微加工-光刻技术

任课老师：李爱农汇报人：邹旺MEMS—光刻技术1光刻机2光刻流程3光刻胶光刻工艺发展4微细加工技术中的加工方法种类繁多，可以按现代加工技术的一般分类方法将其分为四大类：1）去除加工——将材料的某一部分分离出去的加工方式，如光刻、化学刻蚀、电解抛光等；2）增材加工——同种或不同材料的附和加工或相互结合加工，如化学镀、电镀、溅射沉积、离子镀膜等；3）变形加工——使材料形状发生改变的加工方式，如微细离子流抛光（研磨、压光）、热流动表面加工（气体高温、高频电流、热射线、电子束、激光）等；4）整体处理及表面改性等。光刻是加工制造集成电路图形结构以及微结构的关键工艺之一。光刻工艺就是利用光敏的抗蚀涂层发生光化学反应，结合腐蚀方法在各种薄膜或硅上制备出合乎要求的图形，以实现制作各种电路元件、选择掺杂、形成金属电极和布线或表面钝化的目的。光刻的整个生产过程•光刻三要素：光刻胶、掩膜版和光刻机–光刻胶又叫光致抗蚀剂，它是由光敏化合物、基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体–光刻胶受到特定波长光线的作用后，导致其化学结构发生变化，使光刻胶在某种特定溶液中的溶解特性改变正胶凡是在能量束（光束、电子束、离子束等）的照射下，以降解反应为主的光刻胶称为正性光刻胶，简称正胶。⑴PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)光刻胶⑵由重氮醌酯（DQ）和酚酫树酯（N）两部分组成的DNQ。分辨率高，在超大规模集成电路工艺中，一般只采用正胶负胶凡是在能量束（光束、电子束、离子束等）的照射下，以交联反应为主的光刻胶称为负性光刻胶，简称负胶。•⑴两种组成部份的芳基氮化物橡胶光刻胶•⑵KodakKTFR（敏感氮化聚慔戌二烯橡胶）•分辨率差，适于加工线宽≥3m的线条；这类光刻胶粘附力强，耐腐蚀，容易使用和价格便宜，是常用的光刻胶。正胶：曝光后可溶负胶：曝光后不可溶光刻胶的性能指标(1)分辨率：分辨率是指用某种光刻胶光刻时所能得到的最小尺寸(2)灵敏度：光刻胶的感光灵敏度反映了光刻胶感光所必须的照射量(3)粘附性：光刻胶与衬底之间粘附的牢固程度•(4)抗腐蚀性：光刻工艺要求光刻胶在坚膜后，能够较长时间不被腐蚀•(5)稳定性：光刻工艺要求光刻胶在室温和避光情况下加入了增感剂也不发生暗反应，在烘干燥时，不发生热交联•(6)针孔密度：单位面积上的针孔数•(7)留膜率：指曝光显影后的非溶性胶膜厚度于曝光前胶膜厚度之比光源系统对光源系统的要求1、有适当的波长。波长越短，曝光的特征尺寸就越小；2、有足够的能量。能量越大，曝光时间就越短；3、曝光能量必须均匀地分布在曝光区。常用的紫外光光源是高压弧光灯（高压汞灯）。高压汞灯有许多尖锐的光谱线，经过滤光后使用其中的g线（436nm）或i线（365nm）。光源紫外光（UV）深紫外光（DUV）g线：436nmi线：365nm极紫外光（EUV），10~15nmX射线，0.2~4nm电子束离子束KrF准分子激光：248nmArF准分子激光：193nm有掩模方式无掩模方式（聚焦扫描方式）接触式非接触式接近式投影式反射折射矢量扫描光栅扫描混合扫描曝光方式接触式光刻机优点：设备简单；分辨率比较高，约0.5m。缺点：容易造成掩膜版和光刻胶膜的损伤，掩模版寿命短（10~20次），硅片上图形缺陷多，光刻成品率低。接近式光刻机优点：在硅片和掩膜版之间有一个很小的间隙(10～25m)，可以大大减小掩膜版的损伤，掩模寿命长（可提高10倍以上），图形缺陷少。缺点：衍射效应严重，使分辨率下降。投影光刻机利用透镜或反射镜将掩膜版上的图形投影到衬底上掩模硅片反射凹镜反射凸镜光源光源聚光透镜投影器掩模硅片投影式全反射折射优点：无像差，无驻波效应影响缺点：数值孔径小，分辨率低优点：数值孔径大，分辨率高，对硅片平整度要求低，掩模制造方便缺点：曝光效率低，设备昂贵光刻工艺介绍•1.晶片清洗•2.脱水和烘干•3.甩胶•4.前烘•5.曝光•6.显影•7.坚膜•8.腐蚀•9.去胶清洗和烘干•作用：保证硅片表面无灰尘、油脂、水，保证粘附性和光刻质量。清洗不好，会造成脱胶、表面灰尘导致粘版、部分图形不感光等光刻缺陷。