MEMS工艺(3光刻技术)

微米纳米技术研究中心,Institute of Micro and Nano Technology,WWW.NUC.EDU.CN,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,MEMS,工艺,光刻技术,石云波,3920397(O),shiyunbo,主要内容,光刻技术,光刻技术的发展,制版,软光刻,1.,光刻（,Lithography,）,石版（,litho,）,光刻（,lithography,）,写（,graphein,）,重要性：是唯一不可缺少的工艺步骤，,是一个复杂的工艺流程,光刻是加工制造集成电路图形结构以及微结构的关键工艺之一。,光刻工艺就是利用光敏的抗蚀涂层发生光化学反应，结合腐蚀方法在各种薄膜或硅上制备出合乎要求的图形，以实现制作各种电路元件、选择掺杂、形成金属电极和布线或表面钝化的目的。,光刻的整个生产过程,光刻三要素：光刻胶、掩膜版和光刻机,光刻胶又叫光致抗蚀剂，它是由光敏化合物、基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体,光刻胶受到特定波长光线的作用后，导致其化学结构发生变化，使光刻胶在某种特定溶液中的溶解特性改变,正胶,PMMA(,聚甲基丙烯酸甲酯,),光刻胶,由重氮醌酯（,DQ,）和酚酫树酯（,N,）两部分组成的,DNQ,。,分辨率高，在超大规模集成电路工艺中，一般只采用正胶,负胶,两种组成部份的芳基氮化物橡胶光刻胶,Kodak KTFR,（敏感氮化聚慔戌二烯橡胶）,分辨率差，适于加工线宽,3,m,的线条；这类光刻胶粘附力强，耐腐蚀，容易使用和价格便宜，是常用的光刻胶。,正胶：曝光后可溶,负胶：曝光后不可溶,光刻胶的性能指标,(1),分辨率：分辨率是指用某种光刻胶光刻时所能得到的最小尺寸,(2),灵敏度：光刻胶的感光灵敏度反映了光刻胶感光所必须的照射量,(3),粘附性：光刻胶与衬底之间粘附的牢固程度,(4),抗腐蚀性：光刻工艺要求光刻胶在坚膜后，能够较长时间,(5),稳定性：光刻工艺要求光刻胶在室温和避光情况下加入了增感剂也不发生暗反应，在烘干燥时，不发生热交联,(6),针孔密度：单位面积上的针孔数,(7),留膜率：指曝光显影后的非溶性胶膜厚度于曝光前胶膜厚度之比,几种常见的光刻方法,接触式光刻,：分辨率较高，容易造成掩膜版和光刻胶膜的损伤。,接近式曝光,：在硅片和掩膜版之间有一个很小的间隙,(10,25,m),，可以大大减小掩膜版的损伤，分辨率较低,投影式曝光,：利用透镜或反射镜将掩膜版上的图形投影到衬底上,三种光刻方式,光刻工艺介绍,1.,晶片清洗,2.,脱水和烘干,3.,甩胶,4.,前烘,5.,曝光,6.,显影,7.,坚膜,8.,腐蚀,9.,去胶,光刻工艺过程,作用：保证硅片表面无灰尘、油脂、水，保证粘附性和光刻质量,清洗不好，会造成脱胶、表面灰尘导致粘版、部分图形不感光等光刻缺陷。,（,1,）清洗和烘干,表面不干燥，会造成脱胶,如果硅片搁置较久或返工，应重新清洗烘干，烘干后立即甩胶。,氧化、蒸发后可立即甩胶，不必清洗。,清洗设备,超临界干燥,兆声清洗设备,硅片甩干机,光刻工艺过程,设备：甩胶台。,在硅片表面涂覆一层粘附性好，厚度适当，厚薄均匀的光刻胶。,一般采用旋转法，针对不同的光刻胶黏度和厚度要求，选择不同的转速。,可分辨线宽是胶膜厚度的,58,倍。