光刻

微影製程英語:)是半导体器件制造工艺中的一个重要步骤,该步骤利用曝光和显影在光阻层上刻画几何图形结构,然后通过刻蚀工艺将光掩模上的图形转移到所在衬底上。这里所说的衬底不仅包含晶圆,还可以是其他金属层、介质层,例如玻璃SOS中的蓝宝石

概述

在硅晶片上涂光阻剂的甩胶机

下面以衬底上金属连接的刻蚀为例讲解光刻过程。

首先,通过金属化过程,在硅衬底上布置一层仅数纳米厚的金属层。然后在这层金属上覆上一层光阻。这层光阻剂在曝光(一般是紫外线波长的准分子激光)后可以被特定溶液(显影液)溶解。使特定的光波穿过光掩膜照射在光阻上,可以对光阻进行选择性照射(曝光)。然后使用前面提到的显影液,溶解掉被照射的区域,这样,光掩模上的图形就呈现在光阻上。通常还将通过烘干措施,改善剩余部分光阻的一些性质。

上述步骤完成后,就可以对衬底进行选择性的刻蚀或离子注入过程,未被溶解的光阻将保护衬底在这些过程中不被改变。

刻蚀或离子注入完成后,将进行光刻的最后一步,即将光阻去除,以方便进行半导体器件制造的其他步骤。通常,半导体器件制造整个过程中,会进行很多次光刻流程。生产复杂集成电路的工艺过程中可能需要进行多达50步光刻,而生产薄膜所需的光刻次数会少一些。

光阻

微影製程中采用的感光物质被称为光阻,主要分为正光阻和负光阻两种。正光阻未被光照的部分在显影后会被保留,而负光阻胶被感光的部分在显影后会被保留。光阻不仅需要对指定的光照敏感,还需要在之后的金属刻蚀等过程中保持性质稳定。不同的光阻一般具有不同的感光性质,有些对所有紫外线光谱感光,有些只对特定的光谱感光,也有些对X射线或者对电子束感光。光阻需要保存在特殊的遮光器皿中。

步驟

衬底的准备

在涂抹光阻之前,硅衬底一般需要进行预处理。一般情况下,衬底表面上的水分需要蒸发掉,这一步通过脱水烘焙来完成。此外,为了提高光阻在衬底表面的附着能力,还会在衬底表面涂抹化合物。目前应用的比较多的是六甲基乙硅氮烷()、三甲基甲硅烷基二乙胺()等。

光阻的涂抹

在这一步中,需要将光阻均匀、平整地分布在衬底表面上。

首先,将硅片放在一个平整的金属托盘上,托盘内有小孔与真空管相连。由于大气压力的作用,硅片可以被“吸附”在托盘上,这样硅片就可以与托盘一起旋转。涂胶工艺一般分为三个步骤:

  1. 将光阻溶液喷洒在硅片表面;
  2. 加速旋转托盘(硅片),直到达到所需的旋转速度;
  3. 达到所需的旋转速度之后,以这一速度保持一段时间。以旋转的托盘为参考系,光阻在随之旋转受到离心力,使得光阻向着硅片外围移动,故涂胶也可以被称作甩胶。经过甩胶之后,留在硅片表面的光阻不足原有的1%。

软烘干

完成光阻的涂抹之后,需要进行软烘干操作,这一步骤也被称为前烘。

在液态的光阻中,溶剂成分占65%-85%。虽然在甩胶之后,液态的光阻已经成为固态的薄膜,但仍有10%-30%的溶剂,容易沾污灰尘。通过在较高温度下进行烘培,可以使溶剂从光阻中挥发出来(前烘后溶剂含量降至5%左右),从而降低了灰尘的沾污。同时,这一步骤还可以减轻因高速旋转形成的薄膜应力,从而提高光阻 衬底上的附着性。

在前烘过程中,由于溶剂挥发,光阻厚度也会减薄,一般减薄的幅度为10%-20%左右。

曝光

在这一步中,将使用特定波长的光对覆盖衬底的光阻进行选择性地照射。光阻中的感光剂会发生光化学反应,从而使正光阻被照射区域(感光区域)、负光阻未被照射的区域(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,正性光阻中的感光剂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(),羧酸在碱性溶剂中的溶解度比未感光部分的光阻高出约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阻对碱性溶剂的不同溶解度,就可以进行掩膜图形的转移。

显影

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

硬烘干

光阻显影完成后,图形就基本确定,不过还需要使光阻的性质更为稳定。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,可以除去光阻中剩余的溶剂、增强光阻对硅片表面的附着力,同时提高光阻在随后刻蚀离子注入过程中的抗蚀性能力。另外,高温下光阻将软化,形成类似玻璃体在高温下的熔融状态。这会使光阻表面在表面张力作用下圆滑化,并使光阻层中的缺陷(如针孔)减少,这样修正光阻图形的边缘轮廓。

刻蚀或离子注入

光阻的去除

这一步骤简称去胶。刻蚀或离子注入之后,已经不再需要光阻作保护层,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阻
    • 无机溶剂:通过使用一些无机溶剂,将光阻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:利用等离子体将光阻剥除

除了这些主要的工艺以外,还经常采用一些輔助过程,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。

曝光系統

超大规模積體電路(VLSI)是曝光使用投影系統。曝光機可以應用於積體電路產業鏈中晶圓製造、封裝測試,以及平板顯示、高亮度LED等領域。

优点和缺点

光刻的优点是它可以精确地控制形成图形的形状、大小,此外它可以同时在整个晶片表面产生外形轮廓。不过,其主要缺点在于它必须在平面上使用,在不平的表面上它的效果要差一些。此外它还要求衬底具有极高的清洁条件。

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