微細和納米加工技術：第2章 光學曝光技術（2-3 光學曝光的工藝過程)

1、光刻的兩種基本工藝類型： 正性光刻、負性光刻。負性正性2.3光學曝光的工藝過程正性光刻是把與掩模上相同的圖形復制到硅片上； 光刻技術的工藝流程： 硅片預處理、涂膠、前烘、曝光、顯影、堅膜、刻蝕、去膠等。負性光刻是把與掩模上相反的圖形復制到硅片表面。1預處理是對襯底進行清洗、干燥和表面成膜處理，以改善加工表面的某些狀態(tài)和特性，使光刻膠與襯底表面有良好的粘附性。負性正性2.3.1襯底或基片的預處理化學增附劑的使用：有時還要在襯底表面涂覆一層叫做“六甲基二硅胺烷”HMDS(hexamethyldisilazne)的化學增附劑。有了這層增附劑可以確保光刻膠在后續(xù)刻蝕工藝中不會脫落。2在光刻工藝中所用到

2、的光刻膠絕大多數(shù)是疏水的。一般襯底表面的羥基是親水的，當襯底曝露與濕氣（空氣、表面殘留的水）時，如果在襯底表面直接涂膠的話，勢必會造成光刻膠和襯底的黏附性變差，甚至造成局部的間隙或氣泡，膠層均勻性和抗蝕性都會受到影響。為了解決這一問題，在光刻涂膠工藝中引入了一種增黏劑(HMDS) 。將增黏劑涂到襯底表面后，通過加溫可反應生成以硅氧烷為主體的化合物，這實際上是一種表面活性劑，幾個分子厚的增黏劑就可以成功地將襯底表面由親水變?yōu)槭杷?，其疏水基可很好地與光刻膠結(jié)合，起到耦合的作用。再者，在顯影的過程中，由于它增強了光刻膠與襯底的黏附性，從而有效地抑制腐蝕液進入光刻膠與襯底的側(cè)向鉆蝕，提高了光刻膠的抗蝕

3、性?；瘜W增附劑HMDS的作用3涂膠的均勻性直接影響刻蝕圖形的分辨力。一個厚度相差很大、嚴重凹凸不平的膠面甚至連曝光、顯影的條件也難于達到，當然就不會有好的刻蝕結(jié)果。（接觸式曝光、焦深等問題）負性正性2.3.2涂膠涂膠厚度必須適當。如果膠過厚，則光波通過率減小，圖像的分辨力將變低，刻蝕線條的精度也將變差；膠過薄，雖然圖像分辨力提高，但引起的問題是隨著膠厚的減小，針孔密度幾乎呈指數(shù)增加。 4主要目的是蒸發(fā)掉有機溶劑成分，使晶圓表面的膠固化，增強膠膜與硅片之間的粘附性。負性正性2.3.3前烘合適的前烘溫度和時間。若溫度過高或時間過長會造成顯影時留下底膜或使感光靈敏度下降，腐蝕時則會出現(xiàn)小島；若溫度過

4、低或時間過短，則會造成顯影后針孔增加，或產(chǎn)生浮膠、圖形變形等現(xiàn)象。前烘最常用的方法是在電熱恒溫箱內(nèi)或在熱空氣中進行，也可采用紅外熱源，但應注意避免膠膜見光。涂好的光刻膠中，常含有很多溶劑，這將使膠膜的致密性以及膠膜與硅片表面的粘附性都較差，從而使顯影液的溶解速度不穩(wěn)定，同時在微細加工過程中容易造成物理損傷。5曝光是用一定波長和強度的光波透過掩模，照射光刻膠，使受照射部分的光刻膠發(fā)生光化學反應，以形成所需圖形的“潛影”，經(jīng)顯影后就可獲得與掩模上相應的圖形。負性正性2.3.4曝光 對于掩模對準式曝光，則在曝光前要選定適當?shù)慕佑|壓力或掩模間隙。6適當?shù)钠毓鈺r間：時間太長，顯影后的膠面呈現(xiàn)出皺紋，使分

