微电子工艺—— 光刻工艺 课程论文.doc

课程论文 题 目 微电子工艺 光刻工艺 学生姓名 学 号 院 系 电 子 工 程 系专 业 电子科学与技术指导教师 二一三 年 六 月 十 二 日光刻工艺南京信息工程大学电子工程系，南京 摘要：光刻(photoetching)是通过一系列生产步骤将晶圆表面薄膜的特定部分除去的工艺，在此之后，晶圆表面会留下带有微图形结构的薄膜。被除去的部分可能形状是薄膜内的孔或是残留的岛状部分。平面晶体管和集成电路生产中，要进行多次的光刻，以实现选择性扩散和金属膜布线的目的。光刻工艺是利用光刻胶的感光性和耐蚀性，在SiO2或金属膜上复印并刻蚀出与掩模版完全对应的几何图形.由于光刻工艺是一种非常精细的表面加工技术,在平面器件和集成电路生产中得到广泛应用.如果把硅片的外延、氧化、扩散和淀积看成是器件结构的纵向控制的话,那么，器件的横向控制就几乎全部有光刻来实现。因此,光刻的精度和质量将直接影响器件的性能指标,同时也是影响器件的成品率和可靠性的重要因素。关键词：光刻技术；光刻胶；光刻质量。目 录目 录II1 引言III2 光刻的工艺要求12.1 高分辨率12.2 高灵敏度12.3 精密的套刻对准12.4 大尺寸硅片的加工22.5 低缺陷22 光刻胶的特性和配制23.1 光刻胶的性质23.2 光致抗蚀剂的种类23.3 光刻胶的配制33 光刻工艺流程44.1 涂胶54.2 前烘54.3 曝光54.4 显影74.5 坚膜74.6 刻蚀74.7 去胶105光刻质量分析115.1 溶胶115.2 小岛125.3 针孔126 总结.12参考文献131 引言光刻(photoetching)是通过一系列生产步骤将晶圆表面薄膜的特定部分除去的工艺在此之后，晶圆表面会留下带有微图形结构的薄膜。被除去的部分可能形状是薄膜内的孔或是残留的岛状部分。在晶圆的制造过程中，晶体三极管、二极管、电容、电阻和金属层的各种物理部件在晶圆表面或表层内构成。这些部件是每次在一个掩膜层上生成的，并且结合生成薄膜及去除特定部分，通过光刻工艺过程，最终在晶圆上保留特征图形的部分。光刻生产的目标是根据电路设计的要求，生成尺寸精确的特征图形，并且在晶圆表面的位置正确且与其它部件（parts）的关联正确。 一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀、检测等工序。光刻是所有四个基本工艺中最关键的。光刻确定了器件的关键尺寸。光刻过程中的错误可造成图形歪曲或套准不好，最终可转化为对器件的电特性产生影响。图形的错位也会导致类似的不良结果。光刻工艺中的另一个问题是缺陷。光刻是高科技版本的照相术，只不过是在难以置信的微小尺寸下完成。在制程中的污染物会造成缺陷。事实上由于光刻在晶圆生产过程中要完成5层至20层或更多，所以污染问题将会放大。光刻技术作为半导体及其相关产业发展和进步的关键技术之一。二氧化硅膜作为选择性扩散的掩蔽膜，也就是说，将需要扩散的区域上的二氧化硅层去掉，而不需要扩散的区域上的二氧化硅层依然保留着。完成这一项任务，就是要利用光刻技术来完成。每一种半导体器件都需要进行多次光刻，较复杂的集成电路光刻的次数更多。因此，光刻技术是集成电路制造中最关键的一道工序。随着集成电路的集成度越来越高，特征尺寸越来越小，晶圆片面积越来越大，给光刻技术带来了很高的难度。