半导体工艺之光刻+刻蚀原理与流程课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,*,半导体工艺之光刻,+,刻蚀原理和流程,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程半导体工艺之光刻+刻蚀原理和,1,掺杂,光 刻,刻 蚀,镀膜,刻蚀,扩散掺杂,离子注入掺杂,物理气相淀积,化学气相淀积,氧化,半导体制作工艺,3.1,概述,封装,线焊,倒装焊,TSV,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,掺杂光 刻刻 蚀镀膜刻蚀 扩散掺杂离子注入掺杂,2,生活的中类半导体工艺,掩膜,+,腐蚀,掩膜,+,光照,溅射,+,电镀,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,生活的中类半导体工艺掩膜+腐蚀掩膜+光照溅射+电镀半导体工艺,3,光刻中,.,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,光刻中.半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,4,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,5,微纳器件需要怎样的加工环境？,50 um,100 um,0.01 um-5 um,粉尘 ：,1-100 um,灰尘 ：,2-100 um,雾霾 ：, 10um,什么是,PM2.5,？,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,微纳器件需要怎样的加工环境？50 um100 um0.01,6,更衣间,风淋室,工作间,1,工作间,2,传递仓,超净间的组成及注意事项,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,更衣间风淋室工作间1工作间2传递仓超净间的组成及注意事项半导,7,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,8,超净服的穿戴,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,超净服的穿戴半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,9,第一步：戴上口罩；注意事项：穿戴前把头发扎好，衣服整理好；戴口罩时可以露出鼻子。,戴口罩时可以露出鼻子,工作服穿戴步骤及注意事项,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,第一步：戴上口罩；注意事项：穿戴前把头发扎好，衣服整理,10,第二步：戴上工帽；注意事项： 需要把纽扣扣好 不能有头发外露。,头发外露,工作服穿戴步骤及注意事项,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,第二步：戴上工帽；注意事项： 需要把纽扣扣好,11,第三步：穿戴工衣； 注意事项：工帽需要被工衣完,全覆盖需要扣好纽扣。,工帽外露，纽扣没有扣好,工作服穿戴步骤及注意事项,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,第三步：穿戴工衣； 注意事项：工帽需要被工衣完,12,第四步：穿戴工裤、工鞋；注意事项：选用合适的工鞋，穿工鞋时不能踩到鞋跟。,踩,到,鞋,跟,工作服穿戴步骤及注意事项,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,第四步：穿戴工裤、工鞋；注意事项：选用合适的工鞋，穿工,13,第五步：戴好乳胶手套；注意事项：乳胶手套分大（,L),、中,(M),、小,(S),，请选用尺寸合适的手套,乳,胶,手,套,尺,寸,过,大,工作服穿戴步骤及注意事项,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,第五步：戴好乳胶手套；注意事项：乳胶手套分大（L)、中,14,穿戴流程示意图,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,穿戴流程示意图半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,15,有污渍的工作服要及时清洗,脏的工鞋要及时清洗,不可以在工作服上随便乱涂写,干净洁白的工作服,其他注意事项,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,有污渍的工作服要及时清洗脏的工鞋要及时清洗不可以在工作,16,氧化：,高品质,SiO,2,的成功开发，是推动硅,(Si),集成电路成为商用产品主流的一大动力。一般说来，,SiO,2,可作为许多器件结构的绝缘体，或在器件制作过程中作为扩散或离子注入的阻挡层。如在,p-n,结的制造过程中，,SiO,2,薄膜可用来定义结的区域。,图,(a),显示一无覆盖层的硅晶片，正准备进行氧化步骤。在氧化步骤结束后，一层,SiO,2,就会均匀地形成在晶片表面。为简化讨论，图,(b),只显示被氧化晶片的上表层。,导入,PN,结的制作,为什么要学习光刻？,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,氧化：高品质SiO2的成功开发，是推动硅(Si)集成电路成为,17,光刻：,技术被用来界定,p-n,结的几何形状。在形成,SiO2,之后。利用高速旋转机，将晶片表面旋涂一层对紫外光敏感的材料，称为光刻胶,(photo-resist),。将晶片从旋转机拿下之后,图,(c),，在,80C,100C,之间烘烤。以驱除光刻胶中的溶剂并硬化光刻胶，加强光刻胶与晶片的附着力。如图,(d),所示，下一个步骤使用,UV,光源，通过一有图案的掩模版对晶片进行曝光。