光刻技術(shù)的詳細(xì)工序

一、清洗硅片（Wafer Clean）

清洗硅片的目的是去除污染物去除顆粒、減少針孔和其它缺陷，提高光刻膠黏附性

基本步驟：化學(xué)清洗——漂洗——烘干。

硅片經(jīng)過不同工序加工后，其表面已受到嚴(yán)重沾污，一般講硅片表面沾污大致可分在三類：

1、有機(jī)雜質(zhì)沾污： 可通過有機(jī)試劑的溶解作用，結(jié)合超聲波清洗技術(shù)來

去除。

2、顆粒沾污：運(yùn)用物理的方法可采機(jī)械擦洗或超聲波清洗技術(shù)來去除粒徑 ≥ 0.4 μm顆粒，利用兆聲波可去除 ≥ 0.2 μm顆粒。

3、金屬離子沾污：必須采用化學(xué)的方法才能清洗其沾污，硅片表面金屬雜質(zhì)沾污有兩大類：

a. 一類是沾污離子或原子通過吸附分散附著在硅片表面。

b. 另一類是帶正電的金屬離子得到電子后面附著（尤如“電鍍”）到硅片表面。

硅拋光片的化學(xué)清洗目的就在于要去除這種沾污。

二、預(yù)烘和底膠涂覆（Pre-bake and Primer Vapor）

由于光刻膠中含有溶劑，所以對(duì)于涂好光刻膠的硅片需要在80度左右的。硅片脫水烘焙能去除圓片表面的潮氣、增強(qiáng)光刻膠與表面的黏附性、通常大約100 °C。這是與底膠涂覆合并進(jìn)行的。

底膠涂覆增強(qiáng)光刻膠(PR)和圓片表面的黏附性。廣泛使用: (HMDS)六甲基二硅胺、在PR旋轉(zhuǎn)涂覆前HMDS蒸氣涂覆、PR涂覆前用冷卻板冷卻圓片。

三、光刻膠涂覆（Photoresist Coating）

光刻膠涂覆通常的步驟是在涂光刻膠之前，先在900-1100度濕氧化。氧化層可以作為濕法刻蝕或B注入的膜版。作為光刻工藝自身的第一步，一薄層的對(duì)紫外光敏感的有機(jī)高分子化合物，即通常所說的光刻膠，要涂在樣品表面(SiO2)。首先光刻膠被從容器中取出滴布到置于涂膠機(jī)中的樣品表面，(由真空負(fù)壓將樣品固定在樣品臺(tái)上)，樣品然后高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速由膠粘度和希望膠厚度確定。在這樣的高速下，膠在離心力的作用下向邊緣流動(dòng)。

涂膠工序是圖形轉(zhuǎn)換工藝中最初的也是重要的步驟。涂膠的質(zhì)量直接影響到所加工器件的缺陷密度。為了保證線寬的重復(fù)性和接下去的顯影時(shí)間，同一個(gè)樣品的膠厚均勻性和不同樣品間的膠厚一致性不應(yīng)超過±5nm(對(duì)于1.5um膠厚為±0.3%)。

光刻膠的目標(biāo)厚度的確定主要考慮膠自身的化學(xué)特性以及所要復(fù)制圖形中線條的及間隙的微細(xì)程度。太厚膠會(huì)導(dǎo)致邊緣覆蓋或連通、小丘或田亙狀膠貌、使成品率下降。在MEMS中、膠厚(烤后)在0.5-2um之間，而對(duì)于特殊微結(jié)構(gòu)制造，膠厚度有時(shí)希望1cm量級(jí)。在后者，旋轉(zhuǎn)涂膠將被鑄膠或等離子體膠聚合等方法取代。常規(guī)光刻膠涂布工序的優(yōu)化需要考慮滴膠速度、滴膠量、轉(zhuǎn)速、環(huán)境溫度和濕度等，這些因素的穩(wěn)定性很重要。

四、前烘（Soft Bake）

完成光刻膠的涂抹之后，需要進(jìn)行軟烘干操作，這一步驟也被稱為前烘。前烘能夠蒸發(fā)光刻膠中的溶劑溶劑、能使涂覆的光刻膠更薄。

在液態(tài)的光刻膠中，溶劑成分占65％－85％。雖然在甩膠之后，液態(tài)的光刻膠已經(jīng)成為固態(tài)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(jìn)行烘培，可以使溶劑從光刻膠中揮發(fā)出來（前烘后溶劑含量降至5％左右），從而降低了灰塵的沾污。同時(shí)，這一步驟還可以減輕因高速旋轉(zhuǎn)形成的薄膜應(yīng)力，從而提高光刻膠 襯底上的附著性。

在前烘過程中，由于溶劑揮發(fā)，光刻膠厚度也會(huì)減薄，一般減薄的幅度為10％－20％左右。

五、對(duì)準(zhǔn)（Alignment）

光刻對(duì)準(zhǔn)技術(shù)是曝光前一個(gè)重要步驟作為光刻的三大核心技術(shù)之一，一般要求對(duì)準(zhǔn)精度為最細(xì)線寬尺寸的 1/7---1/10。隨著光刻分辨力的提高 ，對(duì)準(zhǔn)精度要求也越來越高 ，例如針對(duì) 45am線寬尺寸 ，對(duì)準(zhǔn)精度要求在5am 左右。