,（,2,）甩胶,膜厚对分辨率的影响,膜厚对针孔密度的影响,膜厚对胶膜于衬底粘附力的影响,涂胶质量的影响因素：,光刻工艺过程,前烘就是在一定温度下，使胶膜里的溶剂缓慢地挥发出来，使胶膜干燥，并增加其粘附性和耐磨性。,前烘的温度和时间随胶的种类和膜厚不同而有所差别。,方法：,80,C,下,10,15,分钟。,（,3,）前烘,烘胶热板,烘箱烘烤、红外光照射、热板处理,光刻工艺过程,设备：光刻机,对准：使掩膜的图形和硅片上的图形精确套合。,曝光：对光刻胶进行选择性光化学反应，使光刻胶改变在显影液中的溶解性。,通常采用紫外接触曝光法,光刻胶：高灵敏度，高反差，均匀，产量大。,（,4,）对准和曝光,光刻机（）,投影光刻机（,Ultra,，）,影响曝光质量的主要因素,曝光时间,氮气释放,氧气的影响,驻波的影响,光线平行度的影响,光刻工艺过程,正胶去曝光部分，负胶去未曝光部分,部分光刻胶需要超声显影,显影时间根据光刻胶种类、膜厚、显影液种类、显影温度和操作方法确定。,显影后检查光刻质量，不合格的返工。,（,5,）显影,(Development),显影台,甩干机,刷版机,显影台,烘箱,光刻工艺过程,除去显影时胶膜吸收的显影液和水分，改善粘附性，增强胶膜抗腐蚀能力。,坚膜的温度和时间要适当,坚膜时间短，抗蚀性差，容易掉胶；坚膜时间过长，掩膜难以去除，或开裂。,腐蚀时间长的可以采取中途多次坚膜,（,6,）坚膜,光刻工艺过程,用适当的腐蚀剂对显影后暴露的表面进行腐蚀，获得光刻图形,干法腐蚀和湿法腐蚀,SiO,2,：,HF,，,BHF,Al,：磷酸（,7090,C,，加乙醇或超声去气泡）；高锰酸钾（,4050,C,），,多晶硅：,CF4PLASMA,，加入,26%O2,Si3N4,：,CF4,，加入,C2H4,乙烯或,H2,（,7,）腐蚀,图形转换：刻蚀技术,湿法腐蚀：,湿法化学刻蚀在半导体工艺中有着广泛应用：磨片、抛光、清洗、腐蚀,优点是选择性好、重复性好、生产效率高、设备简单、成本低,缺点是钻蚀严重、对图形的控制性较差,干法刻蚀,溅射与离子束铣蚀：通过高能惰性气体离子的物理轰击作用刻蚀，各向异性性好，但选择性较差,等离子刻蚀,(Plasma Etching),：利用放电产生的游离基与材料发生化学反应，形成挥发物，实现刻蚀。选择性好、对衬底损伤较小，但各向异性较差,反应离子刻蚀,(Reactive Ion Etching,，简称为,RIE),：通过活性离子对衬底的物理轰击和化学反应双重作用刻蚀。具有溅射刻蚀和等离子刻蚀两者的优点，同时兼有各向异性和选择性好的优点。目前，,RIE,已成为,VLSI,工艺中应用最广泛的主流刻蚀技术,光刻工艺过程,溶剂去胶：含氯的烃化物做去胶剂。,氧化去胶：强氧化剂，如浓硫酸，双氧水和氨水混合液,等离子体去胶,剥离工艺,（,8,）去胶,光源,光刻胶对波长范围从,300,到,500nm,的光敏感,最常用的光源是汞气灯。这种光源提供波长范围为,310,到,440nm,的光,在需高分辨率的场合使用,X,射线,剥离工艺（,Lift-Off,）,在光刻工艺中，有一种代替刻蚀方法的工艺，我们称之为剥离工艺（,Lift-Off,）。,在剥离工艺中，首先形成光刻图形，然后沉积薄膜，最后用化学试剂去除光刻胶，此时连同不需要的薄膜一同除去，这个过程正好与刻蚀过程相反。,光刻需注意的问题,1,、掩模版的正负,2,、光刻胶的正负,3,、,Lift-Off,工艺,4,、,Image-Reversal,工艺,5,、,Image-Reversal,工艺氨气烘烤,光刻工艺的发展,电子束光刻,离子束光刻,X,射线光刻,微立体光刻成型技术,电子束光刻,电子束光刻,与传统意义的光刻,(,区域曝光,),不同，是用束线刻蚀进行图形的加工。