对于被光刻胶覆盖的晶片在其曝光的区域将依据光刻胶的型态进行化学反应。而被暴露在光线中的光刻胶会进行聚合反应，且在刻蚀剂中不易去除。聚合物区域在晶片放进显影剂,(developer),后仍然存在，而未被曝光区域,(,在不透明掩模版区域之下,),会溶解并被洗去。,导入,PN,结的制作,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,光刻：技术被用来界定p-n结的几何形状。在形成SiO2之后。,18,刻蚀氧化层,： 图,(a),为显影后的晶片。晶片再次于,120,180 ,之间烘烤,20min,，以加强对衬底的附着力和即将进行的刻蚀步骤的抗蚀能力。然后，使用缓冲氢氟酸作酸刻蚀液来移除没有被光刻胶保护的氧化硅表面，如图,4(b),所示。最后，使用化学溶剂或等离子体氧化系统剥离,(stripped),光刻胶。图,(c),显示光刻步骤之后，没有氧化层区域,(,一个窗户,),的最终结果。晶片此时已经完成准备工作，可接着用扩散或离子注入。步骤形成,p-n,结。,导入,PN,结的制作,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,刻蚀氧化层： 图 (a)为显影后的晶片。晶片再次于,19,扩散：,在扩散方法中，没有被,SiO,2,保护的半导体表面暴露在相反型态的高浓度杂质中。杂质利用固态扩散的方式，进入半导体晶格。在离子注入时，将欲掺杂的杂质离子加速到一高能级，然后注入半导体内。,SiO,2,可作为阻挡杂质扩散或离子注入的阻挡层。在扩散或离子注入步骤之后，,p-n,结已经形成，如图,(d),所示。由于被注入的离子横向扩散或横向散开,(lateral straggle,，又译横向游走,),的关系，,P,型区域会比所开的窗户稍微宽些。,导入,PN,结的制作,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,扩散：在扩散方法中，没有被SiO2保护的半导体表面暴露在相反,20,金属薄膜沉积：,在扩散或离子注入步骤之后，欧姆接触和连线在接着的金属化步骤完成,图,(e),。金属薄膜可以用物理气相淀积和化学气相淀积来形成。光刻步骤再度用来定义正面接触点，如图,(f),所示。一相似的金属化步骤可用来定义背面接触点，而不用光刻工艺。一般而言，低温,(500,。,C),的退火步骤用来促进金属层和半导体之间的低电阻接触点。随着金属化的完成，,p-n,结已经可以工作了。,导入,PN,结的制作,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,金属薄膜沉积：在扩散或离子注入步骤之后，欧姆接触和连线在接着,21,图形转移,(pattern transfer),是微电子工艺的重要基础，其作用是使器件和电路的设计从图纸或工作站转移到基片上得以实现，我们可以把它看作是一个在衬底上建立三维图形的过程，包括光刻和刻蚀两个步骤。,光刻,(lithography,，又译图形曝光,),：使用带有某一层设计几何图形的掩模版,(mask),，通过光化学反应，经过曝光和显影，使光敏的光刻胶在衬底上形成三维浮雕图形。将图案转移到覆盖在半导体晶片上的感光薄膜层上,(,称为光致光刻胶、光刻胶或光阻，,resist,，简称光刻胶,),的一种工艺步骤。,刻蚀：在光刻胶或者阻挡层的掩蔽下，根据需要形成微图形的膜层不同，采用不同的刻蚀物质和方法在膜层上进行选择性刻蚀。,导入,光刻和刻蚀,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,图形转移(pattern transfer,22,光刻（,lithography,）是以一种被称为光刻胶的光敏感聚合物为主要材料的照相制版技术。集成电路发明至今，电路集成度提高了六个数量级以上，主要归功于光刻技术的进步。,非光学曝光,光学曝光,遮蔽式曝光,投影式曝光,曝光方式,电子束曝光,X,射线曝光,超紫外光曝光,离子束曝光,半导体微纳工艺之,-,光刻工艺,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,光刻（lithography）是以一种被称为光刻胶的光敏感聚,23,光刻工艺的重要性：,a.,微,/,光电子制造需进行多次光刻；,b.,耗费总成本的,30,；,c.,最复杂、最昂贵和最关键的工艺。,半导体微纳工艺之,-,光刻工艺,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,光刻工艺的重要性：半导体微纳工艺之-光刻工艺半导体工艺之光刻,24,准备光刻胶（光刻胶的保存）,低温黑暗条件下保存,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,准备光刻胶（光刻胶的保存）低温黑暗条件下保存半导体工艺之光刻,25,1.,准备硅片（清洗）,+,喷涂粘附剂,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,1. 准备硅片（清洗）+喷涂粘附剂半导体工艺之光刻+刻蚀原理,26,2.,喷涂粘附剂（,HMDS,六甲基二硅胺）,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,2. 喷涂粘附剂（HMDS 六甲基二硅胺）半导体工艺之光刻+,27,3.,滴胶,+,甩胶,滴胶,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,3. 滴胶+甩胶滴胶半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,28,4.,前,烘,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,4. 前烘半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,29,5.,装片,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,5. 