球王会官方具体解析芯片光刻的进程

　　在集成电路的制作进程中，有一个重要的环节光刻，正由于有了它，咱们才能在细小的芯片上完结功用。现代刻划技能能够追溯到190年曾经，1822年法国人Nicephore niepce在各种资料光照试验今后，开端企图仿制一种刻蚀在油纸上的印痕（图画)，他将油纸放在一块玻璃片上，玻片上涂有溶解在植物油中的沥青。经过2、3小时的日晒，透光部分的沥青显着变硬，而不透光部分沥青仍然软并可被松香和植物油的混合液洗掉。经过用强酸刻蚀玻璃板，Niepce在1827年制作了一个dAmboise主教的雕板相的仿制品。

　　Niepce的创造100多年后，即第2次世界大战期间才榜首使用于制作印刷电路板，即在塑料板上制作铜线年光刻法被用于在Si上制作很多的细小晶体管，其时分辨率5um，现在除可见光光刻之外，更呈现了X-ray和荷电粒子刻划等更高分辨率办法。

　　所谓光刻，依据维基百科的界说，这是半导体器材制作工艺中的一个重要进程，该进程运用曝光和显影在光刻胶层上描写几许图形结构，然后经过刻蚀工艺将光掩模上的图形搬运到地点衬底上。这儿所说的衬底不只包含硅晶圆，还能够是其他金属层、介质层，例如玻璃、SOS中的蓝宝石。

　　光刻的根本原理是运用光致抗蚀剂（或称光刻胶）感光后因光化学反响而构成耐蚀性的特色，将掩模板上的图形刻制到被加工外表上。

　　B. 颗粒沾污：运用物理的办法可采机械擦拭或超声波清洗技能来去除粒径 0.4 m颗粒，运用兆声波可去除 0.2 m颗粒。

　　a. 运用强氧化剂使“电镀”附着到硅外表的金属离子、氧化成金属，溶解在清洗液中或吸附在硅片外表。

　　自1970年美国RCA试验室提出的浸泡式RCA化学清洗工艺得到了广泛使用，1978年RCA试验室又推出兆声清洗工艺，近几年来以RCA清洗理论为根底的各种清洗技能不断被开发出来，例如：美国FSI公司推出离心喷淋式化学清洗技能、美国原CFM公司推出的Full-Flow systems封闭式溢流型清洗技能、美国VERTEQ公司推出的介于浸泡与封闭式之间的化学清洗技能（例Goldfinger Mach2清洗系统）、美国SSEC公司的双面檫洗技能（例M3304 DSS清洗系统）、 日本提出无药液的电介离子水清洗技能（用电介超纯离子水清洗）使抛光片外表洁净技能到达了新的水平、以HF / O3为根底的硅片化学清洗技能。

　　由于光刻胶中含有溶剂，所以关于涂好光刻胶的硅片需求在80度左右的。硅片脱水烘焙能去除圆片外表的潮气、增强光刻胶与外表的黏附性、一般大约100 C。这是与底胶涂覆兼并进行的。

　　底胶涂覆增强光刻胶(PR)和圆片外表的黏附性。广泛运用: (HMDS)六甲基二硅胺、在PR旋转涂覆前HMDS蒸气涂覆、PR涂覆前用冷却板冷却圆片。

　　光刻胶涂覆一般的进程是在涂光刻胶之前，先在900-1100度湿氧化。氧化层能够作为湿法刻蚀或B注入的膜版。作为光刻工艺本身的榜首步，一薄层的对紫外光灵敏的有机高分子化合物，即一般所说的光刻胶，要涂在样品外表(SiO2)。首要光刻胶被从容器中取出滴布到置于涂胶机中的样品外表，(由真空负压将样品固定在样品台上)，样品然后高速旋转，转速由胶粘度和期望胶厚度确认。在这样的高速下，胶在离心力的效果下向边际活动。

　　涂胶工序是图形转化工艺中开始的也是重要的进程。涂胶的质量直接影响到所加工器材的缺点密度。为了确保线宽的重复性和接下去的显影时刻，同一个样品的胶厚均匀性和不相同品间的胶厚一致性不该超越5nm(关于1.5um胶厚为0.3%)。