5、辨率降低，圖形尺寸發(fā)生變化，邊界模糊。時間太短，光刻膠的光化學反應不充分，在顯影時，將使圖形邊緣局部溶解，出現(xiàn)毛刺、鉆蝕，同時降低光刻膠的抗蝕能力。曝光時間負性正性曝光時間是由光刻膠、膠膜厚度、光源強度，以及光源與襯底間距離來決定的，一般曝光時間為幾秒到幾十秒的范圍。通常以短時間、強曝光為好，并通過實驗來確定最佳曝光時間。 7負性正性2.3.5后烘光線照射到光刻膠與晶圓的界面上會產(chǎn)生部分反射。反射光與入射光疊加會形成駐波。后烘會部分消除這種效應。8圖2.50是實際曝光和顯影后的膠的圖形，內(nèi)壁的條紋清晰可見。駐波效應及其實例圖2.50 接觸孔曝光的光刻膠圖形，孔內(nèi)顯示由于駐波效應造成的條紋9在曝

6、光后與顯影之前對膠進行烘烤可以消除這種駐波效應。在膠表面或襯底材料表面涂覆抗反射膜也可以減弱或消除駐波效應。駐波效應及其消除圖2.51 計算機模擬的光刻膠橫截面10所謂顯影，就是把曝光后的零件用顯影液除去應去掉部分的光刻膠，以獲得腐蝕時由膠膜保護的所需要的圖形。負性正性2.3.6顯影對負性光刻膠，一般采用有機溶劑做顯影劑，將未曝光部分的膠溶解掉。對正性光刻膠，則采用無機堿或有機堿的弱堿性水溶劑做顯影劑，將曝光部分的膠溶解去除。顯影時間隨光致抗蝕劑的種類、膠膜厚度、顯影液種類、顯影溫度和操作方法的不同而不同，要根據(jù)實際情況進行選擇和調(diào)整。顯影時間過長，容易使膠膜發(fā)生軟化和膨脹，影響膠膜與襯底的粘

7、附性能，甚至出現(xiàn)浮膠現(xiàn)象；顯影時間過短，會引起顯影不足，因而影響腐蝕出來的圖形精度，同時也會降低分辨率。顯影時間一般約13min。11負性正性2.3.7去殘膠顯影過后通常會在晶圓表面殘留一層非常薄的膠質(zhì)層。這種遺留殘膠現(xiàn)象在曝光圖形的深寬比較高時尤其明顯，因為圖形很深，顯影液不易對圖形底部進行充分顯影。這層殘膠雖然只有幾納米的厚度，但會妨礙下一步的圖形轉(zhuǎn)移，因此需要去殘膠。去殘膠的過程是在顯影后把晶圓放在等離子體刻蝕機中進行短時間的刻蝕，通常在氧氣等離子體中刻蝕05 min。并非在所有情況下都要去殘膠。需要注意的是去殘膠過程會使膠層的厚度減少并造成曝光圖形精度的變化。12堅膜又叫硬烘烤，就是將

8、顯影液漂洗后的硅片在一定的溫度下進行烘焙。堅膜的目的是為了揮發(fā)掉殘存于光刻膠的溶劑，進一步提高膠膜與硅片表面的粘附能力，并使膠膜致密堅固，并可以增加膠層的抗刻蝕能力 。負性正性2.3.8堅膜 堅膜的溫度和時間要適當選擇。若堅膜不足，溶劑沒有去凈，膠膜不夠致密和堅固，抗蝕性差，在蝕刻時會發(fā)生浮膠或嚴重側(cè)蝕等問題。若堅膜過頭，會使膠膜發(fā)脆，從而產(chǎn)生因熱膨脹而翹曲、剝落及圖像形變等情況，或在蝕刻時發(fā)生鉆蝕或浮膠。溫度過高時，光刻膠會因熱分解而失去抗蝕能力。13堅膜的條件應根據(jù)光刻膠的種類、聚合物的結(jié)構性能以及蝕刻工藝的要求而確定。一般堅膜溫度在150200之間，時間為2045min。堅膜一般在高溫烘

