半导体工艺之光刻刻蚀

半导体工艺之光刻+刻蚀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生活的中类半导体工艺掩膜+腐蚀掩膜+光照溅射+电镀光刻中….微纳器件需要怎样的加工环境？50um100um0.01um-5um粉尘：1-100um灰尘：2-100um雾霾：10um什么是PM2.5？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超净服的穿戴√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√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√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√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√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√◆穿戴流程示意图√√√√◆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√氧化：高品质SiO2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，SiO2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，SiO2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SiO2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？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。SiO2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(lateralstraggle，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结的制作图形转移(patterntransfer)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-光刻工艺准备光刻胶（光刻胶的保存）低温黑暗条件下保存1.准备硅片（清洗）+喷涂粘附剂2.喷涂粘附剂（HMDS六甲基二硅胺）3.滴胶+甩胶滴胶4.前烘5.装片6.装掩膜版（光刻板）6.装掩膜版（光刻板）7.对准+曝光8.后烘，显影+定影显影前后光刻的基本概念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。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正性光刻photoresistsiliconsubstrateoxide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)掩模版制作过程12.Finished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);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。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)PAGPAGPAGPAGH+PAGPAGPAGH+H+PAGPAG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HMDS1：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1H2SO4+H2O2(4:1)120°C有机污染物2D.I.H2O室溫洗清3NH4OH+H2O2+H2O(1:1:5)(SC1)70-80°C微粒4D.I.H2O室溫洗清5HCl+H2O2+H2O(1:1:6)(SC2)70-80°C金属离子6D.I.H2O室溫洗清7HF+H2O(1:50)室溫自然氧化层8D.I.H2O室溫洗清成底膜技术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.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500rpm的慢速旋转加速到约3000至5000rpm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。涂胶设备ZYXq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;