尤其是特征尺寸越来越小，对光刻的要求更加精细。通常人们用特征尺寸来评价集成电路生产线的技术水平。 光刻技术起源于印刷技术中的照相制版，在平面上加工形成的微细图形。近年来，随着集成电路的高速发展，光刻的加工精度也引起人们的普遍关注。2 光刻的工艺要求2.1 高分辨率分辨率是光刻精度和清晰度的标志之一。随着集成电路的集成度提高，加工的线条越来越小，对分辨率的要求也就越来越高。分辨率的高低不仅与光刻胶有关，还与光刻的工艺条件和操作技术等因素有关。 分辨率的表示方法有以上两种。第一种是以每毫米最多能容纳的线条来表示。如果可以分清的线条宽为W/2而线与线间空白的宽度也为W/2，这时，每毫米内最多可容纳的线条数即为分辨率，则分辨率等于1/W，单位为条线/mm。如果线条宽W/2=0.25um，则分辨率为2000线条/mm。第二种是以剥蚀以后的二氧化硅尺寸减去光刻掩膜版的图形尺寸除以2表示。生产中常用第一种方法。2.2 高灵敏度灵敏度是指光刻胶感光的速度。为了提高产量要求曝光所需要的时间越短越好，也就是要求灵敏度高。光刻胶的灵敏度与胶的组成材料及工艺条件密切相关。往往灵敏度的提高会使光刻胶的其他性能变差。因此，要求在保证光刻胶各项性能指标的前提下，尽量提高光刻胶的灵敏度。有人把光刻胶的灵敏度称为感光度。通常光刻胶的感光度是以光刻胶发生化学反应所需要的最小曝光量得倒数来表示，即S=K/E。式中，K为比例常数；E为曝光量，是指光的强度（照度）和曝光之间的乘积，即E=I*t（I的单位为烛，t的单位是秒）；S为感光度，单位为（米烛秒）-1。从此式中可以发现，要使光刻胶变成不溶性物质所需要的曝光时间和光强度是变量，因此，要求精确求出感光度是比较复杂的，生产中可采用滤光器进行测量。由于感光度与曝光量成反比关系，所以要使光刻胶发生硬化学反应所需要的曝光量要小，则光刻胶的感光度要高，也就是在一定的光强度下，曝光时间就短。2.3 精密的套刻对准一块集成电路制作需要十多次甚至几十次光刻，每次光刻都需要相互套准。由于图形的特征尺寸是在亚微米数量极上，因此，对套刻要求十分高。半导体器件允许的套刻误差为半导体器件特征尺寸的10%左右。对亚微米级宽来说，其套准误差仅为百分之几微米，已经小于可见光波的波长了，这就要求套准精度详相当高。（一般采用自动套准技术，也称自对准技术）。2.4 大尺寸硅片的加工目前生产上所用的晶圆片尺寸已经从8in（200mm）向12in（300mm）方向努力了。由于晶圆片尺寸变大，周围环境温度的稍微变化都会引起晶圆片得膨胀和收缩。硅的膨胀系数为2.44*10-6/，对于直径为200mm的硅片，温度每变化1，则产生的形变就有0.5m，这样要加工大尺寸晶圆片，对周围环境的温度控制要求十分严格，否则就是影响光刻质量。2.5 低缺陷在集成电路加工过程中，会产生一些缺陷，即使这些缺陷尺寸小于图形的线条宽度，也会使集成电路失效。这些缺陷的引入是无法避免的，一块集成电路的加工过程需要几十道工序，甚至上百道工序，每道工序都有可能引入缺陷，特别是光刻这道工序。由于缺陷会直接影响集成电路的成品率，因此在加工过程中尽量避免缺陷的产生，这对光刻来说更要引起重视。2 光刻胶的特性和配制3.1 光刻胶的性质光致抗蚀剂是一种主要由碳、氢等元素组成的高分子化合物，其分子结构有线型和体型两种。线型高分子化合物，其长链之间的结合力主要是靠化学键。