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芯片光刻的流程详解(下)

六、曝光(Exposure)  

在这一步中,将使用特定波长的光对覆盖衬底的光刻胶进行选择性地照射。光刻胶中的感光剂会发生光化学反应,从而使正光刻胶被照射区域(感光区域)、负光刻胶未被照射的区域(非感光区)化学成分发生变化。这些化学成分发生变化的区域,在下一步的能够溶解于特定的显影液中。

在接受光照后,正性光刻胶中的感光剂DQ会发生光化学反应,变为乙烯酮,并进一步水解为茚并羧酸(Indene-Carboxylic-Acid, CA),羧酸在碱性溶剂中的溶解度比未感光部分的光刻胶高出约100倍,产生的羧酸同时还会促进酚醛树脂的溶解。利用感光与未感光光刻胶对碱性溶剂的不同溶解度,就可以进行掩膜图形的转移。

曝光方法:

a、接触式曝光(Contact Printing)掩膜板直接与光刻胶层接触。

b、接近式曝光(Proximity Printing)掩膜板与光刻胶层的略微分开,大约为10~50μm。

c、投影式曝光(Projection Printing)。在掩膜板与光刻胶之间使用透镜聚集光实现曝光。

d、步进式曝光(Stepper)

这里特别说一下投影式曝光的分类:

曝光中最重要的两个参数是:

1.曝光能量(Energy)

2.焦距(Focus)

如果能量和焦距调整不好,就不能得到要求的分辨率和大小的图形。表现为图形的关键尺寸超出要求的范围。

曝光中最重要的两个参数 

七、显影(development)

通过在曝光过程结束后加入显影液,正光刻胶的感光区、负光刻胶的非感光区,会溶解于显影液中。这一步完成后,光刻胶层中的图形就可以显现出来。为了提高分辨率,几乎每一种光刻胶都有专门的显影液,以保证高质量的显影效果。

显影工序使将在曝光过程中形成的隐性图形成为光刻胶在与不在的显性图形,以作为下一步加工的膜版。显影中进行的是选择性溶解的过程,最重要的是曝光区和未曝光区之间溶解率的比值(DR)。商用正胶有大于1000的DR比,在曝光区溶解速率为3000nm/min,在未曝光区只有几nm/min。

现在有二种显影方法,一是湿显影,他在IC和微加工中正广泛使用,另一种是干显影。

       a、整盒硅片浸没式显影(Batch Development)。缺点:显影液消耗很大;显影的均匀性差;

b、连续喷雾显影(Continuous Spray Development)/自动旋转显影(Auto-rotation Development)。一个或多个喷嘴喷洒显影液在硅片表面,同时硅片低速旋转(100~500rpm)。喷嘴喷雾模式和硅片旋转速度是实现硅片间溶 解率和均匀性的可重复性的关键调节参数。

c、水坑(旋覆浸没)式显影(Puddle Development)。喷覆足够(不能太多,最小化背面湿度)的显影液到硅片表面,并形成水坑形状(显影液的流动保持较低,以减少边缘显影速率的变 化)。硅片固定或慢慢旋转。一般采用多次旋覆显影液:第一次涂覆、保持10~30秒、去除;第二次涂覆、保持、去除。然后用去离子水冲洗(去除硅片两面的 所有化学品)并旋转甩干。优点:显影液用量少;硅片显影均匀;最小化了温度梯度。

显影液:

a、正性光刻胶的显影液。正胶的显影液位碱性水溶液。KOH和NaOH因为会带来可 动离子污染(MIC,Movable Ion Contamination),所以在IC制造中一般不用。最普通的正胶显影液是四甲基氢氧化铵(TMAH)(标准当量浓度为0.26,温度 15~250C)。在I线光刻胶曝光中会生成羧酸,TMAH显影液中的碱与酸中和使曝光的光刻胶溶解于显影液,而未曝光的光刻胶没有影响;在化学放大光刻 胶(CAR,Chemical Amplified Resist)中包含的酚醛树脂以PHS形式存在。CAR中的PAG产生的酸会去除PHS中的保护基团(t-BOC),从而使PHS快速溶解于TMAH显 影液中。整个显影过程中,TMAH没有同PHS发生反应。

b、负性光刻胶的显影液。二甲苯。清洗液为乙酸丁脂或乙醇、三氯乙烯。

显影中的常见问题:

a、显影不完全(Incomplete Development)。表面还残留有光刻胶。显影液不足造成;

b、显影不够(Under Development)。显影的侧壁不垂直,由显影时间不足造成;

c、过度显影(Over Development)。靠近表面的光刻胶被显影液过度溶解,形成台阶。显影时间太长。

显影 

、坚膜 Hard Bake)

刻胶显影完成后,图形就基本确定,不过还需要使光刻胶的性质更为稳定。硬烘干可以达到这个目的,这一步骤也被称为坚膜。在这过程中,利用高温处理,可以除去光刻胶中剩余的溶剂、增强光刻胶对硅片表面的附着力,同时提高光刻胶在随后刻蚀和离子注入过程中的抗蚀性能力。另外,高温下光刻胶将软化,形成类似玻璃体在高温下的熔融状态。这会使光刻胶表面在表面张力作用下圆滑化,并使光刻胶层中的缺陷(如针孔)减少,这样修正光刻胶图形的边缘轮廓。

