文章来源：半导体全解

激光直写光刻技术（Laser Direct Writing Lithography, LDWL）是一种无掩模光刻技术，可以在光刻胶上以亚微米的精度定制任意的三维结构。

激光直写光刻技术工艺是一种利用激光与光刻胶相互作用，通过调整曝光剂量来实现对光刻胶加工的技术方法。这种技术工艺具有较高的空间分辨率、简单的操作过程和广泛的应用领域。

激光直写光刻技术并非一个独立出来的技术工艺，而是一套把激光直写光刻技术作为主要工艺技术的整体工艺技术。因此，每个阶段的工艺参数都会影响最终制备的图案的形态。如图所示，激光直写光刻技术工艺包括衬底表面处理工艺、光刻胶涂布工艺、光刻胶前烘烤工艺、激光直写光刻曝光工艺、显影工艺和后烘烤工艺。

激光直写光刻技术流程中，表面处理技术是第一道关键工艺，对于实现高分辨率和高精度的光刻工艺至关重要。衬底的表面处理包括清洗、去除表面杂质、表面改性等主要工序。

首先，采用化学清洗方法来去除衬底表面的有机物、金属离子和微小颗粒，从而确保光刻胶在衬底上涂布均匀。如果衬底表面有灰尘颗粒，旋涂后的光刻胶便会不均匀地分布在衬底表面，从而影响后续的光刻工艺。

接下来，衬底在酸碱溶液中浸泡并冲洗以去除表面杂质。最后，通过UV、等离子体或其它表面改性技术实现光刻胶与衬底之间的良好附着力。

光刻胶（photoresist）是光刻过程中必不可少的一种光敏材料。光刻胶按照正胶和负胶分类，正胶曝光后溶解性增强，负胶则是相反的。

光刻胶对大部分可见光灵敏，唯独对黄光不灵敏，因此光刻工艺通常都是在黄光区内完成。

在对表面进行处理后，需要对光刻胶进行涂布，涂布技术要实现光刻胶均匀、稳定地覆盖在衬底上。

根据不同的应用需求，可使用旋涂、喷涂或浸涂这三种涂布方式。

其中，旋涂是一种常见的抗蚀剂涂层技术。在清理干净的玻璃衬底或者硅衬底上滴上光刻胶，使用匀胶机对光刻胶进行旋涂，旋涂过程中需要控制衬底旋转速度、涂胶时间等关键参数，以保证光刻胶涂层的均匀性。

旋涂设备如下图所示，通常光刻胶的涂布厚度与自旋速度的平方根的倒数成正比。

光刻胶在集成电路制备过程中发挥着至关重要的作用，根据功能和特性的不同，光刻胶有广泛的分类。

按照敏感光源类型区分，光刻胶可分为紫外线光刻胶（波长范围在300nm至450nm）、深紫外线光刻胶（波长范围在160nm至280nm）以及极紫外线光刻胶（曝光波长仅为几十纳米）。

随着微纳结构尺寸越来越小，化学放大型光刻胶已广泛应用于集成电路行业。此外，根据光刻胶在激光曝光后的化学反应特性，光刻胶还可以划分为正性光刻胶和负性光刻胶。

在激光直写光刻技术中，正性光刻胶被应用得较为普遍；而在双光子光刻技术中，则更倾向于使用负性光刻胶制备微纳结构。

随着激光直写光刻技术的崛起，紫外线光刻正胶再次成为相关人员的关注焦点。从对激光吸收效率的角度出发，紫外线光刻胶还可以进一步细分为G线（波长为436nm）光刻胶和I线（波长为356nm）光刻胶。激光在向下曝光时，所需剂量与曝光深度不成正比。越向下曝光，随着增加能量的上升，曝光的增加深度在逐渐的减少。而且，曝光能量与深度呈近似二次函数关系，为了尽可能减少这种非线性的关系（G线光刻正胶，可以实现灰度曝光），选择通用的灰度光刻用胶（AZ4562光刻胶）来制备所设计的三维存储器件。