　　光刻胶的方针厚度的确认首要考虑胶本身的化学特性以及所要仿制图形中线条的及空隙的微细程度。太厚胶会导致边际掩盖或连通、小丘或田亘状胶貌、使成品率下降。在MEMS中、胶厚(烤后)在0.5-2um之间，而关于特别微结构制作，胶厚度有时期望1cm量级。在后者，旋转涂胶将被铸胶或等离子体胶聚合等办法替代。惯例光刻胶涂布工序的优化需求考虑滴胶速度、滴胶量、转速、环境温度和湿度等，这些要素的安稳性很重要。

　　在这儿说一下，光刻胶的首要成分有一种聚合物(树脂)、敏化剂和溶剂。聚合物在被辐照时结构改动，溶剂使其能被甩胶并在样品外表构成薄膜，敏化剂操控聚合相的化学反响。不含有敏化剂的光刻胶有时称为单元或一元系统，而含有敏化剂使则称为二元系统。溶剂或其它添加物一般不计入元数，由于它们不直接参与光刻胶的光化学反响。

　　在工艺开展的前期，负胶一直在光刻工艺中占主导地位，跟着VLSI IC和2～5微米图形尺度的呈现，负胶已不能满足要求。随后呈现了正胶，但正胶的缺点是粘结才能差。

　　用正胶需求改动掩膜版的极性，这并不是简略的图形翻转。由于用掩膜版和两种不同光刻胶结合，在晶园外表光刻得到的尺度是不一样的，由于光在图形周围的衍射效应，使得用负胶和亮场掩膜版组合在光刻胶层上得到的图形尺度要比掩膜版上的图形尺度小。用正胶和暗场掩膜版组合会使光刻胶层上的图形尺度变大。

　　完结光刻胶的涂改之后，需求进行软烘干操作，这一进程也被称为前烘。前烘能够蒸腾光刻胶中的溶剂溶剂、能使涂覆的光刻胶更薄。

　　在液态的光刻胶中，溶剂成分占65％－85％。虽然在甩胶之后，液态的光刻胶现已成为固态的薄膜，但仍有10％－30％的溶剂，简单沾污尘埃。经过在较高温度下进行烘培，能够使溶剂从光刻胶中蒸发出来（前烘后溶剂含量降至5％左右），然后下降了尘埃的沾污。一起，这一进程还能够减轻因高速旋转构成的薄膜应力，然后进步光刻胶 衬底上的附着性。

　　光刻对准技能是曝光前一个重要进程作为光刻的三大核心技能之一，一般要求对准精度为最细线。跟着光刻分辨力的进步 ，对准精度要求也越来越高 ，例如针对 45am线宽尺度 ，对准精度要求在5am 左右。

　　受光刻分辨力进步的推进 ，对准技能也阅历 敏捷而多样的开展 。从对准原理上及符号结 构分类 ，对准技能从前期的投影光刻中的几许成像对准办法 ，包含视频图画对准、双目显微镜对准等，一直到后来的波带片对准办法 、干与强度对准 、激光外差干与以及莫尔条纹对准办法 。从对准信号上分 ，首要包含符号的显微图画对准 、根据光强信息的对准和根据相位信息对准。

　　对准法则是榜首次光刻仅仅把掩膜版上的Y轴与晶园上的平边成90，如图所示。接下来的掩膜版都用对准符号与上一层带有图形的掩膜对准。对准符号是一个特别的图形（见图），散布在每个芯片图形的边际。经过光刻工艺对准符号就永久留在芯片外表，一起作为下一次对准运用。

　　b、经过对准标志，坐落切开槽上。别的层间对准，即套刻精度,确保图形与硅片上现已存在的图形之间的对准。

　　在这一步中，将运用特定波长的光对掩盖衬底的光刻胶进行挑选性地照耀。光刻胶中的感光剂会产生光化学反响，然后使正光刻胶被照耀区域（感光区域）、负光刻胶未被照耀的区域（非感光区）化学成分产生改动。这些化学成分产生改动的区域，鄙人一步的能够溶解于特定的显影液中。

