光刻技術的詳細工序

一、清洗硅片（Wafer Clean）

清洗硅片的目的是去除污染物去除顆粒、減少針孔和其它缺陷，提高光刻膠黏附性

基本步驟：化學清洗——漂洗——烘干。

硅片經過不同工序加工后，其表面已受到嚴重沾污，一般講硅片表面沾污大致可分在三類：

1、有機雜質沾污： 可通過有機試劑的溶解作用，結合超聲波清洗技術來

去除。

2、顆粒沾污：運用物理的方法可采機械擦洗或超聲波清洗技術來去除粒徑 ≥ 0.4 μm顆粒，利用兆聲波可去除 ≥ 0.2 μm顆粒。

3、金屬離子沾污：必須采用化學的方法才能清洗其沾污，硅片表面金屬雜質沾污有兩大類：

a. 一類是沾污離子或原子通過吸附分散附著在硅片表面。

b. 另一類是帶正電的金屬離子得到電子后面附著（尤如“電鍍”）到硅片表面。

硅拋光片的化學清洗目的就在于要去除這種沾污。

二、預烘和底膠涂覆（Pre-bake and Primer Vapor）

由于光刻膠中含有溶劑，所以對于涂好光刻膠的硅片需要在80度左右的。硅片脫水烘焙能去除圓片表面的潮氣、增強光刻膠與表面的黏附性、通常大約100 °C。這是與底膠涂覆合并進行的。

底膠涂覆增強光刻膠(PR)和圓片表面的黏附性。廣泛使用: (HMDS)六甲基二硅胺、在PR旋轉涂覆前HMDS蒸氣涂覆、PR涂覆前用冷卻板冷卻圓片。

三、光刻膠涂覆（Photoresist Coating）

光刻膠涂覆通常的步驟是在涂光刻膠之前，先在900-1100度濕氧化。氧化層可以作為濕法刻蝕或B注入的膜版。作為光刻工藝自身的第一步，一薄層的對紫外光敏感的有機高分子化合物，即通常所說的光刻膠，要涂在樣品表面(SiO2)。首先光刻膠被從容器中取出滴布到置于涂膠機中的樣品表面，(由真空負壓將樣品固定在樣品臺上)，樣品然后高速旋轉，轉速由膠粘度和希望膠厚度確定。在這樣的高速下，膠在離心力的作用下向邊緣流動。

涂膠工序是圖形轉換工藝中最初的也是重要的步驟。涂膠的質量直接影響到所加工器件的缺陷密度。為了保證線寬的重復性和接下去的顯影時間，同一個樣品的膠厚均勻性和不同樣品間的膠厚一致性不應超過±5nm(對于1.5um膠厚為±0.3%)。

光刻膠的目標厚度的確定主要考慮膠自身的化學特性以及所要復制圖形中線條的及間隙的微細程度。太厚膠會導致邊緣覆蓋或連通、小丘或田亙狀膠貌、使成品率下降。在MEMS中、膠厚(烤后)在0.5-2um之間，而對于特殊微結構制造，膠厚度有時希望1cm量級。在后者，旋轉涂膠將被鑄膠或等離子體膠聚合等方法取代。常規光刻膠涂布工序的優化需要考慮滴膠速度、滴膠量、轉速、環境溫度和濕度等，這些因素的穩定性很重要。

四、前烘（Soft Bake）

完成光刻膠的涂抹之后，需要進行軟烘干操作，這一步驟也被稱為前烘。前烘能夠蒸發光刻膠中的溶劑溶劑、能使涂覆的光刻膠更薄。

在液態的光刻膠中，溶劑成分占65％－85％。雖然在甩膠之后，液態的光刻膠已經成為固態的薄膜，但仍有10％－30％的溶劑，容易沾污灰塵。通過在較高溫度下進行烘培，可以使溶劑從光刻膠中揮發出來（前烘后溶劑含量降至5％左右），從而降低了灰塵的沾污。同時，這一步驟還可以減輕因高速旋轉形成的薄膜應力，從而提高光刻膠 襯底上的附著性。

