微加工光刻技術課件

1、任課老師：李愛農匯 報 人：鄒 旺MEMS光刻技術1 光刻機2光刻流程3光刻膠光刻工藝發(fā)展4 微細加工技術中的加工方法種類繁多，可以按現(xiàn)代加工技術的一般分類方法將其分為四大類：1）去除加工將材料的某一部分分離出去的加工方式，如光刻、化學刻蝕、電解拋光等；2）增材加工同種或不同材料的附和加工或相互結合加工，如化學鍍、電鍍、濺射沉積、離子鍍膜等；3）變形加工使材料形狀發(fā)生改變的加工方式，如微細離子流拋光（研磨、壓光）、熱流動表面加工（氣體高溫、高頻電流、熱射線、電子束、激光）等；4）整體處理及表面改性等。 光刻是加工制造集成電路圖形結構以及微結構的關鍵工藝之一。 光刻工藝就是利用光敏的抗蝕涂層發(fā)生

2、光化學反應，結合腐蝕方法在各種薄膜或硅上制備出合乎要求的圖形，以實現(xiàn)制作各種電路元件、選擇摻雜、形成金屬電極和布線或表面鈍化的目的。光刻的整個生產過程光刻三要素：光刻膠、掩膜版和光刻機光刻膠又叫光致抗蝕劑，它是由光敏化合物、基體樹脂和有機溶劑等混合而成的膠狀液體光刻膠受到特定波長光線的作用后，導致其化學結構發(fā)生變化，使光刻膠在某種特定溶液中的溶解特性改變正膠 凡是在能量束（光束、電子束、離子束等）的照射下，以降解反應為主的光刻膠稱為正性光刻膠，簡稱正膠。PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)光刻膠由重氮醌酯（DQ）和酚酫樹酯（N）兩部分組成的DNQ。 分辨率高，在超大規(guī)模集成電路工藝中，一般只采用正膠

3、負膠 凡是在能量束（光束、電子束、離子束等）的照射下，以交聯(lián)反應為主的光刻膠稱為負性光刻膠，簡稱負膠。兩種組成部份的芳基氮化物橡膠光刻膠Kodak KTFR（敏感氮化聚慔戌二烯橡膠） 分辨率差，適于加工線寬3m的線條；這類光刻膠粘附力強，耐腐蝕，容易使用和價格便宜，是常用的光刻膠。 正膠：曝光后可溶負膠：曝光后不可溶光刻膠的性能指標(1)分辨率：分辨率是指用某種光刻膠光刻時所能得到的最小尺寸 (2)靈敏度：光刻膠的感光靈敏度反映了光刻膠感光所必須的照射量(3)粘附性：光刻膠與襯底之間粘附的牢固程度(4)抗腐蝕性：光刻工藝要求光刻膠在堅膜后，能夠較長時間不被腐蝕(5)穩(wěn)定性：光刻工藝要求光刻膠在

4、室溫和避光情況下加入了增感劑也不發(fā)生暗反應，在烘干燥時，不發(fā)生熱交聯(lián)(6)針孔密度：單位面積上的針孔數(7)留膜率：指曝光顯影后的非溶性膠膜厚度于曝光前膠膜厚度之比光源系統(tǒng) 對光源系統(tǒng)的要求 1、有適當的波長。波長越短，曝光的特征尺寸就越小； 2、有足夠的能量。能量越大，曝光時間就越短； 3、曝光能量必須均勻地分布在曝光區(qū)。 常用的 紫外光 光源是高壓弧光燈（高壓汞燈）。高壓汞燈有許多尖銳的光譜線，經過濾光后使用其中的 g 線（436 nm）或 i 線（365 nm）。光源紫外光（UV）深紫外光（DUV） g 線：436 nmi 線：365 nm極紫外光（EUV），10 15 nm X 射線，

5、0.2 4 nm 電子束 離子束 KrF 準分子激光：248 nm ArF 準分子激光：193 nm有掩模方式無掩模方式（聚焦掃描方式）接觸式非接觸式接近式投影式反射折射矢量掃描光柵掃描混合掃描曝光方式接觸式光刻機 優(yōu)點：設備簡單；分辨率比較高，約 0.5 m。 缺點：容易造成掩膜版和光刻膠膜的損傷，掩模版壽命短（10 20 次），硅片上圖形缺陷多，光刻成品率低。 接近式光刻機 優(yōu)點：在硅片和掩膜版之間有一個很小的間隙(1025m)，可以大大減小掩膜版的損傷，掩模壽命長（可提高 10 倍以上），圖形缺陷少。 缺點：衍射效應嚴重，使分辨率下降。 投影光刻機 利用透鏡或反射鏡將掩膜版上的圖形投影到

6、襯底上掩模硅片反射凹鏡反射凸鏡光源光源聚光透鏡投影器掩模硅片投影式全反射折射優(yōu)點：無像差，無駐波效應影響缺點：數值孔徑小，分辨率低優(yōu)點：數值孔徑大，分辨率高，對硅片平整度要求低，掩模制造方便缺點：曝光效率低，設備昂貴光刻工藝介紹1. 晶片清洗 2. 脫水和烘干 3. 甩膠4. 前烘 5. 曝光 6. 顯影 7. 堅膜 8. 腐蝕9. 去膠 清洗和烘干作用：保證硅片表面無灰塵、油脂、水，保證粘附性和光刻質量。 清洗不好，會造成脫膠、表面灰塵導致粘版、部分圖形不感光等光刻缺陷。表面不干燥，會造成脫膠如果硅片擱置較久或返工，應重新清洗烘干，烘干后立即甩膠。氧化、蒸發(fā)后可立即甩膠，不必清洗。清洗設備超

