离子束刻蚀

1第八章光刻与刻蚀工艺2内容提要§8.1概述§8.2光刻胶及其特性§8.3曝光技术§8.4掩模版的制造§8.5ULSI对图形转移的要求§8.6腐蚀方法§8.7等离子体腐蚀§8.8反应离子刻蚀与离子溅射刻蚀3§8.1概述一、光刻技术的特点1、光刻是一种表面加工技术；2、光刻是复印图像和化学腐蚀相结合的综合性技术；3、器件的尺寸越小，集成电路的集成度越高，对光刻精度的要求就越高，难度就越大。二、光刻的目的在二氧化硅或金属薄膜上面刻蚀出与掩模版完全对应的几何图形，从而达到选择性扩散和金属薄膜布线的目的。4三、ULSI对光刻的基本要求高的图形分辨率；高灵敏度的光刻胶；低缺陷；精密的套刻对准；可对大尺寸硅片进行加工。四、光刻工艺流程涂胶前烘曝光显影坚膜刻蚀去胶12345671、涂胶在待光刻的硅片表面形成厚度均匀（几百nm到2m之间）、附着性强、无针孔缺陷的光刻胶膜。胶膜太薄，针孔较多，则抗蚀性能差；胶膜太厚，则分辨率低。光刻胶膜厚的均匀性影响分辨率的均匀性，导致图形失真，要求在±10nm之间，主要取决于涂胶方法及设备。涂胶法一般为旋转法。8步骤：1）脱水烘焙：SiO2亲水，光刻胶疏水。具有疏水性的衬底表面（干燥基片）与光刻胶粘附性强。2）打底膜：增强光刻胶与硅片之间的附着力。常用化合物有六甲基乙硅氮烷(hexa-methyl-disilazane,HMDS);三甲基甲硅烷基二乙胺(tri-methyl-silyl-diethyl-amine,TMSDEA)。3）涂胶：将硅片吸附在托盘上，滴胶，旋转托盘，保持一定的旋转时间。甩胶后光刻胶的膜厚约与旋转速度的平方根成反比。9涂胶铺展旋转真空高转速涂胶工艺示意图102、前烘前烘是将涂好胶层的硅片通过烘烤，使胶膜干燥的工艺。负胶须在氮气中进行烘焙，而正胶可以在空气中烘焙。目的：使胶层中的溶剂挥发，降低灰尘的玷污；增加光刻胶与硅片粘附能力；减轻因高速旋转形成的薄膜应力；在接触式曝光中提高胶膜与掩模版接触时的耐磨性能；提高和稳定胶膜的感光灵敏度。1）前烘的方法干燥循环热风、红外烘烤法、热平板传导烘烤。112）显影速度与光刻胶溶剂含量的关系溶剂含量高，则显影时光刻胶的溶解速度就比较快。3）前烘温度与时间的选择根据光刻胶的性质及光刻过程确定。前烘的温度一般低于100℃，时间15~30min，时间过长则会影响产量。前烘温度过低，黏附性差、溶剂含量过高、曝光精确度差、显影液对曝光区与非曝光区的选择性下降，图形转移效果不好；前烘温度过高，黏附性因光刻胶变脆而降低、使光刻胶中的感光剂发生反应，降低胶膜在曝光时的灵敏度。12大规模集成电路制造对光刻对准的规定是，对准误差应该不大于特征尺寸的1/4到1/3。为了便于对准，在掩模上必须设置专门的对准标记。通过比较硅片表面的反射光和透过掩模返回的光来实现对准。在步进光刻机上通常有自动对准系统。为了提高对准效率，可以先作一次人工对准。掩模的热膨胀也会产生对准误差。为避免8英寸掩模产生0.1m的膨胀，掩模的温度变化必须控制在0.75C左右。3、对准与曝光13曝光是通过曝光灯或其他辐射源将图形转移到光刻胶涂层上。对于正胶在未曝光之时，感光剂不溶于显影液，同时抑制酚醛树脂在显影液中的溶解；在曝光过程中，感光剂发生光化学反应，成为乙烯酮，并水解为羧酸。羧酸在碱性溶剂中的溶解度比未感光的感光剂高出许多，同时还会促进酚醛树脂的溶解。利用感光与未感光的光刻胶对碱性溶液的不同溶解度，就可以进行掩模图形的转移。曝光后需要进行曝光后烘焙，使非曝光区的感光剂向曝光区扩散，在边界形成平均的曝光效果，降低驻波效应。144、显影显影是将未感光的负胶或已经感光的正胶溶解的工艺。影响显影效果的主要因素；显影方法分为浸泡法和喷洒法两种，后者的分辨率和重复性好，广泛采用。喷洒法显影的三个阶段。5、坚膜坚膜可以除去显影后溶入胶膜中的溶剂，使胶膜与衬底之间粘附得更牢；可以增强胶膜本身的抗蚀能力。坚膜的方法同前烘。