装片半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,30,6.,装掩膜版（光刻板）,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,6.装掩膜版（光刻板）半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,31,6.,装掩膜版（光刻板）,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,6. 装掩膜版（光刻板）半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,32,7.,对准,+,曝光,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,7.对准+曝光半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,33,8.,后烘，显影,+,定影,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,8. 后烘，显影+定影半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,34,显影前后,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,显影前后半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,35,光刻的基本概念,光刻的本质：光刻处于硅片加工过程的中心，光刻常被认为是,IC,制造中最关键的步骤。,光刻的本质就是把临时电路,/,器件结构复制到以后要进行刻蚀和离子注入的硅片上。这些结构首先以图形的形式制作在名为掩膜版的石英膜版上。紫外光透过掩膜版把图形转移到硅片表面的光敏薄膜上。,即使用光敏光刻胶材料和可控制的曝光在硅片表面形成三维图形。,线宽,间距,厚度,衬底,光刻胶,光刻胶的三维图形,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,光刻的基本概念光刻的本质：光刻处于硅片加工过程的中心，光刻常,36,光刻技术的基本要求,1,、高分辨率 随着集成电路集成度的提高，特征尺寸越来越小要求实现掩模图形高水平转移的光学系统分辨率必须越高。,2,、高灵敏度的光刻胶 指光刻胶的感光速度，希望光刻工序的周期越短越好，减小曝光所需的时间就必须使用高灵敏度的光刻胶。,3,、高对比度的光刻胶 对比度是衡量光刻胶区分掩模版上亮区与暗区的能力大小的指标。从理论上说，光刻胶的对比度会直接影响曝光后光刻胶图形的倾角和线宽,4,、套刻对准精度 在电路制造过程中要进行多次的光刻，每次光刻都要进行严格的套刻。,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,光刻技术的基本要求 1、高分辨率 随着集成电路集成度的提高,37,分辨率,分辨率是指每毫米宽度内能够光刻出可分辨的最多线对数，它是对光刻工艺可以达到的最小图形尺寸的一种描述。在线宽,L,与线条间距相等的情况下，分辨率为： ，光刻分辨率受光刻系统、光刻胶和光刻等多方面因素影响,对比度,对比度是衡量光刻胶区分掩模版上亮区与暗区的能力大小的指标。从理论上,说，光刻胶的对比度会直接影响曝光后光刻胶图形的倾角和线宽。,为测量光刻胶的对比度，可以将一定厚度的光刻胶在不同辐照剂量下曝光，测量显影后剩余光刻胶的厚度（留膜率），利用留膜率与曝光剂量的关系曲线进行计算。,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,分辨率对比度 对比度是衡量光刻胶区分掩模版上,38,对于负胶，存在一个临界曝光剂量,D,0,。曝光剂量小于,D,0,时，负胶在显影液中完全可溶，不会形成曝光图形。曝光剂量达临界值后，感光区剩余膜厚随曝光剂量增大而增大。,当曝光剂量达到,D,100,以上时，感光区剩余膜厚最终达到初始时负胶的厚度。因此，负胶的对比度取决于曲线的曝光剂量取对数坐标之后得到的斜率。,负胶光刻胶对比度曲线,曝光剂量,光刻胶留膜率,负胶的对比度,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,对于负胶，存在一个临界曝光剂量 D0。曝光剂量小,39,正胶的感光区剩余膜厚与曝光剂量的关系如右图所示。,D0,为感光区光刻胶在显影液中完全不溶，即在光刻胶上不产生曝光图形所允许的最大曝光剂量。,D100,为感光区光刻胶在显影液中完全可溶所需的最小曝光剂量。可以看出，感光区剩余膜厚随曝光剂量的增加逐渐减小。对比度与该曲线外推斜率的绝对值有关：,曝光剂量,光刻胶留膜率,正胶光刻胶对比度曲线,正胶的对比度,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,正胶的感光区剩余膜厚与曝光剂量的关系如右图所示,40,光刻工艺,光刻工艺包括两种基本的工艺类型：,负性光刻和正性光刻,。这两种基本工艺的主要区别在于所使用的光刻胶的类型不同。,负性光刻：所使用的是负性光刻胶，当曝光后，光刻胶会因为交联而变得不可溶解，并会硬化，一旦硬化，交联的光刻胶就不能在溶济中被洗掉，因为光刻胶上的图形与投影掩膜版上的图形相反因此这种光刻胶被称为负性光刻胶。,正性光刻：与负性光刻相反,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,光刻工艺光刻工艺包括两种基本的工艺类型：负性光刻和正性光刻。