7、臨界干燥 兆聲清洗設備 硅片甩干機設備：甩膠臺。在硅片表面涂覆一層粘附性好，厚度適當，厚薄均勻的光刻膠。一般采用旋轉法，針對不同的光刻膠黏度和厚度要求，選擇不同的轉速。可分辨線寬是膠膜厚度的58倍。甩膠前烘就是在一定溫度下，使膠膜里的溶劑緩慢地揮發(fā)出來，使膠膜干燥，并增加其粘附性和耐磨性。前烘的溫度和時間隨膠的種類和膜厚不同而有所差別。方法：80C下1015分鐘。烘箱烘烤、紅外光照射、熱板處理前烘設備：光刻機對準：使掩膜的圖形和硅片上的圖形精確套合。曝光：對光刻膠進行選擇性光化學反應，使光刻膠改變在顯影液中的溶解性。通常采用紫外接觸曝光法對準和曝光正膠去曝光部分，負膠去未曝光部分部分光刻膠需要

8、超聲顯影顯影時間根據光刻膠種類、膜厚、顯影液種類、顯影溫度和操作方法確定。顯影后檢查光刻質量，不合格的返工。顯影(Development)除去顯影時膠膜吸收的顯影液和水分，改善粘附性，增強膠膜抗腐蝕能力。堅膜的溫度和時間要適當堅膜時間短，抗蝕性差，容易掉膠；堅膜時間過長，掩膜難以去除，或開裂。腐蝕時間長的可以采取中途多次堅膜堅膜用適當的腐蝕劑對顯影后暴露的表面進行腐蝕，獲得光刻圖形干法腐蝕和濕法腐蝕SiO2：HF，BHFAl：磷酸（7090 C，加乙醇或超聲去氣泡）；高錳酸鉀（ 4050 C）腐蝕濕法腐蝕： 濕法化學刻蝕在半導體工藝中有著廣泛應用：磨片、拋光、清洗、腐蝕。優(yōu)點：選擇性好、重復性

9、好、生產效率高、設備簡單、成本低缺點：鉆蝕嚴重、對圖形的控制性較差干法刻蝕濺射與離子束銑蝕：通過高能惰性氣體離子的物理轟擊作用刻蝕，各向異性性好，但選擇性較差。等離子刻蝕(Plasma Etching)：利用放電產生的游離基與材料發(fā)生化學反應，形成揮發(fā)物，實現(xiàn)刻蝕。選擇性好、對襯底損傷較小，但各向異性較差。反應離子刻蝕(Reactive Ion Etching，簡稱為RIE)：通過活性離子對襯底的物理轟擊和化學反應雙重作用刻蝕。具有濺射刻蝕和等離子刻蝕兩者的優(yōu)點，同時兼有各向異性和選擇性好的優(yōu)點。溶劑去膠：含氯的烴化物做去膠劑。氧化去膠：強氧化劑，如濃硫酸，雙氧水和氨水混合液等離子體去膠剝離工

10、藝去膠剝離工藝（Lift-Off）在光刻工藝中，有一種代替刻蝕方法的工藝，我們稱之為剝離工藝（Lift-Off）。在剝離工藝中，首先形成光刻圖形，然后沉積薄膜，最后用化學試劑去除光刻膠，此時連同不需要的薄膜一同除去，這個過程正好與刻蝕過程相反。光刻工藝的發(fā)展電子束光刻離子束光刻X射線光刻微立體光刻成型技術電子束光刻 電子束光刻與傳統(tǒng)意義的光刻(區(qū)域曝光)不同，是用束線刻蝕進行圖形的加工。在電子束光刻機中，電子束被電磁場聚集成微細束照到電子抗蝕劑(感光膠)上，由于電子束可以方便地由電磁場進行偏轉掃描，復雜的圖形可以直接寫到感光膠上而無需使用掩模版。電子束光刻與其他光刻技術相比，電子束光捌的優(yōu)點非

11、常明顯：首先，電子束光刻分辨率高，可達0.1um，如直接進行刻蝕可達到幾個納米。其次，電子束光刻不需要掩模版，非常靈活，很適合小批量、特殊器件的生產。目前，電子束光刻主要用于制作光學光刻的掩模。其發(fā)展方向是盡可能提高曝光速度，以適應大批生產 離子束光刻離子束光刻分為聚焦離子束曝光(FIB)、掩模離子束光刻(MIB)和離子束濺射光刻（BfP)。離于束光刻利用離子源進行曝光。 其原理是通過加熱使附在一根金、鎢或鉭的針尖端的鎵或金硅合金熔化，在外加電場作用下使液態(tài)金屬表面產生場致離子發(fā)射。其發(fā)射面積極小，可以較容易地利用離子光學系統(tǒng)將發(fā)射離子聚焦成微細離子束，進行高分辨率離子束曝光。 X射線光刻優(yōu)點速