光刻技术图形转移工艺二:光刻材料及设备 - 汶颢股份
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光刻技术图形转移工艺二:光刻材料及设备

1.光刻胶

正胶

正胶

负胶

负胶

光刻胶也称为光致抗蚀剂,是一种光敏材料,它受到光照后特性会发生改变。光刻胶主要用来将光刻掩膜版上的图形转移到晶圆片上。

    光刻胶有正胶和负胶之分。正胶经过曝光后,受到光照的部分变得容易溶解,经过显影后被溶解,只留下未受光照的部分形成图形;而负胶却恰恰相反,经过曝光后,受到光照的部分会变得不易溶解,经过显影后,留下光照部分形成图形。

    负胶在光刻工艺上应用最早,其工艺成本低、产量高,但由于它吸收显影液后会膨胀,导致其分辨率(即光刻工艺中所能形成最小图形)不如正胶,因此对于亚微米甚至更小尺寸的加工技术,主要使用正胶作为光刻胶。

2.光刻掩膜版

集成电路设计与工艺制造之间的接口是版图。那么什么是版图呢?集成电路的版图就是对应于晶圆片上电路元器件结构的几何图形组合,只不过这些几何图形是由不同层的图形组合而成的,如有源层、多晶硅、N+注入或P+注入,N阱(用于制作PMOS晶体管)以及金属层等。

    集成电路的版图是由设计工程师在工作站上完成的,最终得到的是关于版图的图像或数据,该数据被交付给集成电路制造商,而制造商要将版图的图形转移到晶圆片上,就需要经过一个重要的中间环节──制版,即制作一套相应的光刻掩膜版。制版的目的就是产生一套分层的版图光刻掩膜版,为将来进行图形转移(光刻和刻蚀)做准备。

    制造商将设计工程师交付的标准制版数据传送给一个称作图形发生器的设备,图形发生器会根据该数据完成图形的缩小和重复,并将版图数据分层转移到各层光刻掩膜版(为涂有感光材料的优质玻璃板)上,这就是制版。每层版图对应于不同的光刻掩膜版,并对应于不同的工艺步骤。

光刻掩膜版质量的优劣直接影响光刻图形的质量。在芯片制造过程中需要经过十几乃至几十次的光刻,每次光刻都需要一块光刻掩膜版,每块光刻掩膜版的质量都会影响光刻的质量。因此要有高的成品率,就必须制作出高质的光刻掩膜版。

3.曝光系统

曝光机

曝光机

 将光刻掩膜版与涂上光刻胶的晶圆片对准,用一定波长的紫外光经过光刻掩膜版照射晶圆片,使晶圆片上受光照的光刻胶的特性发生变化,这就是曝光。

曝光系统(光刻机)主要有光学曝光系统和非光学曝光系统。光学曝光系统的发展经历了五个阶段,即接触式曝光、接近式曝光、投影式曝光、扫描投影式曝光以及步进扫描投影曝光,其中接触式曝光、接近式曝光和投影式曝光为普通的曝光系统。

非光学曝光系统有电子束曝光、X射线曝光和离子束曝光,这种曝光系统容易达到较高的分辨率,其中,限角度投影式电子束光刻系统是目前最具应用前景的非光学光刻系统。

三、精妙的光刻工艺

光刻工艺能刻蚀出多细的线条直接影响芯片的集成度。工艺线上能够刻蚀出最细的线条即为该工艺的特征尺寸,它反应了生产线的工艺水平。

    光刻工艺的过程非常复杂。在进行光刻时,首先需要通过曝光将光刻掩膜版的图形精确地复制到光刻胶上,然后经过显影后,去掉需要进行进一步加工那部分的光刻胶(即开出窗口),露出下层的待刻材料,然后在未去除的光刻胶的保护下,对窗口处待刻材料进行刻蚀,得到所需的图形,为下一步工艺如掺杂等做好准备。

    通常将整个光刻工艺过程分为底膜处理、涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜、刻蚀以及去胶等八个工艺步骤。

 

1.底膜处理

晶圆片制造过程中许多问题都是由于表面污染和缺陷造成的,因此晶圆片表面的处理对于集成电路制造成品率是非常重要的。

    底膜处理是光刻工艺的第一步,其主要目的是对晶圆片表面进行处理,以增强晶圆片与光刻胶之间的黏附性。

    底膜处理包括以下步骤

    1、清洗

    使晶圆片表面洁净、干燥,这样的晶圆片表面才能与光刻胶形成良好的接触。

    2. 烘干

    晶圆片表面容易吸附湿气,从而会影响光刻胶的黏附性,所以需将晶圆片表面烘烤干燥。

    3.增粘处理

为了使晶圆片与光刻胶之间粘附良好,需在烘干后的晶圆片表面涂上一层增粘剂,使晶圆片和光刻胶之间的黏着力增强。

2.涂胶

匀胶机(甩胶机)

匀胶机(甩胶机)