,41,负性光刻,紫外光,光刻胶的曝光区,光刻胶上的阴影,在掩膜版上的铬岛,硅衬底,光刻胶,t,氧化硅,岛,被曝光的区域发生交联并变成阻止显影的化学物质,光刻胶显影后的最终图形,光刻胶,窗口,氧化层,硅衬底,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,负性光刻 紫外光光刻胶的曝光区光刻胶上的阴影在掩膜,42,正性光刻,photoresist,silicon substrate,oxide,紫外光,光刻胶上的阴影,光刻胶的曝光区,掩膜版上的铬岛,硅衬底,光刻胶,t,氧化层,岛,使光衰弱的被曝光区,光刻胶显影后的最终图形,窗口,光刻胶,t,氧化层,硅衬底,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,正性光刻photoresistsilicon substra,43,掩膜版与光刻胶之间的关系,期望印在硅片上的光刻胶结构,衬底,光刻胶岛,石英,岛,当使用,正胶,时要求掩膜版上的图形,(,与想要的结构想同,),窗口,铬d,当使用,负胶,时要求掩膜版上的图形,(,与想要的结构相反,),半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,掩膜版与光刻胶之间的关系期望印在硅片上的光刻胶结构 衬底 光,44,掩模版制作过程,12. Finished,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,掩模版制作过程12. Finished半导体工艺之光刻+刻蚀,45,光刻胶,光刻胶是一种有机化合物,它受紫外曝光后,在显影溶液中的溶解度会发生变化,.,硅片制造中所用的光刻胶以液态涂在硅片表面,而后被干燥成膜,.,硅片制造中光刻胶的,目的是,:,1.,将掩膜版图案转移到硅片表面顶层的光刻胶中,;,2.,在后续工艺中,保护下面的材料,(,例如刻蚀或离子注入阻挡层,);,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,光刻胶光刻胶是一种有机化合物,它受紫外曝光后,在显影溶液中的,46,光刻胶的种类及对比,正性光刻胶和负性光刻胶，基于光刻胶材料是如何响应曝光光源的。,正性光刻胶,：,曝光区域溶解，非曝光区域保留，得到和掩膜版相同的图形。,负性光刻胶：,曝光区域铰链，非曝光区域溶解，在硅片上形成于掩膜版相反的图形。,对比：负性光刻胶在显影时容易变形和膨胀，只适用于大尺寸的电路，而正性光刻胶则更加的优良。,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,光刻胶的种类及对比正性光刻胶和负性光刻胶，基于光刻胶材料是如,47,光刻胶的成分,溶剂,:,(Solvent ),使光刻胶具有流动性,感光剂,:,（正胶：,PAG,负胶：,环化聚异戊二烯）,光敏产酸溶剂,对于正胶：曝光后产酸使胶酸解；,对于负胶：曝光后可以促使胶发,生铰链反应。,树脂,: (Resin),作为粘合剂的聚合物的混合物,给予光刻胶机械和化学性质,添加剂：,（稳定剂，染色剂，,表面活性剂）,控制光刻胶材料的特殊性质,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,光刻胶的成分溶剂: (Solvent )感光剂: （正胶：P,48,正性光刻胶酸解,被曝光的光刻胶溶于显影液,未被曝光的光刻胶保持交联和,PAG,（光敏产酸剂）未激活,曝光前的正性光刻胶,曝光后的,光刻胶,显影后的,光刻胶,UV,氧化硅,光刻胶,衬底,未改变,曝光的,未曝光的,酸催化反映,(,在,PEB,中,),PAG,PAG,PAG,PAG,H,+,PAG,PAG,PAG,H,+,H,+,PAG,PAG,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,正性光刻胶酸解被曝光的光刻胶溶于显影液未被曝光的光刻胶保持交,49,负性光刻胶交联,被曝光的区域发生交联,并变成阻止显影的化学物质,未曝光的区域保留可容于显影液的化学物质,.,曝光前负性光刻胶,曝光后负性光刻胶,显影后负性光刻胶,UV,氧化硅,光刻胶,衬底,交联,未被曝光,曝光,可溶,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,负性光刻胶交联被曝光的区域发生交联,并变成阻止显影的化学物质,50,光刻的八个步骤,8),显影检查,5),曝光后烘焙,6),显影,7),坚膜烘焙,紫外光,掩膜版,4),对准和曝光,光刻胶,2),旋转涂胶,3),软烘,1),清洗,+,喷涂粘附剂,HMDS,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,光刻的八个步骤8) 显影检查5) 曝光后烘焙6) 显影7,51,1,：清洗,+,气相成底膜处理,光刻的第一步是清洗,:,要成功地制造集成电路，硅片在所有的工艺步骤中都要仔细地清洗。在各个工艺步骤间的保存和传送硅片时不可避免地要引入沾污，所以清洗步骤非常必要。硅片清洗,d,的目的是：,a.,除去表面的污染物（颗粒、有机物、工艺残余、可动离子）；,b,、除去水蒸气，使基底表面由亲水性变为憎水性，增强表面的黏附性,Step,化学溶剂,清洗溫度,清除之污染物,1,H,2,SO,4,+H,2,O,2,(4:1),120C,有机污染物,2,D.I. H,2,O,室溫,洗清,3,NH,4,OH+H,2,O,2,+H,2,O(1:1:5) (SC1),70 - 80C,微粒,4,D.I. H,2,O,室溫,洗清,5,HCl+H,2,O,2,+H,2,O(1:1:6) (SC2),70 - 80C,金属离子,6,D.I. H,2,O,室溫,洗清,7,HF+H,2,O (1:50),室溫,自然氧化层,8,D.I. H,2,O,室溫,洗清,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,1：清洗+气相成底膜处理光刻的第一步是清洗:要成功地制造集成,52,成底膜技术,烘焙后硅片马上要用六甲基二胺烷,(HMDS),成底膜,它起到提高使表面具有疏水性并且增强基底表面跟光刻胶的粘附力。