由于分子间作用力比化学键的结合要弱的多，所以线型高分子化合物一般是可溶性的，而体型高分子化合物往往是难溶性的。如果在高分子化合物内部存在不稳定的双键等可变因素的话，则在外界光或热的作用下，高分子化合物的分子结构就可能会在线型和体型之间发生变化。分子结构的变化，必然会引起高分子化合物的机械和物理性质的相应变化。例如，由可溶性变为不可溶性或者相反。光刻工艺就是利用光致抗蚀剂有这样内在的可变因素，在一定条件下使部分高分子化合物由可溶性转变为不可溶性，或由不可溶性转变为可溶性，将掩模上的图形复印在光刻胶膜上。然后利用光刻胶膜对腐蚀液的抗蚀性，在硅片表面选择性地刻蚀SIO2或金属膜，实现定域扩散及金属膜布线的目的。3.2 光致抗蚀剂的种类根据光致抗蚀剂在曝光前后溶解性的变化，可以分为正性光刻胶和负性光刻胶两种。（1） 负性光致抗蚀剂 曝光前光致抗蚀剂在有机溶剂中是可溶解的，曝光后成为不可溶的物质，这类抗蚀剂称为负性光致抗蚀剂，由此组成的光刻胶称为负性胶。目前，主要的负性光致抗蚀剂有聚肉桂酸酯类，聚酯类和环化橡胶类等。聚肉桂酸脂类 聚肉桂酸脂类抗蚀剂的特点是在树脂分子的侧链上带有肉桂酰感光性官能团。典型的聚肉桂酸脂类抗蚀剂有聚乙烯醇脂（又称KPR），他是一种浅黄色的纤维状固体，能溶解于丙酮，丁酮，环已酮等有机溶剂中。在紫外光的作用下，肉桂酰官能团发生二聚反应，引起聚合物分子间的交联，形成不溶于显影液的立体网状结构。光刻胶中加入适量的5-硝基苊，不仅扩大了感光波长范围，而且提高了光刻胶的感光灵敏度，缩短了暴光时间。聚乙烯醇肉桂酸脂经交联反应后生成的立体网状分子结构不再溶于有机溶剂，干燥后又能耐酸的腐蚀，光刻腐蚀后可以通过多种途径去除干净，因此在光刻技术中得到了广泛的应用。聚脂类聚脂类光致抗蚀剂的特点，是在树脂分子的侧链上含有共轭双键的感光性官能团，具有较强的感光灵敏度；在感光性树脂分子的主链上含有极性基团，因而对一些衬底材料，如SIO2和AL，有较好的粘附性。聚酯类光刻胶也可用5-硝基苊作增感剂以缩短暴光时间。聚酯胶与聚乙烯醇肉桂酸酯比较，前者粘附性好，分辨率高，适合于刻蚀细线条。环化橡胶类 环化橡胶类抗蚀剂的特点是，其交联反应由带有双感光性官能团的交联剂，在暴光后产生双自由基，和附近的环化橡胶分子相互作用，在聚合物分子链之间形成桥键，从而变成三维结构的不溶性物质。由于这类抗蚀剂和衬底材料有较强的粘附性，抗蚀能力也很强，特别适合于金属材料的刻蚀。但由于氧会使交联剂的光化学分解反应停留在中间阶段，即停留在生成NRN3的阶段而阻碍了交联反应的进行，因此暴光要在充氮或真空条件下进行。正性光致抗蚀剂 曝光前对某些溶剂是不可溶的，而暴光后却变成了可溶性的抗蚀剂称为正性光致抗蚀剂。暴光后，可用稀碱性水溶液进行显影。这时光照部分由于生成羧酸盐而溶解，而未受光照部分难溶，因而显出与掩膜版相同的正图象。正性抗蚀剂的抗碱性差而耐酸性好，所以常用1.53Na3PO4水溶液进行显影,为了避免钠离子对器件的不良影响,也可用有机碱性水溶液进行显影,如氢氧化四烷基铵水溶液等.由于碱性显影液会受空气中CO2的影响而变质,因此显影速率会随时间发生变化.但正性光刻胶分辨率高,边缘整齐,反刻时易于套刻,是一种重要的抗蚀剂。3.3 光刻胶的配制光刻胶的成份主要包括感光剂、增感剂和溶剂。（1） 感光剂感光剂是光刻胶的核心部分，曝光时间、光源所发射光线的强度都根据感光剂的特性选择决定的。