光刻

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光刻英语photolithography)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刻胶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[编辑]

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刻胶。这层光阻剂在曝光(一般是紫外线)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刻胶上,可以对光刻胶进行选择性照射(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刻胶上。通常还将通过烘干措施,改善剩余部分光刻胶的一些性质。

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,未被溶解的光刻胶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,即将光刻胶去除,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。

光刻胶[编辑]

光刻中采用的感光物质被称为光刻胶,主要分为正光刻胶和负光刻胶两种。正光刻胶未被光照的部分在显影后会被保留,而负光刻胶被感光的部分在显影后会被保留。光刻胶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。不同的光刻胶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。光刻胶需要保存在特殊的遮光器皿中。

步驟[编辑]

衬底的准备[编辑]

在涂抹光刻胶之前,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,这一步通过脱水烘培来完成。此外,为了提高光刻胶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(hexa-methyl-disilazane, HMDS)、三甲基甲硅烷基二乙胺(tri-methyl-silyl-diethyl-amime, TMSDEA)等。

光刻胶的涂抹[编辑]

在这一步中,需要将光刻胶均匀、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. 将光刻胶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,光刻胶在随之旋转受到离心力,使得光刻胶向着硅片外围移动,故涂胶也可以被称作甩胶。经过甩胶之后,留在硅片表面的光刻胶不足原有的1%。

软烘干[编辑]

完成光刻胶的涂抹之后,需要进行软烘干操作,这一步骤也被称为前烘。

在液态的光刻胶中,溶剂成分占65%-85%。虽然在甩胶之后,液态的光刻胶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,可以使溶剂从光刻胶中挥发出来(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,从而提高光刻胶 衬底上的附着性。

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

曝光[编辑]

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。

显影[编辑]

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。

硬烘干[编辑]

光刻胶显影完成后,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。

刻蚀或离子注入[编辑]

光刻胶的去除[编辑]

这一步骤简称去胶。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。

优点和缺点[编辑]

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。