156、腐蚀腐蚀是用适当的腐蚀液将无光刻胶膜覆盖的衬底材料腐蚀掉，而有光刻胶覆盖的区域保存下来。所用的腐蚀液必须既能腐蚀掉裸露的衬底表面材料（如介质膜或金属膜），又不损伤光刻胶层。腐蚀方法分为“湿法”和“干法”两大类。因正胶的抗干法腐蚀能力强，因此干法腐蚀用正胶更为适合。湿法腐蚀具有各向同性的缺点，但设备简单，故仍被普遍采用。腐蚀液的配方视被腐蚀材料和光刻胶性能而定。干法刻蚀具有各向异性的特点，包括：等离子体刻蚀、反应离子刻蚀和溅射刻蚀（离子束刻蚀）等。167、去胶1）去胶的方法(1)溶剂去胶法。将带有光刻胶的硅片浸泡在适当的有机溶剂中，使胶膜溶胀而去掉。优点：适用于各种表面的硅片，特别是金属表面；适用于大批量生产；溶剂的使用期长。(2)氧化去胶法。较普遍的方法。将待去胶的硅片放入氧化去胶剂中，加热至100℃以上，光刻胶层被氧化成CO2和H2O。最常用的氧化去胶剂有(a)浓H2SO4；(b)浓H2SO4：H2O2=3：1混合液；(c)NH4OH：H2O2：H2O=1：2：5（1号洗液）；(d)发烟硝酸等。优点：洗涤过程简便。缺点：可能被Na离子沾污，酸溶液不能用于多层交叠的金属化图形的电路上，否则会腐蚀掉金属。(3)干法去胶法。主要为等离子体去胶。172）操作过程(1)当用氧化去胶法去除SiO2、Si3N4、多晶硅等表面的胶层时，操作步骤为：(a)用浓硫酸煮二次，使胶层碳化脱落，冷却后用去离子水冲净；(b)或用浓H2SO4：H2O2=3：1浸泡或加热，使胶层脱落后用去离子水冲净；(c)或用1号清洗液煮，使胶层脱落后用去离子水冲净。(2)铝层等金属表面的去胶常用溶剂去胶法。将去胶剂加热到所需的温度后，把待去胶的硅片放入，浸泡一定的时间，然后用去离子水冲净。此类金属表面的去胶方法还有：(3)铝层表面也可用氧化去胶。把待去胶的硅片用去离子水冲洗甩干后，放入发烟硝酸中浸泡一定时间，再用去离子水将残液迅速冲洗干净。(4)Ni-Cr金属膜表面的氧化去胶，可用1号清洗液煮，然后用去离子水冲净。五、影响光刻工艺水平的因素1、光刻胶：负性光刻胶、正性光刻胶、新型光刻胶（仍然分正、负胶）。2、曝光光源：紫外光、远紫外光、极紫外光、X射线、电子束、离子束。3、曝光方式：接触式曝光、接近式曝光、投影式曝光。4、刻蚀方法：湿化学腐蚀法、干法刻蚀（离子溅射刻蚀法、等离子体刻蚀法、反应离子刻蚀法）。§8.2光刻胶及其特性一、光刻胶的类型及感光机理光刻胶是一种对光敏感的高分子化合物，由聚合物材料（树脂）、感光材料和溶剂组成。经过光照，感光性树脂会发生分解或交联等光化学反应，使涂敷在硅片表面的感光胶膜改变性质。按光化学反应的不同，可分为两类：正性光刻胶和负性光刻胶。1、负性光刻胶（负胶）原始光刻胶膜可被某些溶剂溶解；受适当波长的光照射后发生聚合或交联反应，聚合为不可溶物质；显影后，硅片表面的光刻胶图形与掩模版相反。其成分主要为感光性树脂，其次包括溶剂和增感剂。以感光性树脂的种类来分类：（1）聚乙烯醇肉桂酸脂类产品有北京化工厂的北化103胶、上海化学试剂厂的上试1号胶、美国的柯达光致抗蚀剂（KPR）以及日本东京应化光致抗蚀剂（TPR）。因聚乙烯醇肉桂酸脂的特性光谱吸收在230~340nm范围内，最大吸收在320nm左右，而实用的紫外光源（高压汞灯等）在450nm左右，因此必须添加增感剂。常用增感剂为5-硝基苊、米司酮等。主要作用：提高光刻胶的感光度，增大感光波长范围，加快抗蚀剂的聚合反应速度。增感剂的添加量增加，感光度相应提高。当其添加量增加到聚乙烯醇肉桂酸脂重量的10%左右时，感光度达到极限值。上述光刻胶的感光交联过程主要为：（a）增感剂吸收光能；（b）被激发的增感剂分子和感光性树脂的肉桂酰官能团之间的能量转移；（c）肉桂酰官能团的光化学反应。（2）聚烃类-双叠氮系光刻胶由聚烃类树脂、双叠氮型交联剂和增感剂溶于适当的溶剂配制而成。此类光刻胶与衬底材料，特别是金属衬底的粘附性较好，且具有较好的耐腐蚀性能，因而在大规模集成电路以及各种薄膜器件的光刻工艺中广泛应用。