　　在承受光照后，正性光刻胶中的感光剂DQ会产生光化学反响，变为乙烯酮，并进一步水解为茚并羧酸（Indene-Carboxylic-Acid, CA），羧酸在碱性溶剂中的溶解度比未感光部分的光刻胶高出约100倍，产生的羧酸一起还会促进酚醛树脂的溶解。运用感光与未感光光刻胶对碱性溶剂的不同溶解度，就能够进行掩膜图形的搬运。

　　c、投影式曝光（Projection Printing）。在掩膜板与光刻胶之间运用透镜集合光完结曝光。

　　假如能量和焦距调整欠好，就不能得到要求的分辨率和巨细的图形。表现为图形的要害尺度超出要求的规模。

　　经过在曝光进程完毕后参加显影液，正光刻胶的感光区、负光刻胶的非感光区，会溶解于显影液中。这一步完结后，光刻胶层中的图形就能够显现出来。为了进步分辨率，简直每一种光刻胶都有专门的显影液，以确保高质量的显影效果。

　　显影工序使将在曝光进程中构成的隐性图构成为光刻胶在与不在的显性图形，以作为下一步加工的膜版。显影中进行的是挑选性溶解的进程，最重要的是曝光区和未曝光区之间溶解率的比值(DR)。商用正胶有大于1000的DR比，在曝光区溶解速率为3000nm/min，在未曝光区只要几nm/min。

　　b、接连喷雾显影（Continuous Spray Development）/主动旋转显影（Auto-rotation Development）。一个或多个喷嘴喷洒显影液在硅片外表，一起硅片低速旋转（100～500rpm）。喷嘴喷雾方式和硅片旋转速度是完结硅片间溶 解率和均匀性的可重复性的要害调理参数。

　　c、水坑（旋覆浸没）式显影（Puddle Development）。喷覆满足（不能太多，最小化反面湿度）的显影液到硅片外表，并构成水坑形状（显影液的活动坚持较低，以削减边际显影速率的变 化）。硅片固定或渐渐旋转。一般选用屡次旋覆显影液：榜首次涂覆、坚持10～30秒、去除；第2次涂覆、坚持、去除。然后用去离子水冲刷（去除硅片两面的 一切化学品）并旋转甩干。长处：显影液用量少；硅片显影均匀；最小化了温度梯度。

　　a、正性光刻胶的显影液。正胶的显影液位碱性水溶液。KOH和NaOH由于会带来可 动离子污染（MIC，Movable Ion Contamination），所以在IC制作中一般不必。最一般的正胶显影液是四甲基氢氧化铵（TMAH）（规范当量浓度为0.26，温度 15～250C）。在I线光刻胶曝光中会生成羧酸，TMAH显影液中的碱与酸中和使曝光的光刻胶溶解于显影液，而未曝光的光刻胶没有影响；在化学扩大光刻 胶（CAR，Chemical Amplified Resist）中包含的酚醛树脂以PHS方式存在。CAR中的PAG产生的酸会去除PHS中的维护基团（t-BOC），然后使PHS快速溶解于TMAH显 影液中。整个显影进程中，TMAH没有同PHS产生反响。

　　a、显影不彻底（Incomplete Development）。外表还残留有光刻胶。显影液缺乏构成；

　　c、过度显影（Over Development）。接近外表的光刻胶被显影液过度溶解，构成台阶。显影时刻太长。

　　刻胶显影完结后，图形就根本确认，不过还需求使光刻胶的性质更为安稳。硬烘干能够到达这个意图，这一进程也被称为坚膜。在这进程中，运用高温处理，能够除掉光刻胶中剩下的溶剂、增强光刻胶对硅片外表的附着力，一起进步光刻胶在随后刻蚀和离子注入进程中的抗蚀性才能。别的，高温下光刻胶将软化，构成相似玻璃体在高温下的熔融状况。这会使光刻胶外表在外表张力效果下油滑化，并使光刻胶层中的缺点（如针孔）削减，这样批改光刻胶图形的边际概括。