（2） 增感剂感光剂的感光速度都较慢，生产上效率太低，因此向光刻胶中添加了提高感光速度的增感剂。（3） 溶剂感光剂和增感剂都是固态物质，为了方便均匀的涂覆，要将他们加入溶剂进行溶解，形成液态物质。溶剂的用量决定着光刻胶的稀稠，从而影响光刻胶膜的厚薄。光刻胶膜薄，曝光时光的散射和衍射作用影响较小，显影时间也缩短，因此光刻图形清晰，边缘整齐，有利于提高分辨率。但胶膜薄时，抗蚀能力降低，针孔密度会增加。所以，应根据各次光刻对分辨率和抗蚀性的要求来决定光刻胶的浓度。配比选择的一般原则是在保证抗蚀能力的条件下，用较薄的胶膜，以提高分辨率。增感剂的用量，决定着光刻胶的感光灵敏度。光刻胶中加入适量增感剂，可以缩短暴光时间。增感剂用量过多，光在感光膜表面被强烈吸收，会造成内层光刻胶暴光不足，显影时出现浮胶。增感剂过多还会使胶膜变脆，增感剂在显影时被溶解还会使针孔密度增加。因此增感剂的用量必须适当。光刻胶的性能好坏与其配制有关。配制的原则是光刻胶既有良好的抗蚀力，又要有较高的分辨率，但两者是相互矛盾的，抗蚀力强的胶要厚，但是光刻胶变厚，其分辨率就下降了。因此配制光刻胶时要使两者兼顾为好。负性胶配制材料如表3-1所示。表3-1 负性胶配置材料聚乙烯醇肉桂酸脂10g5%-10%5-硝基苊1g0.25%-1%环已酮100ml90%-95%正性胶配制材料如表3-2所示。表3-2 负性胶配置材料重氮荼醌磺酸脂0.2g酚醛树脂0.04g环氧树脂0.02g乙醇乙醚4ml配制光刻胶是在暗室中操作，如果是自制光刻胶一定将配制好的光刻胶静置一段时间以后进行过滤，把一些难溶的微小颗粒过滤掉。过滤后的光刻胶装在棕色玻璃瓶中，外加黑色厚纸包裹置于暗室中。如果是商品胶，也应好好保存，以免造成漏光或反应使胶失效。3 光刻工艺流程在平面管和集成电路生产中，都要经过多次光刻。虽然各次光刻的目的要求和工艺条件有所差别，但其工艺过程是基本相同的。光刻工艺一般都要经过涂胶，前烘，曝光，显影，坚膜，刻蚀和去胶等七个步骤。4.1 涂胶涂胶就是在SiO2或其他薄膜表面，涂布一层粘附良好，厚度适当，厚薄均匀的光刻胶膜。涂胶示意图如图4-1所示，涂胶前的硅片表面必须清洁干燥，如果硅片搁置较久或光刻返工，则应重新进行清洗并烘干后再涂胶。生产中，最好在氧化或蒸发后立即涂胶，此时硅片表面清洁干燥，光刻胶的粘附性较好。涂胶一般采用旋转法，其原理是利用转动时产生的离心力，将滴在硅片的多余胶液甩去，在光刻胶表面张力和旋转离心力共同作用下，扩展成厚度均匀的胶膜。胶膜厚度可通过转速和胶的浓度来调节.涂胶的厚度要适当，膜厚均匀，粘附良好。胶膜太薄，则针孔多，抗蚀能力差；胶膜太厚，则分辨率低。在一般情况下，可分辨线宽约为膜厚的58倍。图4-1 涂胶示意图4.2 前烘前烘就是在一定的温度下，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及膜厚的不同而有所差别，一般通过实验来加以确定。前烘的温度和时间必须适当。温度过高会引起抗蚀剂的热交联，在显影时留下底膜，或者增感剂升华挥发使感光灵敏度下降；前烘温度过低或时间过短，则抗蚀剂中的有机溶剂不能充分挥发，残留的溶剂分子会妨碍光交链反应，从而造成针孔密度增加，浮胶或图形变形等。同时，前烘时还不能骤热，以免引起表面鼓泡，产生针孔甚至浮胶。