用的光刻板的图案最小尺寸一般在微米量级。高线宽要求使得制造光刻板的成本也相应增高。一块作业本大小的光刻板大概 $1000 左右。

Fig. 6 光刻板

光刻机：上面是紫外线UV光源，中间放光刻板，下面放涂好了光刻胶的样品

Fig. 7 Karl-Suss MJB-3 光刻机。这破机器得德国进口，虽然是淘汰产品，海关还不好过，二手的也还得 $20,000+ 一台。

把涂好胶的样品放进光刻机，把光刻板放进去，UV照射持续某个特定时间，被照射部分的光刻胶化学性质发生变化，完成曝光。曝光时间过短，导致曝光不完全，延长显影时间，太短的话图案根本出不来；曝光时间过长，由于光的衍射，被光刻板遮盖住的地方一样会被曝光。

2.3 显影 Develop
把曝过光的样品放进显影液显影。注意：这个时候手不能晃，手晃了，影就很可能显花了。显影大概几十秒，时间过短，反应不完全；时间过长，没有被曝光的部分也会开始反应，所以显影时间需要控制。另外，显影液对温度极度敏感，若房间温度变化超过5摄氏度，显影时间变化较大。
显完影之后的样品，被曝到光的光刻胶全部被显影液反应掉，暴露出光刻胶下面的材料；而没有被曝光的光刻胶还在上面，遮盖住下面的材料。下图可以很明显的看出来，显影液中红紫色的东西是反应掉的光阻。

Fig. 8 显影

2.4 刻蚀 Etching
此时把样品放到刻蚀液（etchant）里刻蚀。为了加速离子输运，一般是用镊子捏住样品，然后在酸里面晃。注意别晃掉了。刻蚀ZnO用的刻蚀液是盐酸，配好浓度，几秒就可以了。为了更加精确控制，可以盐酸之后再加一步醋酸，因为醋酸的刻蚀速率比盐酸慢很多。若刻蚀时间过长，导致侧向腐蚀，时间太长，下面可能就刻穿了（开玩笑的，侧蚀速率比纵向慢的多）；时间过短，刻不完全。
光刻胶不会和酸反应。这一步把没有被光刻胶覆盖的材料刻蚀掉，而被光刻胶遮盖住的部分不受影响。

2.5 清洗 Cleaning
光刻胶本身是有机物，相似相容，溶于有机溶剂。依次用丙酮、甲醇、去离子水，在超声机里振，把光刻胶洗掉，刻蚀过后的ZnO薄膜一块一块地排列在样品上，形成Fig. 3 (6) 的样子，这就是一个一个器件的沟道。超声机其实就是眼镜店里给顾客洗眼镜的，不贵，$150左右。

Fig. 9 某品牌超声机

做到这一步，光刻的所有步骤就做完了。因为这一步骤在整个半导体器件制程中至关重要，且会重复多遍，所以专文叙述，不知道看客看明白了么？笔者正在申请知乎专栏，希望可以很快批下来。本系列的后续文章将按照制程工艺的顺序，一篇文章一个工艺地介绍。下一篇文章将介绍介电层沉积，也就是Fig. 3中的SiO2是怎么来的。

补充说明：
1. 光刻胶分正胶、反胶，上文介绍的是正胶。反胶说的是，被UV照射过的地方不与显影液反应，而没有被照射过的地方反应
2. 光刻板也分阴阳两种，上文介绍的是阳文的，也就是需要留材料的地方光线不可以通过，而不留材料的地方光线可以通过。阴文相反。
3. 光刻胶正胶反胶的选择与光刻板阴阳的选择是有讲究的，本文不做深究，后续文章在介绍lift-off工艺的时候会讨论。
4. 其实上文中缺了一步很重要的步骤：烘焙。这一步在涂胶之后，曝光之前。因为为了旋涂，光刻胶呈粘稠液体状，但是曝光的时候不能是粘稠液体，不然光刻板就被粘住了，而且会把光刻板弄得很脏。所以在曝光之前，需要烘焙一下，把多余的液体成分烘干。

Thanks for reading! And have a nice day!