,硅片成底膜处理的一个重要方面在于成底膜后要尽快涂胶,使潮气问题最小化,.,成底膜技术,:HMDS,可以用浸泡,喷雾和气相方法来涂,.,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,成底膜技术烘焙后硅片马上要用六甲基二胺烷(HMDS)成底膜,53,HMDS(,旋涂或喷涂,),滴浸润形成,旋转硅片去除多余的液体,浸润,旋涂,气相方法,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,HMDS(旋涂或喷涂)滴浸润形成旋转硅片去除多余的液体浸润旋,54,2,：旋转涂胶,工艺小结,:,硅片置于真空吸盘上,滴约,5ml,的光刻胶,以约,500 rpm,的慢速旋转,加速到约,3000,至,5000 rpm,质量指标,:,时间,速度,厚度,均匀性,颗粒和缺陷,真空吸盘,与转动电机连接的转杆,至真空泵,滴胶头,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,2：旋转涂胶工艺小结:真空吸盘与转动电机连接的转杆至真空泵滴,55,旋转涂布光刻胶的,4,个步骤,3),快速甩掉,多余的胶,4),溶剂挥发,1),滴胶,2),慢速旋转,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,旋转涂布光刻胶的4个步骤3) 快速甩掉4) 溶剂挥发1),56,旋转涂胶结果检查和处理,1,： 表面干净，均匀，光亮；,2,：无放射状线条；,3,： 背面无渗胶；,4,：去边处理,:,由中心向外越来越薄，但是最边缘特别厚，所以要进行去边处理。,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,旋转涂胶结果检查和处理1： 表面干净，均匀，光亮；半导体工艺,57,涂胶设备,Z,Y,X,q,光刻胶喷嘴,背面,EBR,真空,真空吸盘,旋转电机,硅片,抽气,泄漏,光刻胶液流,不锈钢碗,气流,气流,喷嘴位置可四个方向调整,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,涂胶设备ZYXq光刻胶喷嘴背面 EBR真空真空吸盘旋转电机硅,58,3,：软烘,软烘的作用,:,1.,除去溶剂（,4,7%,）；,2.,增强黏附性；,3.,释放光刻胶膜内的应力；,4.,防止光刻胶玷污设备；,典型的软烘条件,:,先在热板上,90,度到,100,度烘,30,秒,结下来是在冷板上降温的步骤,以得到光刻胶一致特性的硅片温度控制。,热板,硅片,溶剂,排出,腔盖,在真空热板上软烘,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,3：软烘软烘的作用:热板硅片溶剂腔盖在真空热板上软烘半导体工,59,在真空热板上软烘,软烘的目的,:,光刻胶中溶剂部分挥发,改善粘附性,改善均匀性,改善抗蚀性,改善线宽控制,优化光刻胶的光吸收特性,热板,硅片,溶剂,排出,腔盖,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,在真空热板上软烘软烘的目的:热板硅片溶剂腔盖半导体工艺之光刻,60,如果光刻胶胶膜在涂胶后没软烘将出现的问题,光刻胶膜发黏并易受颗粒沾污：,由于溶剂含量过高导致在显影时由于溶解差异,而很难区分曝光和未曝光的光刻胶,;,光刻胶散发的气体,(,由于曝光时的热量,),可能沾污光学系统的透镜,;,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,如果光刻胶胶膜在涂胶后没软烘将出现的问题 半导体工艺之光刻+,61,4,：对准和曝光,工艺小结,:,将掩膜版上图形转移到涂胶的硅片上,激活光刻胶中的激活成分,质量指标,:,线宽分辨率,套准精度,颗粒和缺陷,UV,光源,掩膜版,光刻胶,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,4：对准和曝光工艺小结:UV 光源掩膜版光刻胶半导体工艺之,62,曝光光源,紫外光用于光刻胶的曝光是因为光刻胶材料与这个特定波长的光反应。波长也很重要,因为较短的波长可以获得光刻胶上较小尺寸的分辨率,现今最常用于光学光刻的两种紫外光源是,:,汞灯,（汞灯,mercury lamp,利用汞放电时产生汞蒸气获得可见光的电光源）,准分子激光,（,是指受到电子束激发的惰性气体和卤素气体结合的混合气体形成的分子,向其基态跃迁时发射所产生的激光。）,除了这些通常使用的光源外,其他用于先进的或特殊应用的光刻胶曝光的源有,X,射线,电子束,和离子束,.,曝光光源的一个重要方面是光的强度,光强被定义为单位面积的功率,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,曝光光源紫外光用于光刻胶的曝光是因为光刻胶材料与这个特定波长,63,典型的高压汞灯的发射光谱,120,100,80,60,40,20,0,200300 400 500 600,波长,(nm),相对强度,(%),h-line,405 nm,g-line,436 nm,i-line,365 nm,DUV,248 nm,高强度汞灯的发射光谱,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,典型的高压汞灯的发射光谱120200300 400,64,汞灯强度峰,UV,（,Ultraviolet Rays,）,光波长,(nm),描述符,CD 分辨率(,m),436,g-line,0.5,405,h-line,0.4,365,i-line,0.35,248,深紫外,(DUV),0.25,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,汞灯强度峰UV（Ultraviolet Rays） 光波长(,65,五个精细光刻设备如下所示：,1.,接触式光刻机,2.,接近式光刻,3.,扫描投影光刻机,4.,分步重复光刻机,5.,步进扫描光刻机,光刻设备,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,五个精细光刻设备如下所示：光刻设备半导体工艺之光刻+刻蚀原理,66,接触,/,接近式光刻机系统,发光装置,对准显微镜（分视场）,掩膜版,硅片,真空吸盘,承掩膜版台,(X, Y , Z ,q),承片台,(X, Y, Z,q),汞灯,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,接触/接近式光刻机系统发光装置对准显微镜（分视场）掩膜版硅片,67,a,、接触式曝光,（,Contact Printing,）。