一般前烘是在80恒温干燥箱中烘烤1015分钟；也可以用红外灯在硅片背面烘烤，使胶膜的干燥从里到外，以获得良好的前烘效果。4.3 曝光曝光就是对涂有光刻胶的基片进行选择性光化学反应，使曝光部分的光刻胶改变在显影液中的溶解性，经显影后在光刻胶膜上得到和掩膜版相对应的图形。生产上，通常都采用紫外光接触曝光法，其基本步骤是定位对准和曝光。如图4-2曝光图解及图4-3曝光示意图所示，定位对准是使掩膜版的图形和硅片上的图形精确套合，因此要求光刻机有良好的对准装置，即具有精密的微调和压紧机构，特别是在压紧时保证精确套合不发生位移。此外，光刻机还应具有合适的光学观察系统，要求有一个景深较大，同时又有足够高分辨率的显微镜。曝光量的选择决定于光刻胶的吸收光谱，配比，膜厚和光源的光谱分布。最佳曝光量的确定，还要考虑衬底的光反射特性。在实际生产中，往往以曝光时间来控制暴光量，并通过实验来确定最佳曝光时间。图4-2 曝光图解曝光时影响分辨率的因素有：（1）掩膜版于光刻胶膜的接触情况  若硅片弯曲，硅片表面有灰尘或突起，胶膜厚度不均匀，光刻机压紧机构不良等都会影响掩膜版与光刻胶膜的接触情况，从而使分辨率降低。（2）曝光光线的平行度  曝光光线应与掩膜版和胶膜表面垂直，否则将使光刻图形发生畸变。（3）光的衍射和反射  光波在掩膜版图形边缘的衍射和反射将使分辨率降低。（4）光刻胶膜的质量和厚度  胶膜越厚，光刻胶中固态微粒含量越高，则光线在胶膜中因散射而产生的侧向光化学反应越严重，光刻图形的分辨率也越低。（5）曝光时间越长，由于光的衍射，反射和散射作用，使分辨率降低。但暴光不足，则光反应不充分，显影时部分胶被溶解，从而使胶膜的抗蚀能力降低，针孔密度增加。（6）掩膜版的分辨率和质量  掩膜版的分辨率和质量将影响光刻分辨率。此外，显影，腐蚀以及光刻胶的性能也是影响光刻分辨率的因素。图4-3 曝光示意图4.4 显影显影就是将已曝光的晶圆片用适当的溶剂浸渍或喷淋，使抗蚀剂上不需要的区域溶解掉，从而获得抗蚀剂膜上所需要的图形。如4-4显影示意图。显影剂和显影条件根据光致抗蚀剂和曝光条件的不同而有所区别。对于负性抗蚀剂，显影液一般用丁酮、甲苯、丙酮、三氯乙烯。但甲苯显影的图像清晰度不好，丙酮会造成胶膜收缩，三氯乙烯有毒性，因而这三种很少用。对于正性抗蚀剂，显影液为碱性溶液是甲基异丁基酮（MIBK）和异丙醇（IPA）的1:1混合液。显影可用浸渍法，也可以喷射法。目前的大生产中大多采用喷射法（或喷淋法）。这种方法大多配有计算机控制系统，既可以达到大生产的目的，又具有很好的均匀性、重复性。显影时间也因光致抗蚀剂种类、曝光时间等不同一般为30-120s之间。如胶膜厚温度低，显影时间要长一些。若显影时间不足，则在该溶解胶的区域内会留有残胶，使得二氧化硅、Si3N4或多晶硅等刻蚀不净，造成器件性能变坏；若显影时间过长，会造成胶软化、膨胀，使得显影液从圆形边缘溶蚀，这样圆形边缘会变差，甚至出席那溶胶现象。因此，显影时间要很好地控制。图4-4 显影示意图4.5 坚膜坚膜是在一定温度下对显影后的硅片进行烘焙，除去显影时胶膜所吸收的显影液和残留的水份，改善胶膜与硅片的粘附性，增强角膜的抗蚀能力。坚膜的温度和时间要适当。坚膜不足，则抗蚀剂胶膜没有烘透，膜与基片粘附性差，腐蚀时易浮胶；坚膜温度过高，则抗蚀剂胶膜会因热膨胀而翘曲或剥落，腐蚀时同样会产生钻蚀或浮胶。温度更高时，聚合物将分解，影响粘附性和抗蚀能力。