光刻原理

光刻工艺一、目的：按照平面晶体管和集成电路的设计要求，在SiO2或金属蒸发层上面刻蚀出与掩模板完全相对应的几何图形，以实现选择性扩散和金属膜布线的目的。二、原理：光刻是一种复印图象与化学腐蚀相结合的综合性技术，它先采用照像复印的方法，将光刻掩模板上的图形精确地复制在涂有光致抗蚀剂的SiO2层或金属蒸发层上，在适当波长光的照射下，光致抗证剂发生变化，从而提高了强度，不溶于某些有机溶剂中，未受光照射的部分光致抗蚀剂不发生变化，很容易被某些有机溶剂溶解。然后利用光致抗蚀剂的保护作用，对SiO2层或金属蒸发层进行选择性化学腐蚀，从而在SiO2层或金属层上得到与光刻掩模板相对应的图形。（一）光刻原理图（一）光刻胶的特性：1．性能，光致抗蚀剂是一种对光敏感的高分子化合物。当它受适当波长的光照射后就能吸收一定波长的光能量，使其发生交联、聚合或分解等光化学反应。由原来的线状结构变成三维的网状结构，从而提高了抗蚀能力，不再溶于有机溶剂，也不再受一般腐蚀剂的腐蚀．2．组成：以KPR光刻胶为例：感光剂－－聚乙烯醇肉桂酸酯。溶剂－－环己酮。增感剂－－5·硝基苊，3．配制过程：将一定重量的感光剂溶解于环己酮里搅拌均匀，然后加入一定量的硝基苊,再继续揖拌均匀，静置于暗室中待用。感光剂聚乙烯醇肉桂酸酯的感光波长为3800Å以内，加入5·硝基苊后感光波长范围发生了变化从2600—4700Å。（二）光刻设备及工具：在SiO2层上涂复光刻胶膜将掩模板覆盖在光刻胶膜上在紫外灯下曝光显影后经过腐蚀得到光刻窗口1．曝光机－－光刻专用设备。2．操作箱甩胶盘－－涂复光刻胶。3．烘箱――烤硅片。4．超级恒温水浴锅－－腐蚀SiO2片恒温用。5．检查显为镜――检查SiO2片质量。6．镊子――夹持SiO2片。7．定时钟――定时。8．培养皿及铝盒――装Si片用。9．温度计――测量温度。图（二）受光照时感光树脂分子结构的变化三、光刻步骤及操作原理1．涂胶：利用旋转法在SiO2片和金属蒸发层上，涂上一层粘附性好、厚度适当、均匀的光刻胶。将清洁的SiO2片或金属蒸发片整齐的排列在甩胶盘的边缘上，然后用滴管滴上数滴光刻胶于片子上，利用转动时产生的离心力，将片子上多余的胶液甩掉，在光刻胶表面粘附能力和离心力的共同作用下形成厚度均匀的胶膜。涂胶时间约为1分钟。要求：厚度适当（观看胶膜条纹估计厚薄），胶膜层均匀，粘附良好，表面无颗粒无划痕。图（三）光刻工艺流程示意图2.前烘：将硅片放入铅盒中，然后在红外灯下烘焙，促使胶膜内溶剂充分地挥发掉，使胶膜干燥，增加胶膜与SiO2或金属膜之间的粘附性和提高胶膜的耐磨性，不沾污掩模板，只有干燥的光刻胶才能充分进行光化学反应。（1）前烘时间：约15′（2）前烘温度：T＝80℃3．曝光：接触式曝光法，在专用的光刻机上，它包括“定位”和“曝光”两部分。预热紫外光灯（高压水银灯）使光源稳定—将光刻掩模板安装在支架上，使有图形的玻璃面向下—把涂有光刻胶的Si片放在可微调的工作台上胶面朝上—在显微镜下仔细调节微动装置，使掩模板上的图形与硅片相应的位置准确套合—顶紧Si片和掩模板—复查是否对准—曝光－－取下片子。（1）曝光时间的选择：a．光源强弱；b．光源与Si片距离远近；c．光刻胶性能；d．光刻图形尺寸大小。一般情况下，先试曝光一片，显影后检查一下表面，看其图形是否清晰。a，曝光不足：光刻胶反应不充分，显影时部分胶膜被溶解，显微镜下观察胶膜发黑。b．曝光时间过长：使不感光部分的边缘微弱感光，产生“晕光”现象，边界模糊，出现皱纹。曝光时间：约8″一25″4．显影：将未感光部分的光刻胶溶除，以获得腐蚀时所需要的、有抗蚀剂保护的图形。（1）将曝光后的片子依次放入两杯丁酮液中－－取出放入丙酮液中漂洗。t：1～2′（大概）（2）显影后的图形必须认真检查，保证光刻质量。a．图形是否套刻准确；b．图形边缘是否整齐；c．是否有皱胶或胶膜发黑；d．有无浮胶；e．Si片表面胶膜有无划伤。5，坚膜：显影时胶膜发生软化、膨胀，显影后必须进行坚固胶膜的工作，坚固后可以使胶膜与SiO2层或金属蒸发层之间粘贴的更牢，以增强胶膜本身的抗蚀能力。红外灯烘箱内烘栲30′左右，T＝180℃6．腐蚀：选用适当的腐蚀液，将无光刻胶复盖的氧化层或金属蒸发层腐蚀掉，而有光刻胶复盖的区域保存下来。（1）腐蚀液的配方与配制：a．配方：选用氢氟酸缓冲剂：氢氟酸﹕氟化铵﹕去离子水＝3（ml）﹕6（g）﹕lO（ml）氢氟艘－－腐蚀剂；氟化铵－－缓冲剂；去离子水—溶剂。b．配制：先称出氟化铵的重量，溶于去离子水中，搅拌使其混合均匀。（2）SiO2层的腐蚀时间和温度选择：a．腐蚀温度：T＝30—40℃b．腐蚀时间；约为30″—10′讨论：1．腐蚀时间的确定：首先观看SiO2层颜色，根据辨色法初步判断SiO2层的厚度；然后放入腐蚀液中腐蚀，SiO2层在HF酸缓冲液中的腐蚀速度是1000Å／分,利用初步估计的SiO2层厚度与腐蚀速度之比确定腐蚀时间。此方法误差较大,因为SiO2层的颜色随其厚度的增加而呈周期性的变化，对应同一颜色可能有几种厚度。2腐蚀时间的长短是根据：a．腐蚀速度；腐蚀速度与氧化层生长的方法有关，依干氧法、湿氧法、低温沉积法、磷扩散等不同而定；b．腐蚀液浓度；c．腐蚀液温度。腐蚀后的SiO2层要求：（1）边缘整齐；（2）图形完整干净；（3）图形无畸变；（4）无钻蚀、浮胶、针孔等弊病。7．去胶：去除复盖在硅片表面的保护胶膜，一般使用化学试剂使其胶膜碳化脱落。用浓硫酸煮两遍使胶膜碳化脱落—冷却－－用去离子水冲洗净。最后检查光刻质量。