在电子束光刻机中，电子束被电磁场聚集成微细束照到电子抗蚀剂,(,感光胶,),上，由于电子束可以方便地由电磁场进行偏转扫描，复杂的图形可以直接写到感光胶上而无需使用掩模版。,电子束光刻,与其他光刻技术相比，电子束光捌的优点非常明显：,首先,，电子束光刻分辨率高，可达,0.1um,，如直接进行刻蚀可达到几个纳米。,其次,，电子束光刻不需要掩模版，非常灵活，很适合小批量、特殊器件的生产。,目前，电子束光刻主要用于制作光学光刻的掩模。其发展方向是尽可能提高曝光速度，以适应大批生产,离子束光刻,离子束光刻分为,聚焦离子束曝光,(FIB),、,掩模离子束光刻,(MIB),和,离子束溅射光刻,（,BfP),。离于束光刻利用离子源进行曝光。,其原理是通过加热使附在一根金、钨或钽的针尖端的镓或金硅合金熔化，在外加电场作用下使液态金属表面产生场致离子发射。其发射面积极小，可以较容易地利用离子光学系统将发射离子聚焦成微细离子束，进行高分辨率离子束曝光。,X,射线光刻,x,射线光刻由于具有很高分辨率的图形复印能力，焦深大和工艺宽容度大等优点。有很多种,x,射线光源可作为光刻光源，但最有效的是同步辐射加速器所产生的,同步辐射,x,光,。同步辐射,x,光源有极高的平行性和辐射强度并具有连续的光谱，使光刻的几何偏差极小、曝光效率较高并可在选定的波谱范围内进行加工。使得同步辐射,x,光刻能制作具有复杂构造的三维立体结构和器件。,X,射线光刻,优点,速度快,高分辨率, .5 m,解决深度问题,高深宽比,缺点,需要较高的,X,射线源,需要高分辨率的光刻胶,X,射线的掩模版制造困难,扫描技术,The beam scans over the substrate line by line.,According to the current pixel is to be exposed or not, the beam is on or off.,The substrate is moved perpendicular to the scan lines by a laser-controlled table.,The beam is deflected so as to draw out the features in that area of the chip,The chip is completed either by a step-and-repeat method, or by continually moving the substrate,The alignment of features in adjacent scanning area is important.,几种曝光方式的比较,微立体光刻成型技术,目前，用于微尺寸加工的几种主要技术，包括基于,Ic,工艺的平面硅工艺和立体硅工艺、,LIGA,工艺和基于深层近紫外光刻技术的准,LIGA,工艺都有一个共同的缺陷,不能加工出任意形状的立体构件。这给微机电系统的设计和功能实现带来了很大的障碍。,为实观微机构的真三维立体加工，日本人开发厂一种新的微加工工艺,微立体光刻成型技术,(Micro Stereo Lithography,，简称,MSL),。,微立体光刻成型技术,MSl,工艺是从宏观尺寸的立体光刻工艺发展而来。光刻对象是液态紫外聚合物，它在紫外光的照射下将产生固化现象。