　　用O2等离子体对样品全体处理，以铲除显影后或许的非望残留叫de-scumming。特别是负胶但也包含正胶，在显影后会在本来胶-基板界面处残留聚合物薄层，这个问题在结构小于1um或大深-宽比的结构中更为严重。当然在De-scumming进程中留胶厚度也会下降，可是影响不会太大。

　　最终，在刻蚀或镀膜之前需求硬烤以去除残留的显影液和水，并退火以改进由于显影进程浸透和胀大导致的界面接合状况。一起进步胶的硬度和进步抗刻蚀性。硬烤温度一般高达120度以上，时刻也在20分左右。首要的约束是温度过高会使图形边际变差以及刻蚀后难以去除。

　　a、彻底蒸腾掉光刻胶里边的溶剂（防止在污染后续的离子注入环境，例如DNQ酚醛树脂 光刻胶中的氮会引起光刻胶部分爆裂）；

　　a、烘烤缺乏（Underbake）。削弱光刻胶的强度（抗刻蚀才能和离子注入中 的阻挠才能）；下降针孔填充才能（Gapfill Capability for the needle hole）；下降与基底的黏附才能。

　　b、烘烤过度（Overbake）。引起光刻胶的活动，使图形精度下降，分辨率变差。别的还能够用深紫外线（DUV，Deep Ultra-Violet）坚膜。使正性光刻胶树脂产生交联构成一层薄的外表硬壳，添加光刻胶的热安稳性。在后面的等离子刻蚀和离子注入（125～2000C）工艺中削减因光刻胶高温活动而引起分辨率的下降。

　　刻蚀（英语：etching）是半导体器材制作中运用化学途径挑选性地移除堆积层特定部分的工艺。刻蚀关于器材的电学功能十分重要。假如刻蚀进程中呈现失误，将构成难以康复的硅片作废，因而有必要进行严厉的工艺流程操控。半导体器材的每一层都会阅历多个刻蚀进程。

　　刻蚀一般分为电子束刻蚀和光刻，光刻对资料的平整度要求很高，因而，需求很高的清洁度。 可是，关于电子束刻蚀，由于电子的波长极短，因而分辨率与光刻比较要好的多。 由于不需求掩模板，因而对平整度的要求不高，可是电子束刻蚀很慢，并且设备贵重。

　　关于大多数刻蚀进程，晶圆上层的部分方位都会经过“罩”予以维护，这种罩不能被刻蚀，这样就能对层上的特定部分进行挑选性地移除。在有的状况中，罩的资料为光阻性的，这和光刻中运用的原理相似。而在其他状况中，刻蚀罩需求耐受某些化学物质，氮化硅就能够用来制作这样的“罩”。

　　离子注入是一种将特定离子在电场里加快，然后嵌入到另一固体资料之中的技能手段。运用这个技能能够改动固体资料的物理化学性质，现在现已广泛使用于半导体器材制作和某些资料科学研究。离子注入能够导致核改动，或改动某些固体资料的晶体结构。

　　光刻胶的首要功用是在整个区域进行化学或机械处理工艺时，维护光刻胶下的衬底部分。所以当以上工艺完毕之后，光刻胶应悉数去除，这一进程简称去胶。只要那些高温安稳的光刻胶，例如光灵敏聚酰亚胺，能够作为中心介质或缓冲涂层而留在器材上。

　　为防止对被处理外表的任何损害，应当运用低温下温文的化学办法。超声波的使用也能够增强剥离效能。由于有腐蚀问题、一些已知的剥离液不能效果与铝等金属外表；在此状况下、臭氧或氧等离子体(灰化)是首要选用的。这些等离子体相同成功地作为非铝外表的光刻交剥离剂，可是，器材外表的损坏仍是要处理的问题。

　　除了这些首要的工艺以外，还常常选用一些辅佐进程，比方进行大面积的均匀腐蚀来减小衬底的厚度，或许去除边际不均匀的进程等等。一般在出产半导体芯片或许其它元件时，一个衬底需求屡次重复光刻。