掩膜板直接与光刻胶层接触。曝光出来的图形与掩膜板上的图形分辨率相当，设备简单。缺点：光刻胶污染掩膜板；掩膜板的磨损，寿命很低（只能使用,5,25,次）；,1970,前使用，分辨率,0.5m,。,b,、接近式曝光,（,Proximity Printing,）。掩膜板与光刻胶层的略微分开，大约为,10,50m,。可以避免与光刻胶直接接触而引起的掩膜板损伤。但是同时引入了衍射效应，降低了分辨率。,1970,后适用，但是其最大分辨率仅为,2,4m,。,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,a、接触式曝光（Contact Printin,68,曝光方式,特性,接触式,接近式,1:1,全反射系统 投影式,缩小投影式,DSW,2:1,4:1,分率率,负胶,2,m,4,m,5,m,3,m,2.5,m,正胶,1,m,2.5,m,2.5,m,1.5,m,0.8,m,掩膜版寿命,短,接触式的,5-10,倍,半永久,半永久,对准精度,1-3,m,1-3,m,0.5-1,m,0.1-0.3,m,装置成本,便宜,中,高,高,优点,分辨率高；,线宽重复性好,设备成本低；,掩膜寿命高；,晶片表面不易损伤；,掩膜寿命半永久；,成品率高,;,无间距误差,掩膜寿命半永久；,成品率高；,掩膜版制作容易；,分辨率高；,对准精度高；,缺点,掩膜版寿命,低晶片易损坏； 成品率低；,分辨率低；,线宽偏差大；,分辨率比接近式稍差,;,线宽偏差大,比接近式稍差；,每次光刻面积较小,曝光效率低；,设备昂贵；,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,曝光方式接触式接近式1:1全反射系统 投影式缩小投影式DSW,69,5.,曝光后烘焙,对于深紫外,(DUV),光刻胶在,100,度至,110,度的热板上进行曝光后烘焙是必须的,这步烘焙应紧跟在光刻胶曝光后。,目的：,1.,减少驻波效应；,2.,增强,PAG,产生的酸跟化学集团的反应。,驻波：,驻波表征入射光波和反射光波之间的干涉，这种干涉引起了随光刻厚度变化的不均匀曝光。驻波的本质是降低了光刻胶成像的分辨率。,驻波沿着光刻胶厚度引起不均匀曝光,入射光,反射光,光刻胶,膜,衬底,光刻胶中的驻波效应,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,5. 曝光后烘焙对于深紫外(DUV)光刻胶在100度至110,70,6:,显影,工艺小结,:,用显影液溶解光刻胶可溶的区域,可见图形出现在硅片上,-,窗口,-,岛,质量标准,:,-,线条分辨率,-,均匀性,-,颗粒和缺陷,真空吸盘,与转动电机连接的转杆,至真空泵,显影液喷头,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,6:显影工艺小结:真空吸盘与转动电机连接的转杆至真空泵显影液,71,显影方法,1,连续喷雾显影,真空吸盘,连接旋转电机的转杆,至真空泵,喷雾式显影,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,显影方法1 连续喷雾显影真空吸盘连接旋转电机的转杆至真空,72,(d),甩干,(c) DI,水清洗,(b),甩掉多余的显影液,(a),旋覆浸没式,滴显影液,浸没式,2,旋转浸没显影,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,(d)甩干(c) DI水清洗(b)甩掉多余的显影液(a)旋,73,显影后检查,显影后检查的目的：为了查找光刻胶中形成图形的缺陷。,显影后检查出现有问题的硅片有两种处理方法：,1,如果由先前操作造成的硅片问题无法接受，那么硅片就报废；,2,如果问题与光刻胶中图形的质量有关，那么硅片就需要返工；,硅片返工：将硅片表面的光刻胶剥离，然后重新进行光学光刻工艺的过程称为硅片返工。,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,显影后检查显影后检查的目的：为了查找光刻胶中形成图形的缺陷。,74,负胶通过紫外曝光发生交联或变硬。使曝光的光刻胶变得在显影液中不可溶解,.,负胶的一个主要问题是交联光刻胶由于在清洗过程中吸收显影液而膨胀和变形。因此，在硅片上剩余的光刻胶的侧墙变得膨胀和参差不齐。,UV,交联,未曝光的光刻胶,被曝光的光刻胶,负胶显影,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,负胶通过紫外曝光发生交联或变硬。使曝光的光刻胶变得在显影液中,75,正胶显影,曝光的光刻胶,溶解在显影液中,.,未曝光的正胶,交联光刻胶,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,正胶显影曝光的光刻胶未曝光的正胶交联光刻胶半导体工艺之光刻+,76,显影：用化学显影液溶解由曝光造成的光刻胶的可溶解区域就是光刻胶显影，其主要目的是把掩膜版图形准确复制到光刻胶中。,显影的三个主要类型的问题：,显影不足：,显影不足的线条比正常线条要宽并且在侧面有斜坡；,不完全显影：,不完全显影在衬底上留下应该在显影过程去掉的剩余光刻胶；,过显影：,过显影除去了太多的光刻胶，引起图形变窄和拙劣的外形。