微影

本頁使用了標題或全文手工轉換
維基百科,自由的百科全書

微影製程(英語:photolithography 或 optical lithography,中國大陸稱為光刻工藝,台灣稱為微影製程)是半導體元件製造製程中的一個重要步驟,該步驟利用曝光和顯影在光阻層上刻畫幾何圖形結構,然後通過蝕刻製程將光罩上的圖形轉移到所在基板上。這裏所說的基板不僅包含晶圓,還可以是其他金屬層、媒介層,例如玻璃SOS中的藍寶石

概述[編輯]

在矽晶片上塗光阻劑的甩膠機

下面以基板上金屬連接的蝕刻為例講解微影過程。

首先,通過金屬化過程,在矽基板上佈置一層僅數納米厚的金屬層。然後在這層金屬上覆上一層光阻。這層光阻劑在曝光(一般是紫外線波長的準分子激光)後可以被特定溶液(顯影液)溶解。使特定的光波穿過光掩膜照射在光阻上,可以對光阻進行選擇性照射(曝光)。然後使用前面提到的顯影液,溶解掉被照射的區域,這樣,光罩上的圖形就呈現在光阻上。通常還將通過烘乾措施,改善剩餘部分光阻的一些性質。

上述步驟完成後,就可以對基板進行選擇性的蝕刻或離子佈植過程,未被溶解的光阻將保護基板在這些過程中不被改變。

蝕刻或離子佈植完成後,將進行微影的最後一步,即將光阻去除,以方便進行半導體元件製造的其他步驟。通常,半導體元件製造整個過程中,會進行很多次微影流程。生產複雜集成電路的製程過程中可能需要進行多達50步微影,而生產薄膜所需的微影次數會少一些。

光阻[編輯]

微影製程中採用的感光物質被稱為光阻,主要分為正光阻和負光阻兩種。正光阻未被光照的部分在顯影後會被保留,而負光阻膠被感光的部分在顯影後會被保留。光阻不僅需要對指定的光照敏感,還需要在之後的金屬蝕刻等過程中保持性質穩定。不同的光阻一般具有不同的感光性質,有些對所有紫外線光譜感光,有些只對特定的光譜感光,也有些對X射線或者對電子束感光。光阻需要儲存在特殊的遮光器皿中。

步驟[編輯]

基板的準備[編輯]

在塗抹光阻之前,矽基板一般需要進行預處理。一般情況下,基板表面上的水分需要蒸發掉,這一步通過脫水烘焙來完成。此外,為了提高光阻在基板表面的附着能力,還會在基板表面塗抹化合物。目前應用的比較多的是六甲基乙矽氮烷(hexa-methyl-disilazane, HMDS)、三甲基甲矽烷基二乙胺(tri-methyl-silyl-diethyl-amime, TMSDEA)等。

光阻的塗抹[編輯]

在這一步中,需要將光阻均勻、平整地分佈在基板表面上。

首先,將矽片放在一個平整的金屬託盤上,托盤內有小孔與真空管相連。由於大氣壓力的作用,矽片可以被「吸附」在托盤上,這樣矽片就可以與托盤一起旋轉。塗膠製程一般分為三個步驟:

  1. 將光阻溶液噴灑在矽片表面;
  2. 加速旋轉託盤(矽片),直到達到所需的旋轉速度;
  3. 達到所需的旋轉速度之後,以這一速度保持一段時間。以旋轉的托盤為參考系,光阻在隨之旋轉受到離心力,使得光阻向着矽片外圍移動,故塗膠也可以被稱作甩膠。經過甩膠之後,留在矽片表面的光阻不足原有的1%。

軟烤[編輯]

完成光阻的塗抹之後,需要進行軟烤操作,這一步驟也被稱為前烘。

在液態的光阻中,溶劑成分佔65%-85%。雖然在甩膠之後,液態的光阻已經成為固態的薄膜,但仍有10%-30%的溶劑,容易沾污灰塵。通過在較高溫度下進行烘培,可以使溶劑從光阻中揮發出來(前烘後溶劑含量降至5%左右),從而降低了灰塵的沾污。同時,這一步驟還可以減輕因高速旋轉形成的薄膜應力,從而提高光阻 基板上的附着性。

在前烘過程中,由於溶劑揮發,光阻厚度也會減薄,一般減薄的幅度為10%-20%左右。

曝光[編輯]

在這一步中,將使用特定波長的光對覆蓋基板的光阻進行選擇性地照射。光阻中的感光劑會發生光化學反應,從而使正光阻被照射區域(感光區域)、負光阻未被照射的區域(非感光區)化學成分發生變化。這些化學成分發生變化的區域,在下一步的能夠溶解於特定的顯影液中。

在接受光照後,正性光阻中的感光劑DQ會發生光化學反應,變為乙烯酮,並進一步水解為茚並羧酸(Indene-Carboxylic-Acid, CA),羧酸在鹼性溶劑中的溶解度比未感光部分的光阻高出約100倍,產生的羧酸同時還會促進酚醛樹脂的溶解。利用感光與未感光光阻對鹼性溶劑的不同溶解度,就可以進行掩膜圖形的轉移。

顯影[編輯]

通過在曝光過程結束後加入顯影液,正光阻的感光區、負光阻的非感光區,會溶解於顯影液中。這一步完成後,光阻層中的圖形就可以顯現出來。為了提高解像度,幾乎每一種光阻都有專門的顯影液,以保證高質素的顯影效果。

硬烤[編輯]

光阻顯影完成後,圖形就基本確定,不過還需要使光阻的性質更為穩定。硬烤可以達到這個目的,這一步驟也被稱為堅膜。在這過程中,利用高溫處理,可以除去光阻中剩餘的溶劑、增強光阻對矽片表面的附着力,同時提高光阻在隨後蝕刻離子佈植過程中的抗蝕效能力。另外,高溫下光阻將軟化,形成類似玻璃體在高溫下的熔融狀態。這會使光阻表面在表面張力作用下圓滑化,並使光阻層中的缺陷(如針孔)減少,這樣修正光阻圖形的邊緣輪廓。

蝕刻或離子佈植[編輯]

光阻的去除[編輯]

這一步驟簡稱去膠。蝕刻或離子佈植之後,已經不再需要光阻作保護層,可以將其除去。去膠的方法分類如下:

  • 濕法去膠
    • 有機溶劑去膠:利用有機溶劑除去光阻
    • 無機溶劑:通過使用一些無機溶劑,將光阻這種有機物中的碳元素氧化為二氧化碳,進而而將其除去
  • 干法去膠:利用等離子體將光阻剝除

除了這些主要的製程以外,還經常採用一些輔助過程,比如進行大面積的均勻腐蝕來減小基板的厚度,或者去除邊緣不均勻的過程等等。一般在生產半導體晶片或者其它元件時,一個基板需要多次重複微影。

曝光系統[編輯]

超大規模集成電路(VLSI)是曝光使用投影系統。曝光機可以應用於集成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。

優點和缺點[編輯]

微影的優點是它可以精確地控制形成圖形的形狀、大小,此外它可以同時在整個晶片表面產生外形輪廓。不過,其主要缺點在於它必須在平面上使用,在不平的表面上它的效果要差一些。此外它還要求基板具有極高的清潔條件。