此外，坚膜时最好采用缓慢升温和自然冷却的烘焙过程。对于腐蚀时间较长的厚膜刻蚀，可在腐蚀一半后再进行一次坚膜，以提高胶膜的抗蚀能力。4.6 刻蚀刻蚀就是将已经曝光。显影后的光刻微图形中下层材料的裸露部分去除，即在这层材料上重现与光刻胶相同的微图形。也可以说，刻蚀就是将没有被光刻胶覆盖而或保护的部分，以化学反应或物理作用加以去除，以完成将图形转移到硅片表面上的目的。随着大规模集成电路技术的发展，图形加工的线条越来越细，硅片尺寸越来越大，因此，对刻蚀转移图形的重现精度和尺寸控制要求也越来越高。刻蚀方法有两种类型：湿法刻蚀和干法刻蚀。(1)湿法刻蚀湿法刻蚀是用腐蚀液进行刻蚀，又称化学腐蚀法。其腐蚀过程与一般化学反应相似。由于是腐蚀样品上没有光刻胶覆盖部分，因此理想的刻蚀应当对光刻胶不发生腐蚀或腐蚀速率很慢。刻蚀不同材料所选择的腐蚀液是不同的。所用的光刻胶对各种腐蚀剂都具有较强的适应性，也就是光刻胶又称为光致抗蚀剂的原因。二氧化硅腐蚀是以氢氟酸为基础的水溶液。在腐蚀液中存在如下的电离平衡：HF=H+F。腐蚀时，腐蚀液中的氟离子与二氧化硅中的硅离子结合成六氟硅酸根络离子SiO2。它与氢离子结合而生成六氟硅酸H2SiF6。同时腐蚀液中的氢离子与SiO2中的氧离子结合成难电离的水。由于六氟硅酸是可溶性的络合物，使SiO2被氢氟酸溶解，其反应式为：SiO2+6HF=H2SiF6+2H2O显然，F-和H+的浓度越大，反应速度越快，并且所消耗的F-和H+是等量的，如果在腐蚀液中加入氟化氨，它在水溶液中电离成氟离子和氨离子。此时，腐蚀液中F+浓度增大，根据同离子效应原理，HF的电离平衡式将向生成HF的方向移动，这样就降低了溶液中H+的浓度，使HF 和SiO2的反应速度减弱，起着缓冲的作用。所以，氟化氨在SiO2腐蚀液中起缓冲剂的作用。这种加有氟化氨的氢氟酸溶液，习惯上称为HF缓冲液。常用的配方为：HF：NH4F：H20=3ml：6g：10ml。影响SiO2腐蚀质量的因素很多。光刻胶与SiO2表面粘附良好是保证腐蚀质量的重要条件，粘附不良会使腐蚀液沿界面钻蚀，图形遭到破坏。不同方法生长的SiO2腐蚀速率不同，低温沉积的SiO2比热生长SiO2的腐蚀速率快得多。SiO2中含有硼，会使腐蚀速率降低；而含有磷，又会使腐蚀速率增大，如图所示。腐蚀SiO2的速率一般都在3040摄氏度范围内。温度过高，腐蚀速度过快，不易控制，易产生钻蚀现象；温度太低，腐蚀速度太慢，胶膜长期浸泡，也易产生浮胶。腐蚀时间取决于腐蚀速率和SiO2的厚度，腐蚀不足，氧化层未去干净，将影响杂质扩散或使电极接触不良；腐蚀时间过长又会造成侧向腐蚀，使分辨率下降。氮化硅刻蚀 氮化硅的化学性质比较稳定，在氢氟酸中腐蚀速率很慢。对于厚度为10-2m的较薄氮化硅膜，可用SiO2作掩膜的间接光刻方法刻蚀。它是在Si3N4膜上用热分解法淀积一层SiO2膜，然后用普通光刻方法在SiO2膜上刻蚀出所需图形后，再放入180摄氏度的热磷酸中继续刻蚀图形窗口内的Si3N4膜。由于热磷酸对Si3N4的腐蚀速率比对SiO2的大得多，所以SiO2起到掩膜腐蚀的作用。铝的刻蚀 目前常用的腐蚀液有磷酸和高锰酸钾腐蚀液。对于磷酸，是利用它与铝反应能生成可溶于水的酸式磷酸铝，以达到腐蚀的目的，其反应式为：2Al+6H3PO4=2Al（H2PO4）3+3H2刻蚀时反应激烈，会有气泡不断冒出，影响腐蚀的均匀性。