O2等离子体对样品整体处理,以清除显影后可能的非望残留叫de-scumming。特别是负胶但也包括正胶,在显影后会在原来胶-基板界面处残留聚合物薄层,这个问题在结构小于1um或大深-宽比的结构中更为严重。当然在De-scumming过程中留胶厚度也会降低,但是影响不会太大。

最后,在刻蚀或镀膜之前需要硬烤以去除残留的显影液和水,并退火以改善由于显影过程渗透和膨胀导致的界面接合状况。同时提高胶的硬度和提高抗刻蚀性。硬烤温度一般高达120度以上,时间也在20分左右。主要的限制是温度过高会使图形边缘变差以及刻蚀后难以去除。

方法:热板,100~1300C(略高于玻璃化温度Tg),1~2分钟。

目的:a、完全蒸发掉光刻胶里面的溶剂(以免在污染后续的离子注入环境,例如DNQ酚醛树脂 光刻胶中的氮会引起光刻胶局部爆裂);

b、坚膜,以提高光刻胶在离子注入或刻蚀中保护下表面的能力;

c、进一步增强光刻胶与硅片表面之间的黏附性;

d、进 一步减少驻波效应(Standing Wave Effect)。

常见问题:

a、烘烤不足(Underbake)。减弱光刻胶的强度(抗刻蚀能力和离子注入中 的阻挡能力);降低针孔填充能力(Gapfill Capability for the needle hole);降低与基底的黏附能力。

b、烘烤过度(Overbake)。引起光刻胶的流动,使图形精度降低,分辨率变差。另外还可以用深紫外线(DUV,Deep Ultra-Violet)坚膜。使正性光刻胶树脂发生交联形成一层薄的表面硬壳,增加光刻胶的热稳定性。在后面的等离子刻蚀和离子注入(125~2000C)工艺中减少因光刻胶高温流动而引起分辨率的降低。

九、刻蚀或离子注入

刻蚀(英语:etching)是半导体器件制造中利用化学途径选择性地移除沉积层特定部分的工艺。刻蚀对于器件的电学性能十分重要。如果刻蚀过程中出现失误,将造成难以恢复的硅片报废,因此必须进行严格的工艺流程控制。半导体器件的每一层都会经历多个刻蚀步骤。

刻蚀一般分为电子束刻蚀和光刻,光刻对材料的平整度要求很高,因此,需要很高的清洁度。 但是,对于电子束刻蚀,由于电子的波长极短,因此分辨率与光刻相比要好的多。 因为不需要掩模板,因此对平整度的要求不高,但是电子束刻蚀很慢,而且设备昂贵。

对于大多数刻蚀步骤,晶圆上层的部分位置都会通过“罩”予以保护,这种罩不能被刻蚀,这样就能对层上的特定部分进行选择性地移除。在有的情况中,罩的材料为光阻性的,这和光刻中利用的原理类似。而在其他情况中,刻蚀罩需要耐受某些化学物质,氮化硅就可以用来制造这样的“罩”。 

离子注入是一种将特定离子在电场里加速,然后嵌入到另一固体材料之中的技术手段。使用这个技术可以改变固体材料的物理化学性质,现在已经广泛应用于半导体器件制造和某些材料科学研究。离子注入可以导致核转变,或改变某些固体材料的晶体结构。

 

十、光刻胶的去除

光刻胶的主要功能是在整个区域进行化学或机械处理工艺时,保护光刻胶下的衬底部分。所以当以上工艺结束之后,光刻胶应全部去除,这一步骤简称去胶。只有那些高温稳定的光刻胶,例如光敏感聚酰亚胺,可以作为中间介质或缓冲涂层而留在器件上。

为避免对被处理表面的任何损伤,应当使用低温下温和的化学方法。超声波的应用也可以增强剥离效能。因为有腐蚀问题、一些已知的剥离液不能作用与铝等金属表面;在此情况下、臭氧或氧等离子体(灰化)是首先采用的。这些等离子体同样成功地作为非铝表面的光刻交剥离剂,但是,器件表面的损坏仍是要解决的问题。

刻蚀或离子注入之后,已经不再需要光刻胶作保护层,可以将其除去。去胶的方法分类如下:

湿法去胶

有机溶剂去胶:利用有机溶剂除去光刻胶

无机溶剂:通过使用一些无机溶剂,将光刻胶这种有机物中的碳元素氧化为二氧化碳,进而而将其除去

干法去胶:利用等离子体将光刻胶剥除

除了这些主要的工艺以外,还经常采用一些辅助过程,比如进行大面积的均匀腐蚀来减小衬底的厚度,或者去除边缘不均匀的过程等等。一般在生产半导体芯片或者其它元件时,一个衬底需要多次重复光刻。

以上是光刻的步骤,特此收集给大家,希望指正。


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