微细和纳米加工技术：第2章 光学曝光技术（2-3 光学曝光的工艺过程)

1、光刻的两种基本工艺类型： 正性光刻、负性光刻。负性正性2.3光学曝光的工艺过程正性光刻是把与掩模上相同的图形复制到硅片上； 光刻技术的工艺流程： 硅片预处理、涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜、刻蚀、去胶等。负性光刻是把与掩模上相反的图形复制到硅片表面。1预处理是对衬底进行清洗、干燥和表面成膜处理，以改善加工表面的某些状态和特性，使光刻胶与衬底表面有良好的粘附性。负性正性2.3.1衬底或基片的预处理化学增附剂的使用：有时还要在衬底表面涂覆一层叫做“六甲基二硅胺烷”HMDS(hexamethyldisilazne)的化学增附剂。有了这层增附剂可以确保光刻胶在后续刻蚀工艺中不会脱落。2在光刻工艺中所用到

2、的光刻胶绝大多数是疏水的。一般衬底表面的羟基是亲水的，当衬底曝露与湿气（空气、表面残留的水）时，如果在衬底表面直接涂胶的话，势必会造成光刻胶和衬底的黏附性变差，甚至造成局部的间隙或气泡，胶层均匀性和抗蚀性都会受到影响。为了解决这一问题，在光刻涂胶工艺中引入了一种增黏剂(HMDS) 。将增黏剂涂到衬底表面后，通过加温可反应生成以硅氧烷为主体的化合物，这实际上是一种表面活性剂，几个分子厚的增黏剂就可以成功地将衬底表面由亲水变为疏水，其疏水基可很好地与光刻胶结合，起到耦合的作用。再者，在显影的过程中，由于它增强了光刻胶与衬底的黏附性，从而有效地抑制腐蚀液进入光刻胶与衬底的侧向钻蚀，提高了光刻胶的抗蚀

3、性。化学增附剂HMDS的作用3涂胶的均匀性直接影响刻蚀图形的分辨力。一个厚度相差很大、严重凹凸不平的胶面甚至连曝光、显影的条件也难于达到，当然就不会有好的刻蚀结果。（接触式曝光、焦深等问题）负性正性2.3.2涂胶涂胶厚度必须适当。如果胶过厚，则光波通过率减小，图像的分辨力将变低，刻蚀线条的精度也将变差；胶过薄，虽然图像分辨力提高，但引起的问题是随着胶厚的减小，针孔密度几乎呈指数增加。 4主要目的是蒸发掉有机溶剂成分，使晶圆表面的胶固化，增强胶膜与硅片之间的粘附性。负性正性2.3.3前烘合适的前烘温度和时间。若温度过高或时间过长会造成显影时留下底膜或使感光灵敏度下降，腐蚀时则会出现小岛；若温度过

4、低或时间过短，则会造成显影后针孔增加，或产生浮胶、图形变形等现象。前烘最常用的方法是在电热恒温箱内或在热空气中进行，也可采用红外热源，但应注意避免胶膜见光。涂好的光刻胶中，常含有很多溶剂，这将使胶膜的致密性以及胶膜与硅片表面的粘附性都较差，从而使显影液的溶解速度不稳定，同时在微细加工过程中容易造成物理损伤。5曝光是用一定波长和强度的光波透过掩模，照射光刻胶，使受照射部分的光刻胶发生光化学反应，以形成所需图形的“潜影”，经显影后就可获得与掩模上相应的图形。负性正性2.3.4曝光 对于掩模对准式曝光，则在曝光前要选定适当的接触压力或掩模间隙。6适当的曝光时间：时间太长，显影后的胶面呈现出皱纹，使分

5、辨率降低，图形尺寸发生变化，边界模糊。时间太短，光刻胶的光化学反应不充分，在显影时，将使图形边缘局部溶解，出现毛刺、钻蚀，同时降低光刻胶的抗蚀能力。曝光时间负性正性曝光时间是由光刻胶、胶膜厚度、光源强度，以及光源与衬底间距离来决定的，一般曝光时间为几秒到几十秒的范围。通常以短时间、强曝光为好，并通过实验来确定最佳曝光时间。 7负性正性2.3.5后烘光线照射到光刻胶与晶圆的界面上会产生部分反射。反射光与入射光叠加会形成驻波。后烘会部分消除这种效应。8图2.50是实际曝光和显影后的胶的图形，内壁的条纹清晰可见。驻波效应及其实例图2.50 接触孔曝光的光刻胶图形，孔内显示由于驻波效应造成的条纹9在曝

6、光后与显影之前对胶进行烘烤可以消除这种驻波效应。在胶表面或衬底材料表面涂覆抗反射膜也可以减弱或消除驻波效应。驻波效应及其消除图2.51 计算机模拟的光刻胶横截面10所谓显影，就是把曝光后的零件用显影液除去应去掉部分的光刻胶，以获得腐蚀时由胶膜保护的所需要的图形。负性正性2.3.6显影对负性光刻胶，一般采用有机溶剂做显影剂，将未曝光部分的胶溶解掉。对正性光刻胶，则采用无机碱或有机碱的弱碱性水溶剂做显影剂，将曝光部分的胶溶解去除。显影时间随光致抗蚀剂的种类、胶膜厚度、显影液种类、显影温度和操作方法的不同而不同，要根据实际情况进行选择和调整。显影时间过长，容易使胶膜发生软化和膨胀，影响胶膜与衬底的粘