受光刻分辨力提高的推動(dòng) ，對(duì)準(zhǔn)技術(shù)也經(jīng)歷 迅速而多樣的發(fā)展 。從對(duì)準(zhǔn)原理上及標(biāo)記結(jié) 構(gòu)分類 ，對(duì)準(zhǔn)技術(shù)從早期的投影光刻中的幾何成像對(duì)準(zhǔn)方式 ，包括視頻圖像對(duì)準(zhǔn)、雙目顯微鏡對(duì)準(zhǔn)等，一直到后來的波帶片對(duì)準(zhǔn)方式 、干涉強(qiáng)度對(duì)準(zhǔn) 、激光外差干涉以及莫爾條紋對(duì)準(zhǔn)方式 。從對(duì)準(zhǔn)信號(hào)上分 ，主要包括標(biāo)記的顯微圖像對(duì)準(zhǔn) 、基于光強(qiáng)信息的對(duì)準(zhǔn)和基于相位信息對(duì)準(zhǔn)。

對(duì)準(zhǔn)法則是第一次光刻只是把掩膜版上的Y軸與晶園上的平邊成90，如圖所示。接下來的掩膜版都用對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記與上一層帶有圖形的掩膜對(duì)準(zhǔn)。對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記是一個(gè)特殊的圖形（見圖），分布在每個(gè)芯片圖形的邊緣。經(jīng)過光刻工藝對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記就永遠(yuǎn)留在芯片表面，同時(shí)作為下一次對(duì)準(zhǔn)使用。

對(duì)準(zhǔn)方法包括：

a、預(yù)對(duì)準(zhǔn)，通過硅片上的notch或者flat進(jìn)行激光自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)

b、通過對(duì)準(zhǔn)標(biāo)志，位于切割槽上。另外層間對(duì)準(zhǔn)，即套刻精度,保證圖形與硅片上已經(jīng)存在的圖形之間的對(duì)準(zhǔn)。

六、曝光（Exposure）

在這一步中，將使用特定波長(zhǎng)的光對(duì)覆蓋襯底的光刻膠進(jìn)行選擇性地照射。光刻膠中的感光劑會(huì)發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，從而使正光刻膠被照射區(qū)域（感光區(qū)域）、負(fù)光刻膠未被照射的區(qū)域（非感光區(qū)）化學(xué)成分發(fā)生變化。這些化學(xué)成分發(fā)生變化的區(qū)域，在下一步的能夠溶解于特定的顯影液中。

在接受光照后，正性光刻膠中的感光劑DQ會(huì)發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，變?yōu)橐蚁┩?，并進(jìn)一步水解為茚并羧酸（Indene-Carboxylic-Acid, CA），羧酸在堿性溶劑中的溶解度比未感光部分的光刻膠高出約100倍，產(chǎn)生的羧酸同時(shí)還會(huì)促進(jìn)酚醛樹脂的溶解。利用感光與未感光光刻膠對(duì)堿性溶劑的不同溶解度，就可以進(jìn)行掩膜圖形的轉(zhuǎn)移。

曝光方法：

a、接觸式曝光（Contact Printing）掩膜板直接與光刻膠層接觸。

b、接近式曝光（Proximity Printing）掩膜板與光刻膠層的略微分開，大約為10～50μm。

c、投影式曝光（Projection Printing）。在掩膜板與光刻膠之間使用透鏡聚集光實(shí)現(xiàn)曝光。

d、步進(jìn)式曝光(Stepper)

七、顯影(development)

通過在曝光過程結(jié)束后加入顯影液，正光刻膠的感光區(qū)、負(fù)光刻膠的非感光區(qū)，會(huì)溶解于顯影液中。這一步完成后，光刻膠層中的圖形就可以顯現(xiàn)出來。為了提高分辨率，幾乎每一種光刻膠都有專門的顯影液，以保證高質(zhì)量的顯影效果。

顯影工序使將在曝光過程中形成的隱性圖形成為光刻膠在與不在的顯性圖形，以作為下一步加工的膜版。顯影中進(jìn)行的是選擇性溶解的過程，最重要的是曝光區(qū)和未曝光區(qū)之間溶解率的比值(DR)。商用正膠有大于1000的DR比，在曝光區(qū)溶解速率為3000nm/min，在未曝光區(qū)只有幾nm/min。

現(xiàn)在有二種顯影方法，一是濕顯影，他IC和微加工中正廣泛使用，另一種是干顯影。

八、堅(jiān)膜 （Hard Bake）

刻膠顯影完成后，圖形就基本確定，不過還需要使光刻膠的性質(zhì)更為穩(wěn)定。硬烘干可以達(dá)到這個(gè)目的，這一步驟也被稱為堅(jiān)膜。在這過程中，利用高溫處理，可以除去光刻膠中剩余的溶劑、增強(qiáng)光刻膠對(duì)硅片表面的附著力，同時(shí)提高光刻膠在隨后刻蝕和離子注入過程中的抗蝕性能力。另外，高溫下光刻膠將軟化，形成類似玻璃體在高溫下的熔融狀態(tài)。這會(huì)使光刻膠表面在表面張力作用下圓滑化，并使光刻膠層中的缺陷（如針孔）減少，這樣修正光刻膠圖形的邊緣輪廓。