包括：美国柯达金属抗蚀剂（KMER）和柯达薄膜抗蚀剂（KTFR）、日本东京应化公司的金属抗蚀剂（OMR）、北京化工厂的302胶等。此类光刻胶所采用的感光性树脂主要为环化橡胶，它是在天然橡胶或聚异戊二烯合成橡胶溶液中加入酸性催化剂，在一定温度下使橡胶分子发生环化反应，再加入双叠氮有机化合物作为交联剂而成。双叠氮交联剂的感光波长范围为260~460nm，已适用于高压汞灯等光源。但添加适宜的增感剂，感光度也有所提高。若曝光气氛中存在氧，将导致灵敏度下降，因此，必须在氮气或真空条件下曝光操作。2、正性光刻胶（正胶）原始光刻胶膜不能被某些溶剂溶解；受适当波长的光照射后，发生光分解反应，分解为可溶性物质；显影后，硅片表面的光刻胶图形与掩模版相同；未经感光的光刻胶仍然保持它在紫外光照射下发生光分解反应的活性，因此此类光刻胶在光刻工艺中能够多次曝光。主要成分为邻叠氮醌类化合物。产品有：北京化工厂的205、206、212正性胶，上海试剂一厂的702、703胶等，美国Shipley公司生产的AZ-1350系列等。邻叠氮醌化合物的感光范围为300~400nm，可用一般紫外光源曝光。因光分解产物含有亲水性的羧基，故此种光刻胶曝光后可用稀碱性水溶液显影。3、新型光刻胶（仍然分正、负胶）（1）远紫外光光刻胶远紫外光曝光的能量约为普通紫外光的二倍。主要有：（a）聚甲基丙烯酸甲脂类正性胶PMMA；（b）聚砜系正性胶PBS；（c）带有酮基的化合物PMIPK。（2）软X射线光刻胶以波长在（0.4~5nm）范围内的软X射线为光源，主要有：PMMA正性胶。（3）电子束光刻胶以波长更短、能量更高的电子束作光源。主要有：（a）环氧系负性胶，如PGMA、COP、EPB等；（b）硅酮树脂系负性胶，如硅油、硅橡胶；（c）甲基丙烯酸及其衍生物，如PMMA正性胶；（d）聚砜系正性胶，PBS、PCS等。（4）离子束光刻胶以波长更短的离子束作光源。由于离子束是直线传播，在抗蚀剂膜内几乎无扩展现象，因而分辨率高，重现精度好。主要有：PMMA、PDMS等。二、光刻胶的性能衡量光刻胶性能的指标主要有：分辨率、灵敏度、抗蚀性、粘附能力和针孔密度等。1、分辨率（1）概念分辨率是表征光刻精度的标志之一，不仅与光刻胶本身有关，也与光刻工艺条件和操作技术有关。分辨率通常以每毫米最多可容纳的线条对数来表示（线宽+线条间距），若线宽和线条间距均为L，则分辨率R为：线条越细，分辨率R越高。衍射现象将限制分辨率R。)(211mmLR(8.1)（2）理论分析光的波动性所导致的衍射效应限制了最小线宽因此最高分辨率为：因任何粒子束均具有波动性，其动能和动量分别为：动能：动量：由（8.8）、(8.9)得：)(11maxmmR221mvEhmvpmEh2mEh2(8.7)2/minL(8.6)(8.8)(8.9)(8.11)于是得到用粒子束光刻可获得的最小线宽为：结论：（a）粒子能量E一定时，其质量m越大，则Lmin越小，分辨率R越高；（b）粒子质量m一定时，其动能E越高，则Lmin越小，分辨率R越高。mEhL222min(8.12)28（3）与光刻胶有关的影响分辨率的因素（a）掩模版与光刻胶膜接触不良、硅片弯曲（硅片变形）、硅片上有凸状物、光刻胶膜厚度不均、定位设备不良等；（b）曝光光线平行度不好，导致光刻图形产生变形或模糊；（c）掩模版图形的质量不好（如边缘不平整、光洁等）；（d）光刻胶膜质量和厚度，胶膜越厚，分辨率越低；（e）曝光时间：曝光时间太长，分辨率降低。2、灵敏度S（光敏度）（1）概念灵敏度是表征光刻胶对光的敏感度的性能指标，可用曝光时，使光刻胶发生充分光化学反应所需的最小曝光量（）的倒数表示：其中，I为照射光的强度，t为曝光时间，k为比例常数。对于不同波长的光，光刻胶的敏感程度不同，在某一波长下，其灵敏度最大；每种光刻胶都有一定的光谱吸收范围。因此灵敏度与光刻胶的光谱响应及所用光源的光