为此，可在腐蚀液中加入少量无水乙醇或在腐蚀时采用超声振动，以去除反应生成的气泡。（2）干法刻蚀所谓干法刻蚀就是以等离子体来进行薄膜刻蚀的一种技术。因为刻蚀过程不涉及溶液，所以称为干法刻蚀。如下图4-5干法刻蚀机图解及4-6干法刻蚀图解。图4-5 干法刻蚀机腔体图解图4-6 干法刻蚀图解干法刻蚀的优点在于是各种异性的刻蚀。因此干法刻蚀的主要任务如何实现在垂直方向上的刻蚀速率远远大于横向刻蚀速率，以便使光刻在薄膜上的转移图案与掩膜版上原图相同。进行干法刻蚀是利用高能粒子轰击的物理现象进行的，这种粒子轰击现象，不但在被刻蚀的薄膜上进行。这样，它的选择性就比湿法刻蚀来的差（所谓的选择性是指刻蚀过程对刻蚀的薄膜及其他材质如光刻胶及衬底的刻蚀率之比值）。选择性越高，表示大都在被刻蚀材质上进行。因此，干法刻蚀虽然能获得相当准确的图形转移，但必定会牺牲部分刻蚀的选择性。除了各向异性选择性之外，表示产量大。均匀性高。表示图形的质量控制完美，也就是刻蚀的合格率高。刻蚀质量检测如表4-1。表4-1 刻蚀检测质量参数缺陷类型关键尺寸光刻胶线宽与刻蚀后图形的线宽存在过大区别金属腐蚀刻蚀后金属膜的侵蚀刻蚀后的侧墙污染物刻蚀后残留的侧墙钝化物污染物溅射到金属性条或通孔的侧墙上二氧化硅的干法刻蚀，氧化物的等离子体刻蚀工艺大多采用含有氟碳化合物的气体进行刻蚀。CF4（g）2F(g)+CF2(g)SiO2(s)+4F(g) SiF4(g)+2O(g)SiO2(s)+2F2(g) SiF4(g)+2CO(g)向反应气氛中加入氧气可改变氧化硅的刻蚀速率与硅的刻蚀速率比，当氧气浓度约为2040%时，氧化硅的刻蚀速率明显高于硅的刻蚀速率，40%以后，二者的刻蚀速率又开始接近。也可通过加入氢气来降低硅的刻蚀速率，氢气的浓度约为40%时，硅的刻蚀速率几乎为0，而氧化硅的刻蚀速率确基本不受影响。氮化硅的干法刻蚀主要用于氮化硅刻蚀的气体是CF4和氧气、氮气的混合气体，氧、氮是用来提高刻蚀选择比的。对氮化硅的刻蚀速率可达到1200Å/min，刻蚀选择比可高达20：1。另外用于氮化硅刻蚀的气体有SiF4、NF3和CHF3等。多晶硅的干法刻蚀要有很好的选择比、刻蚀侧墙等。通常选用卤素气体，氯气可实现各向异性刻蚀而有很好的选择比；溴基气体可得到100:1的选择比；而HBr与氯气、氧气的混合气体，则可提高刻蚀速率。而且卤素气体与硅的反应物淀积在侧墙上，可起到保护作用，形成很好的刻蚀剖面。金属刻蚀主要是互连线及多层金属布线的刻蚀，刻蚀有以下要求：高刻蚀速率（大于1000nm/min）；高选择比；搞得刻蚀均匀性；关键尺寸控制好；无等离子体损伤；残留污染物少；不会腐蚀金属。4.7 去胶腐蚀完毕必须将光刻胶去胶，这一道工序叫去胶。如图4-7去胶示意图，常用去胶方法有溶剂去胶、氧化去胶和等离子去胶。刻过程中作为从掩膜版到wafer的图形转移媒介以及刻蚀时不需刻蚀区域的保护膜。刻蚀完成后，光刻胶已经不再有用，需要彻底除掉，这一工序就是去胶，常用去胶方法有溶剂去胶、氧化去胶以及等离子去胶三种。图4-7 去胶示意图5光刻质量分析光刻是集成电路制造中最重要的环节，也就是产品的合格率关键在于光刻的质量。因此，发生在光刻中的质量问题必须认真对待。光剂中出现的质量问题很多，造成质量问题原因很多，在此只讨论一些质量问题。可参照表5-1。