用O2等離子體對(duì)樣品整體處理，以清除顯影后可能的非望殘留叫de-scumming。特別是負(fù)膠但也包括正膠，在顯影后會(huì)在原來膠-基板界面處殘留聚合物薄層，這個(gè)問題在結(jié)構(gòu)小于1um或大深-寬比的結(jié)構(gòu)中更為嚴(yán)重。當(dāng)然在De-scumming過程中留膠厚度也會(huì)降低，但是影響不會(huì)太大。

最后，在刻蝕或鍍膜之前需要硬烤以去除殘留的顯影液和水，并退火以改善由于顯影過程滲透和膨脹導(dǎo)致的界面接合狀況。同時(shí)提高膠的硬度和提高抗刻蝕性。硬烤溫度一般高達(dá)120度以上，時(shí)間也在20分左右。主要的限制是溫度過高會(huì)使圖形邊緣變差以及刻蝕后難以去除。

九、刻蝕或離子注入

刻蝕是半導(dǎo)體器件制造中利用化學(xué)途徑選擇性地移除沉積層特定部分的工藝?？涛g對(duì)于器件的電學(xué)性能十分重要。如果刻蝕過程中出現(xiàn)失誤，將造成難以恢復(fù)的硅片報(bào)廢，因此必須進(jìn)行嚴(yán)格的工藝流程控制。半導(dǎo)體器件的每一層都會(huì)經(jīng)歷多個(gè)刻蝕步驟。

刻蝕一般分為電子束刻蝕和光刻，光刻對(duì)材料的平整度要求很高，因此，需要很高的清潔度。 但是，對(duì)于電子束刻蝕，由于電子的波長(zhǎng)極短，因此分辨率與光刻相比要好的多。 因?yàn)椴恍枰谀０?，因此?duì)平整度的要求不高，但是電子束刻蝕很慢，而且設(shè)備昂貴。

對(duì)于大多數(shù)刻蝕步驟，晶圓上層的部分位置都會(huì)通過“罩”予以保護(hù)，這種罩不能被刻蝕，這樣就能對(duì)層上的特定部分進(jìn)行選擇性地移除。在有的情況中，罩的材料為光阻性的，這和光刻中利用的原理類似。而在其他情況中，刻蝕罩需要耐受某些化學(xué)物質(zhì)，氮化硅就可以用來制造這樣的“罩”。

離子注入是一種將特定離子在電場(chǎng)里加速，然后嵌入到另一固體材料之中的技術(shù)手段。使用這個(gè)技術(shù)可以改變固體材料的物理化學(xué)性質(zhì)，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體器件制造和某些材料科學(xué)研究。離子注入可以導(dǎo)致核轉(zhuǎn)變，或改變某些固體材料的晶體結(jié)構(gòu)。

十、光刻膠的去除

光刻膠的主要功能是在整個(gè)區(qū)域進(jìn)行化學(xué)或機(jī)械處理工藝時(shí)，保護(hù)光刻膠下的襯底部分。所以當(dāng)以上工藝結(jié)束之后，光刻膠應(yīng)全部去除，這一步驟簡(jiǎn)稱去膠。只有那些高溫穩(wěn)定的光刻膠，例如光敏感聚酰亞胺，可以作為中間介質(zhì)或緩沖涂層而留在器件上。

為避免對(duì)被處理表面的任何損傷，應(yīng)當(dāng)使用低溫下溫和的化學(xué)方法。超聲波的應(yīng)用也可以增強(qiáng)剝離效能。因?yàn)橛懈g問題、一些已知的剝離液不能作用與鋁等金屬表面；在此情況下、臭氧或氧等離子體(灰化)是首先采用的。這些等離子體同樣成功地作為非鋁表面的光刻交剝離劑，但是，器件表面的損壞仍是要解決的問題。

刻蝕或離子注入之后，已經(jīng)不再需要光刻膠作保護(hù)層，可以將其除去。

去膠的方法分類如下：

濕法去膠：a、有機(jī)溶劑去膠：利用有機(jī)溶劑除去光刻膠；b、無機(jī)溶劑：通過使用一些無機(jī)溶劑，將光刻膠這種有機(jī)物中的碳元素氧化為二氧化碳，進(jìn)而而將其除去

干法去膠：利用等離子體將光刻膠剝除。

除了這些主要的工藝以外，還經(jīng)常采用一些輔助過程，比如進(jìn)行大面積的均勻腐蝕來減小襯底的厚度，或者去除邊緣不均勻的過程等等。一般在生產(chǎn)半導(dǎo)體芯片或者其它元件時(shí)，一個(gè)襯底需要多次重復(fù)光刻。