,X,X,X,显影,不足,不完全,显影,正确,显影,过显影,光刻胶,衬底,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,显影：用化学显影液溶解由曝光造成的光刻胶的可溶解区域就是光刻,77,7.,坚膜 烘焙,显影后的热烘叫做坚膜烘焙，目的是蒸发掉剩余的溶剂使光刻胶变硬，提高光刻胶对硅片表面的粘附性,.,这一步是稳固光刻胶,对下面的刻蚀和离子注入过程非常关键。,坚膜烘焙通常在硅片轨道系统的热板上或生产线的炉子中进行。充分加热后，光刻胶变软并发生流动。较高的坚膜温度会引起光刻胶轻微流动，从而造成光刻图形变形。,正胶的坚膜烘焙温度约为,120,度到,140,度,这比软烘的温度要高,但也不能太高,否则光刻胶就会流动从而破坏图形。,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,7.坚膜 烘焙显影后的热烘叫做坚膜烘焙，目的是蒸发掉剩余的溶,78,高温下变软的光刻胶流动,光刻胶,线宽,间距,厚度,衬底,光刻胶,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,高温下变软的光刻胶流动光刻胶线宽间距厚度衬底光刻胶半导体工,79,显影检查的返工流程,1.,气相成底膜,HMDS,2.,旋转涂胶,光刻胶,3.,软烘,4.,对准和曝光,UV,光,掩膜版,5.,曝光后烘焙,6.,显影,7.,坚膜烘焙,8.,显影后检查,去胶清洗,O,2,等离子体,不合格硅片,返工,离子注入,刻蚀,镀膜,合格硅片,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,显影检查的返工流程1. 气相成底膜HMDS2. 旋转涂胶光刻,80,1.,超净间的等级划分及其组成。,2.,光刻的定义，正性光刻和负性光刻的区别；,3.,光刻的主要工艺步骤；,4.,驻波效应，如何减小驻波效应对光刻的影响；,知识回顾：,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,1.超净间的等级划分及其组成。知识回顾：半导体工艺之光刻+刻,81,剥离（,liftoff,）是由去胶派生出的一项工艺。利用正胶在衬底上形成光刻胶图形后，在整个光刻胶和衬底上淀积薄膜（例如金、铂或铝），薄膜的厚度必须小于光刻胶厚度，选择合适的溶剂去除光刻胶层，光刻胶上面的那部分薄膜也一起剥离而被去掉。剥离技术具有较高的分辨率，广泛用于分立器件制造，如大功率,MESFET,。然而在,ULSI,制造中仍倾向于采用干法刻蚀技术，较少采用剥离工艺。,掩模版,光刻胶,衬 底,金属膜,半导体微纳技工之,-,剥离工艺,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,剥离（liftoff）是由去胶派生出的一项工艺,82,在电子器件制造工艺中，光刻图形必须最终转移到光刻胶下面组成器件的各薄膜层上，这种图形的转移是采用刻蚀工艺完成的。,干法刻蚀,湿法刻蚀,浸入式湿法刻蚀,喷洒式湿法刻蚀,等离子刻蚀,溅射刻蚀离子铣,反应离子刻蚀,刻蚀工艺,半导体微纳工艺之,-,刻蚀,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,在电子器件制造工艺中，光刻图形必须最终转移到光,83,一、基本概念,二、刻蚀方法,三、刻蚀参数,半导体微纳工艺之,-,刻蚀,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,一、基本概念半导体微纳工艺之-刻蚀半导体工艺之光刻+刻蚀原理,84,半导体微纳工艺之,-,刻蚀,用化学的或物理的或化学物理结合的方式有选择的去除（光刻胶开出的窗口）不需要的材料,.,被刻蚀的材料：介质材料 硅 金属材料 光刻胶,刻蚀的定义：去除材料,一、基本概念,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,半导体微纳工艺之-刻蚀 用化学的或物理的或化学,85,湿法刻蚀：用液体化学剂（如酸，碱和溶剂等）以化学方式去除衬底表面的材料。湿法刻蚀一般只用于尺寸较大的情况下。,干法刻蚀：把衬底表面曝露于气态中产生的等离子体，等离子体通过光刻胶中开出的窗口，于硅片发生物理或化学反应（或这两种反应），从而去掉曝露的表面材料。它是亚微米尺寸下刻蚀器件的最主要方法。,二、刻蚀方法,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,湿法刻蚀：用液体化学剂（如酸，碱和溶剂等）以化学方式去除衬底,86,应用：通常用于大尺寸刻蚀,（,3m,尺寸 ），一般用于整体,剥离或去除干法刻蚀后的残留物等。,湿法刻蚀,分 类,浸入式湿法刻蚀,喷洒式湿法刻蚀,刻蚀方式,将基片浸入刻蚀溶液,向基片上喷洒刻蚀溶液,主要参数,刻蚀液浓度、时间、温度以及溶液的搅拌方式,优 点,刻蚀选择性好、设备简单、损伤少、产量（刻蚀速率）大,缺 点,易污染、各向异性差（特别是对金属和氧化物）。,如果刻蚀速率和时间控制不精确，通常会有钻蚀（,undercut,）或侧蚀。,湿法刻蚀,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,应用：通常用于大尺寸刻蚀湿法刻蚀分 类浸,87,材料,刻蚀液,刻蚀速率（,nm/min,）,SiO,2,HF,NH,4,F,（,BOE,）,100,HF,HNO,3,H,2,O,（,P,刻蚀液）,12,Si,3,N,4,HF,NH,4,F,（,BOE,）,0.5,H,3,PO,4,10,Al,H,3,PO,4,HNO,3,10,HAc,H,3,PO,4,H,2,O,30,Au,KI,I,2,1000,Mo,H,3,PO,4,HNO,3,HAc,H,2,O,500,Pt,HNO,3,HCl,H,2,O,50,W,KH,2,PO,4,K,3,Fe(CN),6,KOH,160,TI,HF,500,NI,FeCl,3,800,Cr,Ce(NH,4,),2,(NO,3,),6,300,部分绝缘材料和金属的湿法化学刻蚀剂,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,材料刻蚀液刻蚀速率（nm/min）SiO2HFNH4F（B,88,硅的湿法刻蚀,不同晶面的原子键密度不一样，导致刻蚀速率不一样。