光刻胶旋涂结束后，需要进行前烘烤，前烘烤设备采用烘胶机进行烘烤（如下图NDK-1K）。

前烘烤是为了加固光刻胶涂层，提高涂胶和烘烤过程的稳定性和可控性。常用的前烘烤工艺包括热烘烤和紫外照射烘烤。通过前烘烤使得光刻胶涂层中的溶剂挥发，降低光刻胶与衬底间的层间杂质含量，使光刻胶表面变得更为平整。

前烘烤过程需要严格控制烘烤温度和时间，以免影响光刻胶的光学性能。一般情况下，建议采用100°C温度和50s时间的方式来进行前烘（MicroChemical 公司）。

由于厚胶微结构中会产生氮气（N2）气泡，需要对前烘的时间和温度进行相应调整。因此，为了消除N2产生的现象，前烘温度应适当降低。

激光直写光刻是一种重要的微纳加工技术，可以制备出高精度、高深宽比的结构。激光直写光刻设备如下图所示（型号为 PICOMASTER 100）：

其曝光工艺过程如下：首先，经过对光刻胶的烘烤处理后，将其放置在激光直写光刻设备中进行曝光。在这个过程中，激光器会产生高亮度的紫外光束，根据预定的图案在光刻胶上逐点进行曝光。在光的作用下，光刻胶的化学结构改变，由于光刻胶分为正性光刻胶和负性光刻胶两种类型，相应部分溶解性会发生变化，最终得到所需的微器件结构。

在激光直写光刻曝光工艺中，曝光参数的设定至关重要，准确选择并控制曝光参数可以影响到光刻图案的宽度、边缘粗糙度等性能。激光直写光刻设备的曝光参数主要包括曝光剂量、曝光光斑尺寸、激光光斑移动步长等。其中，曝光剂量需要根据所需结构的高度来确定，过高或过低都会影响结构的制备质量。曝光光斑尺寸作为决定可制备结构尺寸的重要参数之一，较小的光斑适用于制备具有较小特征尺寸的三维结构，而较大的光斑则适用于制备较大尺寸结构。通过控制光斑的移动步长，可以制备高深宽比微结构。而焦点补偿需要由光刻胶厚度决定。

这些参数的不当选择都可能导致结构尺寸和质量的降低。在激光直写光刻曝光工艺中，还需要注意边缘效应。由于激光在边缘处的能量不均匀分布，会使得光刻胶在边缘部分产生额外的聚合/断裂反应，从而导致边缘不光滑。

因此，需要在工艺中对边缘效应进行特殊处理，以获得较好的曝光效果。为了保证制备器件过程中设计的图形的边缘得到完整的刻蚀，不出现较大程度的失真，引入了光学邻近校正（OPC）方法。

当光刻胶被激光直写光刻设备曝光后，需要对所使用的光刻胶进行显影处理，以得到所需要的微结构形态。这种显影过程必须通过化学显影液（developer）完成，化学显影液中含有可以溶解光刻胶涂层中的部分的化学试剂。在显影过程中，需要对显影液的类型、浓度、显影温度和显影时间等参数进行精准控制，以确保所显影出来的微结构形态清晰、精准。

后烘烤是在显影完成后，对衬底进行最后的热处理，将光刻胶中的水分烘烤出来，并使光刻胶中的化学物质充分反应，在实际制作工艺中也被称为PBE（Postbaked Exposure）。

后烘烤目的是提高光刻胶的耐刻蚀性能与附着力。后烘烤过程要控制烘烤的温度和时间，以便适应不同材料和图案的要求，从而保证微纳器件的性能和稳定性。

通常设定后烘温度低于光刻胶熔点。

对于选定的材料和结构，通过使用激光束在光敏材料表面进行微纳米尺度图形刻写即可得到所需三维器件。

此外，4096的高曝光灰度，即12位灰度级的高分辨率，可以使其在垂直方向上实现高的书写分辨率。与其他方法相比，大面积的微纳结构可以转移到其他材料上而不需要复杂的模具,只需要制作一个模具就可以进行大规模生产。

激光直写光刻技术基本原理是通过聚焦激光束，使光敏材料发生光化学反应以形成所需的微纳米结构图案。由于其具有高分辨率、快速成型、无需光罩等优势，被大量应用于集成光电子学、微电子学和微系统技术等领域。

(1)宋磊 基于激光直写光刻的三维存储器件设计及应用[D].