光刻技术

光刻是生产半导体元件时的一个工业步骤,该步骤将印在光掩膜上的外形结构转移到基质的表面上。光刻与印刷术中的平版印刷的工艺过程类似。基质一般是硅、砷化镓晶体的芯片,也可以是其他半导体的芯片。玻璃、蓝宝石或者金属也可以作为基质。

光刻主要有以下几个步骤。

  1. 首先是准备基质:在涂布光阻剂之前,硅片一般要进行处理,需要经过脱水烘培蒸发掉硅片表面的水分,并涂上用来增加光刻胶与硅片表面附着能力的化合物(目前应用的比较多的是六甲基乙硅氮烷(hexa-methyl-disilazane,简称HMDS)以及三甲基甲硅烷基二乙胺(tri-methyl-silyl-diethyl-amime,简称TMSDEA))。
  2. 涂布光阻剂(photo resist):将硅片放在一个平整的金属托盘上,托盘内有小孔与真空管相连,硅片就被吸在托盘上,这样硅片就可以与托盘一起旋转。涂胶工艺一般分为三个步骤:
    1. 将光刻胶溶液喷洒倒硅片表面;
    2. 加速旋转托盘(硅片),直到达到所需的旋转速度;
    3. 达到所需的旋转速度之后,保持一定时间的旋转。由于硅片表面的光刻胶是借旋转时的离心力作用向着硅片外围移动,故涂胶也可称做甩胶。经过甩胶之后,留在硅片表面的光刻胶不足原有的1%。
  3. 软烘干:也称前烘。在液态的光刻胶中,溶剂成分占65%-85%,甩胶之后虽然液态的光刻胶已经成为固态的薄膜,但仍有10%-30%的溶剂,容易玷污灰尘。通过在较高温度下进行烘培,可以使溶剂从光刻胶中挥发出来(前烘后溶剂含量降至5%左右),从而降低了灰尘的玷污。同时还可以减轻因高速旋转形成的薄膜应力,从而提高光刻胶的附着性。在前烘过程中,由于溶剂挥发,光刻胶厚度也会减薄,一般减薄的幅度为10%-20%左右。
  4. 光刻:光刻过程中,光刻胶中的感光剂发生光化学反应,从而使正胶的感光区、负胶的非感光区能够溶解于显影液中。正性光刻胶中的感光剂DQ发生光化学反应,变为乙烯酮,进一步水解为茚并羧酸(Indene-Carboxylic-Acid,简称ICA),羧酸对碱性溶剂的溶解度比未感光的感光剂高出约100倍,同时还会促进酚醛树脂的溶解。于是利用感光与未感光的光刻胶对碱性溶剂的不同溶解度,就可以进行掩膜图形的转移。
  5. 显影(development) :经显影,正胶的感光区、负胶的非感光区溶解于显影液中,光刻后在光刻胶层中的潜在图形,显影后便显现出来,在光刻胶上形成三位图形。为了提高分辨率,几乎每一种光刻胶都有专门的显影液,以保证高质量的显影效果。
  6. 硬烘干:也称坚膜。显影后,硅片还要经过一个高温处理过程,主要作用是除去光刻胶中剩余的溶剂,增强光刻胶对硅片表面的附着力,同时提高光刻胶在刻蚀和离子注入过程中的抗蚀性和保护能力。在此温度下,光刻胶将软化,形成类似玻璃体在高温下的熔融状态。这会使光刻胶表面在表面张力作用下圆滑化,并使光刻胶层中的缺陷(如针孔)因此减少,借此修正光刻胶图形的边缘轮廓。
  7. 刻(腐)蚀或离子注入。
  8. 去胶:刻蚀或离子注入之后,已经不再需要光刻胶作保护层,可以将其除去,称为去胶,分为:
    1. 湿法去胶
      1. 有机溶剂去胶:主要是使光刻胶溶于有机溶剂而除去;
      2. 无机溶剂去胶:利用光刻胶本身也是有机物的特点,通过一些无机溶剂,将光刻胶中的碳元素氧化为二氧化碳而将其除去;
    2. 干法去胶:用等离子体将光刻胶剥除。

除这些主要的工艺外还可能包括其它辅助的过程,比如大面积的均匀腐蚀来减小基质的厚度,或者去除边缘不均匀的过程等等。一般在生产半导体芯片或者其它元件时一个基质需要多次重复光刻。

在硅芯片上涂光阻剂的甩胶机此外光阻剂还有“正”、“负”之分,正光阻剂不感光的部分在显影后留下,而负光阻剂感光的部分在显影后留下。显影后光阻剂被烘干,然后芯片被放入一个腐蚀金属的溶剂中(比如一种酸)来将不被光阻剂掩盖的金属腐蚀掉。然后使用另一种特殊的腐蚀液将烘干的光阻剂去除掉,这样在基质表面上就留下了一层覆盖了一定区域的金属。

光刻的优点在于它可以精确地控制形成的形状的大小和样子,此外它可以同时在整个芯片表面产生外形轮廓。它最主要得缺点在于它必须在平面上使用,在不平的表面上它的效果不很好,此外它要求极其高的清洁条件。在生产复杂的集成电路的过程中一块芯片可能经过50多次光刻。在生产薄膜晶体管的过程中所需要的光刻过程要少得多。

原文:中国科学院半导体研究所 - 光刻技术©

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