在前烘過程中，由于溶劑揮發，光刻膠厚度也會減薄，一般減薄的幅度為10％－20％左右。

五、對準（Alignment）

光刻對準技術是曝光前一個重要步驟作為光刻的三大核心技術之一，一般要求對準精度為最細線寬尺寸的 1/7---1/10。隨著光刻分辨力的提高 ，對準精度要求也越來越高 ，例如針對 45am線寬尺寸 ，對準精度要求在5am 左右。

受光刻分辨力提高的推動 ，對準技術也經歷 迅速而多樣的發展 。從對準原理上及標記結 構分類 ，對準技術從早期的投影光刻中的幾何成像對準方式 ，包括視頻圖像對準、雙目顯微鏡對準等，一直到后來的波帶片對準方式 、干涉強度對準 、激光外差干涉以及莫爾條紋對準方式 。從對準信號上分 ，主要包括標記的顯微圖像對準 、基于光強信息的對準和基于相位信息對準。

對準法則是第一次光刻只是把掩膜版上的Y軸與晶園上的平邊成90，如圖所示。接下來的掩膜版都用對準標記與上一層帶有圖形的掩膜對準。對準標記是一個特殊的圖形（見圖），分布在每個芯片圖形的邊緣。經過光刻工藝對準標記就永遠留在芯片表面，同時作為下一次對準使用。

對準方法包括：

a、預對準，通過硅片上的notch或者flat進行激光自動對準

b、通過對準標志，位于切割槽上。另外層間對準，即套刻精度,保證圖形與硅片上已經存在的圖形之間的對準。

六、曝光（Exposure）

在這一步中，將使用特定波長的光對覆蓋襯底的光刻膠進行選擇性地照射。光刻膠中的感光劑會發生光化學反應，從而使正光刻膠被照射區域（感光區域）、負光刻膠未被照射的區域（非感光區）化學成分發生變化。這些化學成分發生變化的區域，在下一步的能夠溶解于特定的顯影液中。

在接受光照后，正性光刻膠中的感光劑DQ會發生光化學反應，變為乙烯酮，并進一步水解為茚并羧酸（Indene-Carboxylic-Acid, CA），羧酸在堿性溶劑中的溶解度比未感光部分的光刻膠高出約100倍，產生的羧酸同時還會促進酚醛樹脂的溶解。利用感光與未感光光刻膠對堿性溶劑的不同溶解度，就可以進行掩膜圖形的轉移。

曝光方法：

a、接觸式曝光（Contact Printing）掩膜板直接與光刻膠層接觸。

b、接近式曝光（Proximity Printing）掩膜板與光刻膠層的略微分開，大約為10～50μm。

c、投影式曝光（Projection Printing）。在掩膜板與光刻膠之間使用透鏡聚集光實現曝光。

d、步進式曝光(Stepper)

七、顯影(development)

通過在曝光過程結束后加入顯影液，正光刻膠的感光區、負光刻膠的非感光區，會溶解于顯影液中。這一步完成后，光刻膠層中的圖形就可以顯現出來。為了提高分辨率，幾乎每一種光刻膠都有專門的顯影液，以保證高質量的顯影效果。

顯影工序使將在曝光過程中形成的隱性圖形成為光刻膠在與不在的顯性圖形，以作為下一步加工的膜版。顯影中進行的是選擇性溶解的過程，最重要的是曝光區和未曝光區之間溶解率的比值(DR)。商用正膠有大于1000的DR比，在曝光區溶解速率為3000nm/min，在未曝光區只有幾nm/min。

現在有二種顯影方法，一是濕顯影，他IC和微加工中正廣泛使用，另一種是干顯影。

八、堅膜 （Hard Bake）

刻膠顯影完成后，圖形就基本確定，不過還需要使光刻膠的性質更為穩定。硬烘干可以達到這個目的，這一步驟也被稱為堅膜。在這過程中，利用高溫處理，可以除去光刻膠中剩余的溶劑、增強光刻膠對硅片表面的附著力，同時提高光刻膠在隨后刻蝕和離子注入過程中的抗蝕性能力。另外，高溫下光刻膠將軟化，形成類似玻璃體在高溫下的熔融狀態。這會使光刻膠表面在表面張力作用下圓滑化，并使光刻膠層中的缺陷（如針孔）減少，這樣修正光刻膠圖形的邊緣輪廓。