一些刻蚀剂对某一晶面的刻蚀速度比其它晶面快得多，这称为各向异性刻蚀。对于硅单晶，,几乎所有的各向异性,刻,蚀液对常用晶面的,刻蚀,速率均为,：,R,（,100,）, R,（,110,）, R,（,111,）。,(100),、,(110),与,(111),的腐蚀速率比为,100,：,16,：,1,。一些刻蚀剂，如联氨（,H,2,N-NH,2,）、乙二胺,-,邻苯二酚,-,水三元混合液（,EPW,，,H,2,N(CH,2,),2,NH,2,-C,6,H,4,(OH),2,-H,2,O,）、氢氧化钾（,KOH,）和四甲基氢氧化铵水溶液（,TMAH,，,(CH,3,),4,NOH,）等，可以对单晶硅进行各向异性刻蚀。这种湿法刻蚀方法在,MEMS,器件制备上应用较多。,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,硅的湿法刻蚀 不同晶面的原子键密度不一样，,89,利用二氧化硅当掩蔽层，对,，晶向,(oriented),的硅做各向异性腐蚀，会产生清晰的,V,型沟槽，沟槽的边缘为,(111),晶面，且与,(100),的表面有,54.7,o,的夹角，如图,(a),左边的图。如果打开的图案窗足够大或是腐蚀时间足够短，则会形成一个,U,型的沟槽，如图,(a),右边的图。,如果使用的是,晶向的硅，实际上会在沟槽的边缘得到两个垂直的面，这两个面为,(111),的晶面，如图,(b),所示。我们可以用大的各向异性腐蚀速率来制作亚微米线宽的器件结构。,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,利用二氧化硅当掩蔽层，对，晶向(oriented),90,（,100,）晶向硅片刻蚀后的,SEM,照片,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,（100）晶向硅片刻蚀后的SEM照片半导体工艺之光刻+刻蚀原,91,（,100,）晶向硅片刻蚀后的,SEM,照片,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,（100）晶向硅片刻蚀后的SEM照片半导体工艺之光刻+刻蚀原,92,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,93,如果打开的图案窗足够大或是腐蚀时间足够短，则会形成一个,U,型的沟槽，底部面积的宽度为：,或,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,如果打开的图案窗足够大或是腐蚀时间足够短，则会形成一个U型的,94,如果使用的是 晶向的硅，实际上会在沟槽的边缘得到两个垂直的面，这两个面为,(111),的晶面。,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,如果使用的是 晶向的硅，实际上会在沟槽的边缘,95,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,96,1,、干蚀刻的定义,2,、干蚀刻的原理,3,、干蚀刻的模式,4,、,RIE,刻蚀中的,Lag,效应和,Footing,效应,5,、干蚀刻设备结构,干法蚀刻,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,1、干蚀刻的定义干法蚀刻半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,97,镀膜,(PVD,、,CVD),上光阻,(Coater),光罩,曝光,(Exposure),去光阻液,(,Stripper,),去光阻,蚀刻,(,Dry,、,Wet,),酸,气体,镀,下,一,层,膜,显影,(Developer),显影液,清洗,1,、干蚀刻的定义,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,镀膜(PVD、CVD)上光阻(Coater)光罩 曝光(Ex,98,干蚀刻的定义：,蚀刻,:,就是通过“等离子体（,Plasma,）蚀刻”即干蚀刻或“湿式化学蚀刻”将显影后没有被光阻覆盖的薄膜去除，做出需要的线路图案；,干蚀刻,:,即将特定气体置于低压状态下施以电压，将其激发成电浆，对特定膜层加以化学性蚀刻或物理性轰击或物理化学结合刻蚀，达到去除膜层的一种蚀刻方式；,1,、干蚀刻的定义,反应正离子轰击表面,原子团和表面膜的表面反应,副产物的解吸附,各向异性刻蚀,各向同性刻蚀,溅射的表面材料,化学刻蚀,物理刻蚀,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,干蚀刻的定义：1、干蚀刻的定义反应正离子轰击表面原子团和表面,99,等离子体是除固、液、气外，物质存在的第四态,。,固体,液体,气体,电浆,加热,加热,加电,正离子,电子,自由基,分子,什么是等离子体？,它主要由电子、正离子、分子、自由基等组成，但其中正负电荷总数却处处相等，对外显示电中性。这种状态的气体被称为电浆（,Plasma,）。,2,、干蚀刻的原理,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,等离子体是除固、液、气外，物质存在的第四态。固体液体气体电浆,100,2,、干蚀刻的原理,电浆中有两类碰,1,.,弹性碰撞,2.,非弹性碰撞,弹性碰撞,:,无能量交换，较常发生，但对蚀刻影响不大,非弹性碰撞,:,能量交换，对蚀刻影响很大,主要反应方式有：,离子化碰撞,分解碰撞,激发松弛碰撞,电浆（等离子体）中的碰撞,半导体工艺之光刻+刻蚀原理和流程,2、干蚀刻的原理电浆中有两类碰电浆（等离子体）中的碰撞半导体,101,当电子与一个原子或分子相碰撞时，它会将部分能量传递给受到原子核或分子核束缚的轨道电子上。如果该电子获得的能量足以脱离核子的束缚，它就会变成自由电子，此过程称为粒子碰撞游离。,e- +AA,