7、附性能，甚至出现浮胶现象；显影时间过短，会引起显影不足，因而影响腐蚀出来的图形精度，同时也会降低分辨率。显影时间一般约13min。11负性正性2.3.7去残胶显影过后通常会在晶圆表面残留一层非常薄的胶质层。这种遗留残胶现象在曝光图形的深宽比较高时尤其明显，因为图形很深，显影液不易对图形底部进行充分显影。这层残胶虽然只有几纳米的厚度，但会妨碍下一步的图形转移，因此需要去残胶。去残胶的过程是在显影后把晶圆放在等离子体刻蚀机中进行短时间的刻蚀，通常在氧气等离子体中刻蚀05 min。并非在所有情况下都要去残胶。需要注意的是去残胶过程会使胶层的厚度减少并造成曝光图形精度的变化。12坚膜又叫硬烘烤，就是将

8、显影液漂洗后的硅片在一定的温度下进行烘焙。坚膜的目的是为了挥发掉残存于光刻胶的溶剂，进一步提高胶膜与硅片表面的粘附能力，并使胶膜致密坚固，并可以增加胶层的抗刻蚀能力 。负性正性2.3.8坚膜 坚膜的温度和时间要适当选择。若坚膜不足，溶剂没有去净，胶膜不够致密和坚固，抗蚀性差，在蚀刻时会发生浮胶或严重侧蚀等问题。若坚膜过头，会使胶膜发脆，从而产生因热膨胀而翘曲、剥落及图像形变等情况，或在蚀刻时发生钻蚀或浮胶。温度过高时，光刻胶会因热分解而失去抗蚀能力。13坚膜的条件应根据光刻胶的种类、聚合物的结构性能以及蚀刻工艺的要求而确定。一般坚膜温度在150200之间，时间为2045min。坚膜一般在高温烘

9、箱中进行，要注意烘箱内温度分布的均匀性。坚膜并不是一道必需的工艺。需要注意的是，坚膜通常会增加将来去胶的难度。坚膜的温度负性正性14刻蚀是把硅片上无光刻胶掩蔽的加工表面，如氧化硅膜、金属膜等刻蚀掉，而使有光刻胶掩蔽的区域保存下来，这样便在硅片表面得到所需要的成像图形。刻蚀是完成光刻胶的图像向硅片表面转移的过程，是光刻工艺中另一个重要环节。负性正性2.3.9刻蚀（图形转移）对刻蚀的基本要求是： 图形边缘整齐、线条清晰、图形变换差小，且对光刻胶及其掩蔽保护的表面无损伤和钻蚀。15湿法刻蚀就是用一定配比的腐蚀液完成刻蚀过程，被刻蚀表面的材料不同，选用的腐蚀液和刻蚀条件也不同。湿法刻蚀是目前普遍采用的

10、刻蚀方式，它的优点是设备简单、工艺成熟、操作方便。但由于这种刻蚀方式具有各向同性以及腐蚀液对光刻胶的浸泡侧蚀等作用，影响了刻蚀图像的精度，难以满足高分辨力、高精度图像的刻蚀要求。刻蚀的基本方式负性正性干法刻蚀有等离子刻蚀、离子溅射和反应活性离子刻蚀等方法。目前主要应用于氮化硅、单晶硅、多晶硅和某些金属材料的刻蚀。干法刻蚀最大的优点是可使刻蚀具有很强的方向性，从而使侧向刻蚀达到很小。此外，干法刻蚀还具有工艺控制精确、方便、无脱胶现象、无损伤和玷污、工艺过程简单稳定和易于自动化等一系列优点。刻蚀的方式有湿法刻蚀和干法刻蚀两种。16腐蚀结束后，光致抗蚀剂就完成了它的作用，因此需设法把这层无用的胶膜去

11、掉，这一工序称为去胶。去胶法主要有下列几种：负性正性(1)溶剂去胶把腐蚀结束了的零件浸泡在适当的溶剂中，以使衬底表面的胶膜溶胀或溶解而脱落。对不同的光致抗蚀剂，去胶用的溶剂应有不同。 例如： PVAC胶膜可用有机溶剂(通常用二甲苯浸泡1530min)除去； 重铬酸胶质光刻胶，则常用90100的氢氧化钠溶液来去除胶膜。2.3.10去胶17(2)氧化去胶把腐蚀后的零件放入氧化去胶剂中，加热至100左右，抗蚀剂胶膜则被氧化成二氧化碳和水，然后用水冲洗，即可得到清洁表面。常用的氧化去胶剂有 浓硫酸； 3：1的硫酸和过氧化氢的混合液； 硫酸-重铬酸钾溶液(即所谓玻璃洗液)三种。对一些不易氧化的零件，可直接在430550的氧气中加热，使抗蚀剂胶膜在高温下与氧反应，生成CO2、H2O及其他挥发性的氧化物，脱离衬底，达到去胶的目的。光学曝光的工艺过程负性正性去胶 之氧化去胶18(3)等离子去胶氧气分子在高频电场(1356MHz)的作用下电离，形成氧的正离子、化学性活泼的氧原子、氧分子和