用O2等離子體對樣品整體處理，以清除顯影后可能的非望殘留叫de-scumming。特別是負膠但也包括正膠，在顯影后會在原來膠-基板界面處殘留聚合物薄層，這個問題在結構小于1um或大深-寬比的結構中更為嚴重。當然在De-scumming過程中留膠厚度也會降低，但是影響不會太大。

最后，在刻蝕或鍍膜之前需要硬烤以去除殘留的顯影液和水，并退火以改善由于顯影過程滲透和膨脹導致的界面接合狀況。同時提高膠的硬度和提高抗刻蝕性。硬烤溫度一般高達120度以上，時間也在20分左右。主要的限制是溫度過高會使圖形邊緣變差以及刻蝕后難以去除。

九、刻蝕或離子注入

刻蝕是半導體器件制造中利用化學途徑選擇性地移除沉積層特定部分的工藝。刻蝕對于器件的電學性能十分重要。如果刻蝕過程中出現失誤，將造成難以恢復的硅片報廢，因此必須進行嚴格的工藝流程控制。半導體器件的每一層都會經歷多個刻蝕步驟。

刻蝕一般分為電子束刻蝕和光刻，光刻對材料的平整度要求很高，因此，需要很高的清潔度。 但是，對于電子束刻蝕，由于電子的波長極短，因此分辨率與光刻相比要好的多。 因為不需要掩模板，因此對平整度的要求不高，但是電子束刻蝕很慢，而且設備昂貴。

對于大多數刻蝕步驟，晶圓上層的部分位置都會通過“罩”予以保護，這種罩不能被刻蝕，這樣就能對層上的特定部分進行選擇性地移除。在有的情況中，罩的材料為光阻性的，這和光刻中利用的原理類似。而在其他情況中，刻蝕罩需要耐受某些化學物質，氮化硅就可以用來制造這樣的“罩”。

離子注入是一種將特定離子在電場里加速，然后嵌入到另一固體材料之中的技術手段。使用這個技術可以改變固體材料的物理化學性質，現在已經廣泛應用于半導體器件制造和某些材料科學研究。離子注入可以導致核轉變，或改變某些固體材料的晶體結構。

十、光刻膠的去除

光刻膠的主要功能是在整個區域進行化學或機械處理工藝時，保護光刻膠下的襯底部分。所以當以上工藝結束之后，光刻膠應全部去除，這一步驟簡稱去膠。只有那些高溫穩定的光刻膠，例如光敏感聚酰亞胺，可以作為中間介質或緩沖涂層而留在器件上。

為避免對被處理表面的任何損傷，應當使用低溫下溫和的化學方法。超聲波的應用也可以增強剝離效能。因為有腐蝕問題、一些已知的剝離液不能作用與鋁等金屬表面；在此情況下、臭氧或氧等離子體(灰化)是首先采用的。這些等離子體同樣成功地作為非鋁表面的光刻交剝離劑，但是，器件表面的損壞仍是要解決的問題。

刻蝕或離子注入之后，已經不再需要光刻膠作保護層，可以將其除去。

去膠的方法分類如下：

濕法去膠：a、有機溶劑去膠：利用有機溶劑除去光刻膠；b、無機溶劑：通過使用一些無機溶劑，將光刻膠這種有機物中的碳元素氧化為二氧化碳，進而而將其除去

干法去膠：利用等離子體將光刻膠剝除。

除了這些主要的工藝以外，還經常采用一些輔助過程，比如進行大面積的均勻腐蝕來減小襯底的厚度，或者去除邊緣不均勻的過程等等。一般在生產半導體芯片或者其它元件時，一個襯底需要多次重復光刻。