半导体行业-光刻工艺(二)

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来源FindRF
 
光刻胶
 
光刻胶是一种临时涂敷在晶圆表面上的感光材料,可将光刻版或倍缩光刻版上的光学图形转印到晶圆表面。与底片的感光材料类似,能将摄影机镜头所对准的光学影像转移到塑胶底片上。与底片感光层的不同之处在于光刻胶对可见光不敏感,对光的色彩或灰度也不灵敏。
 
由于光刻胶只对紫外线感光而对可见光不感光,所以光刻技术并不需要类似于冲洗底片的暗室。而且光刻胶对黄光不感光,因此所有的半导体工艺间都使用黄光照明光刻区域,这就是所谓的黄光区。
 
有两种光刻胶:正光刻胶(简称正胶)和负光刻胶(简称负胶)。对于负胶,曝光的部分会因为光化学反应而变成交联状及高分子薄膜,显影后变硬并留在晶圆表面,未曝光的部分会被显影剂溶解。正胶的主要成分是酚醛树脂,曝光前就已经是交联状的聚合物。经过曝光之后,曝光区域的交联状聚合物会因为光溶解作用断裂变软,最后被显影剂溶解,而未曝光的部分则保留在晶圆表面。
 
下图说明了正负不同的光刻胶与它们的图形转移过程。正胶的图像和光刻版或倍缩光刻版上的图像相同,负胶的图像刚好相反,照相底片通常都是负片。负片经过显影后所获得的影像是照相时的相反影像,必须用负光学相纸再次曝光和显影后才能印出正常的影像。正片价格较高,正片显影后的影像就是拍照时所见的影像。正片通常用于幻灯片。
 
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大部分先进的半导体制造都使用正胶,这是因为正胶能达到纳米图形尺寸所要求的高分辨率。光刻胶的基本成分包括四类:聚合物、感光剂、溶剂和添加剂。
 
聚合物是附着在晶圆表面上的有机固态材料,作为图形化转移过程中的遮蔽层,聚合物能承受刻蚀和离子注人过程。聚合物由有机复合物组成,复合物是具有复杂链状和环状结构的碳氢分子(CxHy)。最常使用的正胶聚合物是酚甲醛或酚醛树脂,而最普遍的负胶聚合物是聚异戊二烯橡胶。
 
感光剂是一种感光性很强的有机化合物,能控制并调整光刻胶在曝光过程中的光化学反应。正胶的感光剂是一种溶解抑制剂,会交联在树脂中。曝光过程中的光将分解感光剂并破坏交联结构,并使曝光树脂溶解在液态显影剂中。负胶的感光剂是一种含有N3团的有机分子。感光剂暴露在紫外线中会释放出N2气体,形成有助于交联橡胶分子的自由基。这种交联结构的连锁反应使曝光区域的光刻胶聚合,并使光刻胶具有较大的连结强度和较高的化学抵抗力。
 
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溶剂是溶解聚合物和感光剂的一种液体,能使聚合物及感光剂悬浮在液态的光刻胶中。溶剂使光刻胶很容易在晶圆表面形成0.5-3um厚刻胶并利用旋转的方式形成薄膜层。旋转涂敷过程之前,光刻胶中约75%的成分是溶剂。正胶通常使用醋酸盐类的溶剂,负胶通常使用二甲苯。
 
添加剂可以控制并调整光刻胶在曝光时的光化学反应,达到最佳的光刻分辨率。
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半导体行业-光刻工艺(十)

对于每一种工艺的第一次光刻,对准过程利用晶圆上的刻痕或平边部分完成,它们设计用来指示晶圆的晶体方向并作为对位标记。步进机通常使用自动激光干涉仪定位系统进行光学式调整和对准。

半导体行业-光刻工艺(九)

最常使用的投影式系统是扫描投影式曝光系统(见下图),该系统利用狭缝阻挡光线,减少光的散射,并且可以改进曝光的分辨率。光线通过透镜聚焦在光刻版上,并将投影式的透镜作为狭缝,让光线重新聚焦在晶圆表面上。光刻版与晶圆同步移动使紫外线扫描整个光刻版,从而使整个晶圆的光刻胶曝光。

半导体行业-光刻工艺(八)

曝光过程和照相机照相过程类似:光刻版或倍缩光刻版上的图形化影像曝光过程在晶圆的光刻胶上进行,与影像曝光在相机内的底片上进行一样。集成电路的光学曝光系统分辨率比照相机高得多,这就是为什么集成电路的光学曝光工具(光刻版对准机或步进机)比最精密的照相机还贵得多的原因。除了要求分辨率外,精确的对准也非常重要。先进的集成电路芯片超过脚道光刻工艺,而每道光刻版或倍缩光刻版需要精确对准预先设计的对位标记,否则将无法成功地将设计图形转移到晶圆表面上,其他的必要条件还包括高的可重复性、高的生产率及低成本。

半导体行业-光刻工艺(七)

光刻胶涂敷后,晶圆再次被加热驱除光刻胶内部的大量溶剂,并将光刻胶从液态转变成固态。软烘烤也可以增强光刻胶在晶圆表面的附着力,某些工厂将这种工艺称为预曝光烘烤。软烘烤后,光刻胶厚度大约收缩10%-20%,而光刻胶也将含有5%-20%的残余溶剂。

半导体行业-光刻工艺(六)

光刻胶涂敷前也可以使用自旋涂敷进行底漆层HMDS沉积。首先在低速自旋转时将液态HMDS施加到晶圆表面涂敷晶圆,然后把自旋转速快速升高到3000~6000转/分钟,用20~30s时间干燥HMDSO对于光刻胶涂敷,底漆层自旋涂敷的优点是一种临场过程,所以在光刻胶涂敷前可以有效避免晶圆表面的再次水合。然而,现在一般都使用蒸气的底漆层涂敷,因为这种方法的底漆层使用HMDS量较少(HMDS是非常昂贵的材料)、有较好的涂敷均匀性并具有较少的微粒状污,而且光刻胶能被湿的HMDS溶解(这与液体的使用有关)。