为得到紫外光聚合物的三维结构，需要先加工出二维片状结构，称之为片状单元。,微立体光刻成型技术,层层加工，叠加二维片状单元就得到最终的三维紫外光聚合物微结构。用这种结构作模子进行电铸就可获得三维金属微结构。,微立体光刻成型技术,紫外光通过光闸，透镜以及与,ZX,作台固连的透明玻璃板聚焦到液态紫外聚合物上形成片状单元，随,z,工作台的移动可固化一层又一层的片状单元，直到形成最终聚合物三维结构。整个加工过程都是由计算机控制的。,三、制版,1,集成电路生产中光刻制版的质量要求,在集成电路,(,包括微机械,),生产过程中，要进行多次光刻。制版工艺就是为光刻提供所需要的多块光刻掩膜版。光刻后图形的成品率对产品的成品宰有很大影响，对光刻掩膜版除要求图形缺陷要少以外，还要求图形准确，无畸变，各层掩膜版之间能互相套准。目前，一般集成电路的套刻精度为,1-2um,，对要求较高的器件，套刻精度应达到,0.25um,。,2,、制版的工艺过程,制版工艺与照相制版非常相似,光刻掩膜制造,主要过程,版图设计,掩膜原版制造,主掩膜制造,工作掩膜制造,两条工艺路线,放大,-,精缩制版,直接制版,1,）、版图总图绘制,在版图设汁完成后，一般将其放大,1001000,倍,(,通常为,500,倍,),，在坐标纸上画出版图总图。,2,）、刻分层图,生产过程中需要几次光刻版，总图上就含有几个层次的图形。,为了分层制出各次光刻版，首先分别在表面贴有红色膜的透明聚脂塑料胶片,(,称为红膜,),的红色薄膜层上刻出各个层次的图形，揭掉不要的部分，形成红膜表示的各层次图形，这一步又称为,刻红膜,。,3,）、初缩,对红膜图形进行第一次缩小，得到大小为最后图形十倍的各层初缩版。其过程与照相完全,样。,4,）、精缩与分布重复,一个大圆片硅片上包含有成百上于的管芯，所用的光刻版上当然就应重复排列有成百卜干个相同图形。因此，本部任务有两个：,首先,将初缩版的图形进一步缩小为最后的实际大小，并,同时,进行分布重复，得到可用于光刻的正式掩膜版。,直接由精缩和分步重复得到的叫做,母版,。,5,）、复印,在集成电路生产的光刻过程中，掩膜版会受磨损产生伤痕。使用一定次数后就要换用新掩膜版。因此，同一掩膜工作版都采用精缩得到的母版是很不经济的。因此，在得到母版后要采用复印技术复制多块工作掩膜版供光刻用。,3,计算机辅助制版,随着,VLSI,规模的增大，图形线条变细。上面介绍的常规制版方法已满足不了要求，为此逐步发展了计算机辅助制版力法。与常规方法相比，主要采用了两项新技术。,1,）版图数据处理技术,2,）图形发生器子系数,1,）版图数据处理技术,采用汁算机版图设计方法，将设计好的版图送入计算机，并分层得到各图形的坐标数据，生成满足一定格式的“数据带”，又称为,PG(Pattern Generator),带。,2,）图形发生器子系数,按照分层图形数据，图形发生器直接在底版上曝光形成所要的掩膜初缩版。按图形发生器中光源的不同，分为光学图形发生器和电子束图形发生器两种,4,光刻掩膜版的检查,(1),尺寸测量,：用光电检测方法将掩膜上的图形变换为电信号，检查图形是否符合设计要求。,(2),套刻精度测量,：检查图形重复精度。一般套刻误差应小于最细条宽的十分之一。,(3),缺陷检查,：一般用显微镜目检，枚查掩膜图形是否有畸变、透明部分是否有小岛、不透明部分是否有针孔等。,制版问题,正版和负版,干版和铬版,一次版与精缩版,版与版之间的对准,图形的分布和优化,制版软件：,LEDIT,、,Intellisuite,、。,