•表面不干燥，会造成脱胶•如果硅片搁置较久或返工，应重新清洗烘干，烘干后立即甩胶。•氧化、蒸发后可立即甩胶，不必清洗。清洗设备超临界干燥兆声清洗设备硅片甩干机•设备：甩胶台。•在硅片表面涂覆一层粘附性好，厚度适当，厚薄均匀的光刻胶。•一般采用旋转法，针对不同的光刻胶黏度和厚度要求，选择不同的转速。•可分辨线宽是胶膜厚度的5~8倍。甩胶•前烘就是在一定温度下，使胶膜里的溶剂缓慢地挥发出来，使胶膜干燥，并增加其粘附性和耐磨性。•前烘的温度和时间随胶的种类和膜厚不同而有所差别。•方法：80C下10－15分钟。•烘箱烘烤、红外光照射、热板处理前烘•设备：光刻机•对准：使掩膜的图形和硅片上的图形精确套合。•曝光：对光刻胶进行选择性光化学反应，使光刻胶改变在显影液中的溶解性。•通常采用紫外接触曝光法对准和曝光•正胶去曝光部分，负胶去未曝光部分•部分光刻胶需要超声显影•显影时间根据光刻胶种类、膜厚、显影液种类、显影温度和操作方法确定。•显影后检查光刻质量，不合格的返工。显影(Development)•除去显影时胶膜吸收的显影液和水分，改善粘附性，增强胶膜抗腐蚀能力。•坚膜的温度和时间要适当•坚膜时间短，抗蚀性差，容易掉胶；坚膜时间过长，掩膜难以去除，或开裂。•腐蚀时间长的可以采取中途多次坚膜坚膜•用适当的腐蚀剂对显影后暴露的表面进行腐蚀，获得光刻图形•干法腐蚀和湿法腐蚀•SiO2：HF，BHF•Al：磷酸（70~90C，加乙醇或超声去气泡）；高锰酸钾（40~50C）腐蚀湿法腐蚀：湿法化学刻蚀在半导体工艺中有着广泛应用：磨片、抛光、清洗、腐蚀。优点：选择性好、重复性好、生产效率高、设备简单、成本低缺点：钻蚀严重、对图形的控制性较差干法刻蚀•溅射与离子束铣蚀：通过高能惰性气体离子的物理轰击作用刻蚀，各向异性性好，但选择性较差。•等离子刻蚀(PlasmaEtching)：利用放电产生的游离基与材料发生化学反应，形成挥发物，实现刻蚀。选择性好、对衬底损伤较小，但各向异性较差。•反应离子刻蚀(ReactiveIonEtching，简称为RIE)：通过活性离子对衬底的物理轰击和化学反应双重作用刻蚀。具有溅射刻蚀和等离子刻蚀两者的优点，同时兼有各向异性和选择性好的优点。•溶剂去胶：含氯的烃化物做去胶剂。•氧化去胶：强氧化剂，如浓硫酸，双氧水和氨水混合液•等离子体去胶•剥离工艺去胶剥离工艺（Lift-Off）•在光刻工艺中，有一种代替刻蚀方法的工艺，我们称之为剥离工艺（Lift-Off）。•在剥离工艺中，首先形成光刻图形，然后沉积薄膜，最后用化学试剂去除光刻胶，此时连同不需要的薄膜一同除去，这个过程正好与刻蚀过程相反。光刻工艺的发展•电子束光刻•离子束光刻•X射线光刻•微立体光刻成型技术电子束光刻•电子束光刻与传统意义的光刻(区域曝光)不同，是用束线刻蚀进行图形的加工。在电子束光刻机中，电子束被电磁场聚集成微细束照到电子抗蚀剂(感光胶)上，由于电子束可以方便地由电磁场进行偏转扫描，复杂的图形可以直接写到感光胶上而无需使用掩模版。电子束光刻•与其他光刻技术相比，电子束光捌的优点非常明显：•首先，电子束光刻分辨率高，可达0.1um，如直接进行刻蚀可达到几个纳米。•其次，电子束光刻不需要掩模版，非常灵活，很适合小批量、特殊器件的生产。•目前，电子束光刻主要用于制作光学光刻的掩模。其发展方向是尽可能提高曝光速度，以适应大批生产离子束光刻•离子束光刻分为聚焦离子束曝光(FIB)、掩模离子束光刻(MIB)和离子束溅射光刻（BfP)。离于束光刻利用离子源进行曝光。•其原理是通过加热使附在一根金、钨或钽的针尖端的镓或金硅合金熔化，在外加电场作用下使液态金属表面产生场致离子发射。其发射面积极小，可以较容易地利用离子光学系统将发射离子聚焦成微细离子束，进行高分辨率离子束曝光。X射线光刻•优点–速度快–高分辨率0.5µm–解决深度问题–高深宽比•缺点–需要较高的X射线源–需要高分辨率的光刻胶–X射线的掩模版制造困难微立体光刻成型技术•紫外光通过光闸，透镜以及与Z工作台固连的透明玻璃板聚焦到液态紫外聚合物上形成片状单元，随着xy工作台的移动可固化一层又一层的片状单元，直到形成最终聚合物三维结构。整个加工过程都是由计算机控制的。谢谢观赏！