9、箱中進行，要注意烘箱內(nèi)溫度分布的均勻性。堅膜并不是一道必需的工藝。需要注意的是，堅膜通常會增加將來去膠的難度。堅膜的溫度負性正性14刻蝕是把硅片上無光刻膠掩蔽的加工表面，如氧化硅膜、金屬膜等刻蝕掉，而使有光刻膠掩蔽的區(qū)域保存下來，這樣便在硅片表面得到所需要的成像圖形?？涛g是完成光刻膠的圖像向硅片表面轉(zhuǎn)移的過程，是光刻工藝中另一個重要環(huán)節(jié)。負性正性2.3.9刻蝕（圖形轉(zhuǎn)移）對刻蝕的基本要求是： 圖形邊緣整齊、線條清晰、圖形變換差小，且對光刻膠及其掩蔽保護的表面無損傷和鉆蝕。15濕法刻蝕就是用一定配比的腐蝕液完成刻蝕過程，被刻蝕表面的材料不同，選用的腐蝕液和刻蝕條件也不同。濕法刻蝕是目前普遍采用的

10、刻蝕方式，它的優(yōu)點是設備簡單、工藝成熟、操作方便。但由于這種刻蝕方式具有各向同性以及腐蝕液對光刻膠的浸泡側(cè)蝕等作用，影響了刻蝕圖像的精度，難以滿足高分辨力、高精度圖像的刻蝕要求?？涛g的基本方式負性正性干法刻蝕有等離子刻蝕、離子濺射和反應活性離子刻蝕等方法。目前主要應用于氮化硅、單晶硅、多晶硅和某些金屬材料的刻蝕。干法刻蝕最大的優(yōu)點是可使刻蝕具有很強的方向性，從而使側(cè)向刻蝕達到很小。此外，干法刻蝕還具有工藝控制精確、方便、無脫膠現(xiàn)象、無損傷和玷污、工藝過程簡單穩(wěn)定和易于自動化等一系列優(yōu)點?？涛g的方式有濕法刻蝕和干法刻蝕兩種。16腐蝕結(jié)束后，光致抗蝕劑就完成了它的作用，因此需設法把這層無用的膠膜去

11、掉，這一工序稱為去膠。去膠法主要有下列幾種：負性正性(1)溶劑去膠把腐蝕結(jié)束了的零件浸泡在適當?shù)娜軇┲校允挂r底表面的膠膜溶脹或溶解而脫落。對不同的光致抗蝕劑，去膠用的溶劑應有不同。 例如： PVAC膠膜可用有機溶劑(通常用二甲苯浸泡1530min)除去； 重鉻酸膠質(zhì)光刻膠，則常用90100的氫氧化鈉溶液來去除膠膜。2.3.10去膠17(2)氧化去膠把腐蝕后的零件放入氧化去膠劑中，加熱至100左右，抗蝕劑膠膜則被氧化成二氧化碳和水，然后用水沖洗，即可得到清潔表面。常用的氧化去膠劑有 濃硫酸； 3：1的硫酸和過氧化氫的混合液； 硫酸-重鉻酸鉀溶液(即所謂玻璃洗液)三種。對一些不易氧化的零件，可直接在430550的氧氣中加熱，使抗蝕劑膠膜在高溫下與氧反應，生成CO2、H2O及其他揮發(fā)性的氧化物，脫離襯底，達到去膠的目的。光學曝光的工藝過程負性正性去膠 之氧化去膠18(3)等離子去膠氧氣分子在高頻電場(1356MHz)的作用下電離，形成氧的正離子、化學性活潑的氧原子、氧分子和