对晶圆片进行底膜处理后,便可以进行涂胶,即在晶圆片上涂上一层粘附良好、厚度适当、均匀的光刻胶膜。

涂胶时的晶圆片表面必须是清洁干燥的。如果晶圆搁置较久,就需要重新进行清洁处理后再涂胶。晶圆片最好在氧化后立即涂胶,此时其表面未被沾污。

一般采用旋转法对晶圆片进行涂胶。其原理是利用晶圆片转动时产生离心力,将滴于片上的胶液甩开。在光刻胶表面张力和晶圆片旋转离心力的共同作用下,最终展成厚度均匀的光刻胶膜。 胶膜厚度由晶圆片转速和胶的浓度来控制。要求厚度适当,膜层均匀,粘附良好。

3.前烘

烘胶台/烤胶机/热板

烘胶台

涂胶完成后,仍有一定量的溶剂残存在胶膜内,若直接曝光,会影响图形的尺寸及完好率。因此,涂胶后,需经过一个高温加热的步骤即前烘,也叫软烘,它对后序的一些工艺参数有很大的影响。

    前烘就是在一定的温度下,使光刻胶膜里面的溶剂缓慢地、充分地逸出来,使光刻胶膜干燥,其目的是增加光刻胶与衬底间的粘附性、增强胶膜的光吸收以及抗腐蚀能力,以及缓和涂胶过程中胶膜内产生的应力等。

4.曝光

曝光是使光刻掩膜版与涂上光刻胶的晶圆片对准,用光源经过光刻掩膜版照射晶圆片,使接受到光照的光刻胶的光学特性发生变化。

    曝光中要特别注意曝光光源的选择和对准:

    1、曝光光源

    光源的波长对光刻胶的感光性有很大的影响,每种光刻胶都有自己的吸收峰和吸收范围,它只对波长在吸收范围内的光才比较敏感,因此选择的曝光光源必须要满足光刻胶的感光特性。

    2、对准

    对准指光刻掩膜版与光刻机之间的对准,二者均刻有对准标记,使标记对准即可达到光刻掩膜版与光刻机的对准。

5.显影

显影就是用显影液溶解掉不需要的光刻胶,将光刻掩膜版上的图形转移到光刻胶上。

    正胶经过曝光和显影后,只留下未受光照的部分形成图形;而负胶经过曝光和显影后,只留下光照部分形成图形。

    显影液和显影时间的选择对显影效果的影响是极为重要的。显影液的选择原则是:对需要去除的那部分光刻胶膜溶解得快,溶解度大,对需要保留的那部分光刻胶膜溶解度极小。

    显影工艺(包括温度、时间、剂量等)的控制非常重要,控制不当,光刻胶图形就会出现问题,继而影响到后面的刻蚀工艺。

6.坚膜

和前烘一样,坚膜也是一个热处理步骤。就是在一定的温度下,对显影后的晶圆片进行烘焙。

经过显影的光刻胶膜已经软化、膨胀,胶膜与晶圆片表面之间的黏附性下降。坚膜的目的是要使残留的光刻胶溶剂全部挥发,提高光刻胶与晶圆片表面的黏附性以及光刻胶的抗腐蚀能力,使光刻胶确实能够起到保护作用,为下一步的刻蚀做好准备。坚膜同时也除去了剩余的显影液和水。

7.刻蚀

经过前面的一系列工艺已将光刻掩膜版的图形转移到光刻胶上。为了制作集成电路元器件,需将光刻胶上的图形进一步转移到光刻胶下层的材料上。这个任务就由刻蚀来完成。

    刻蚀就是将涂胶前所淀积的薄膜中没有被光刻胶(经过曝光和显影后)覆盖和保护的那部分去除掉,达到将光刻胶上的图形转移到其下层材料上的目的。

    光刻胶的下层薄膜可能是二氧化硅、氮化硅、多晶硅或者金属材料。材料不同或图形不同,刻蚀的要求不同。

    实际上,光刻和刻蚀是两个不同的加工工艺,但因为这两个工艺只有连续进行,才能完成真正意义上的图形转移,而且在工艺线上,这两个工艺经常是放在同一工序中,因此有时也将这两个步骤统称为光刻。

8.去胶

超声波清洗机

超声波清洗机

光刻胶除了在光刻过程中用作从光刻掩膜版到晶圆片的图形转移媒介,还用做刻蚀时不需刻蚀区域的保护膜。当刻蚀完成后,光刻胶已经不再有用,需要将其彻底去除,完成这一过程的工序就是去胶。此外,刻蚀过程中残留的各种试剂也要清除掉。

    常用的去胶方法有溶剂去胶、氧化去胶以及等离子去胶三种。

    1、溶剂去胶

    将带有光刻胶的晶圆片浸泡在去胶容剂中去胶。

    2、氧化去胶

    利用氧化剂与光刻胶反应来去胶。

    3. 等离子去胶

    利用高频电磁场使氧气在高频电场作用下电离形成等离子体,其氧化能力非常强,与光刻胶反应使光刻胶变成易挥发的物质被排出系统,达到去胶的目的。

    去胶结束,整个光刻流程也就结束了。