表5-1 质量分析质量参数缺陷类型光刻胶粘附性光刻胶脱落光刻胶覆盖wafer的质量问题光刻胶中有针孔光刻胶的回溅光刻胶起皮光刻胶膜厚度光刻胶的厚度不在控制范围内，光刻胶膜厚度不均匀5.1 溶胶在显影或刻蚀时，硅片表面上的胶膜会起皱。呈桔皮状态或大面积胶膜脱落。这种现象称为溶胶（或胶脱胶）。出现这种现象的原因如下：（1）操作环境温度过大当操作室内空气中的水分较多时，二氧化硅很容易将水吸到表面，造成胶膜与硅片表面粘附不好，在显影时就产生溶胶。因此，操作室内必须保持干燥，甩胶盘内必须干燥。有人尝试在涂胶前涂一层HMDS之类的增粘剂，结果效果十分明显。（2）硅片面膜上不干净硅片表面生长的SiO2、Si3N4、多晶硅，由于表面不干净，那么与光刻胶粘附力下降，造成了溶胶。（3）前烘不足或过度前烘不足、胶膜内还留有溶剂未挥发掉，显影时会造成溶胶。但是前烘过度、胶膜硬化、抗蚀力下降，也会出现溶胶现象。（4）曝光或显影不合适曝光时间不足，胶膜的光化反应没有进行完全就浸入显影液中，会造成胶膜溶解引起溶胶。显影时间过长，胶膜会软化。显影液从底部浸入，引起胶原脱落。5.2 小岛小岛是指在应该将氧化层刻蚀干净的光刻窗口内，还留有没有刻蚀干净的氧化局部区域，形成状不规则，习惯上称为小岛。小岛的存在，使扩散区域的局部点有氧化层，阻碍了杂质在该处的扩散而形成异常区，造成器件击穿特性变坏，反向漏电增加，甚至极间穿通。光刻中产生小岛的原因有：（1）掩模版图形上的针孔或损伤，在暴光时形成漏光点，使该处的光刻胶模感光交联，保护了氧化层不被腐蚀，形成小岛。对这种情况，可在光刻腐蚀后，易版或移位再进行一次套刻，以减少或消除小岛。（2）暴光过度或光刻胶变质失效，以及显影不足，局部区域光刻胶在显影时溶解不净。（3）氧化层表面有局部耐腐蚀物质，如硼硅玻璃等。（4）腐蚀液不干净，存在阻碍腐蚀作用的脏物。因此必须定期更换新的腐蚀液。5.3 针孔在光刻图形外面的氧化层上，经光刻后会出现直径为微米数量级的小孔洞，称为针孔。针孔的存在，将使氧化层不能有效地起到杂质扩散的掩蔽作用和绝缘作用。在平面器件生产中，尤其对集成电路和大功率器件，氧化层针孔是影响成品率的主要因素。例如，光刻集成电路隔离槽时，在隔离区上的针孔经隔离扩散后会形成P型管道，将使晶体管的集电结结面不平整，甚至造成基区与村底路。对于大功率平面晶体官，光刻引线孔时，在延伸电极处的SIO2，膜上产生针孔，则会造成金属化电极与集电区之间的短路，因此，在大功率晶体管和集成电路产生中，往往在刻引线孔之后，进行低温沉积SIO2，然后套引线孔，以减少氧化层针孔。光刻时产生针孔的原因有：（1）光刻掩膜版上有黑斑，阻挡了光线照射，使该区域上的胶膜未曝光，而被显影液溶解，经刻蚀以后形成了针孔。（2）操作过程中尘埃沾污，特别是在涂胶过程中尘埃落到了胶表面，这样就起了阻挡光线的作用，形成针孔。（3）感光剂中有颗粒状物质或灰尘，或者胶太稀薄，转速太快，使得胶膜过于薄而出现面积较大的针孔。（4）硅片表面的质量不好，有颗粒凹坑，也会形成针孔。（5）曝光不当，光刻胶聚合反应不完全，成曝光时间过长，发生皱胶、腐蚀时掩膜失效，形成了针孔。在生产中，要想得到一个针孔少的二氧化硅表面，一定要提高工作室的洁净度、对压力、温度、湿度都有严格的规定。同时对掩膜版的质量要监控好。至于涂胶速度、曝光时间都要好好把握。6、 总结 光刻技术作为半导体及其相关产业发展和进步的关键技术之一。二氧化硅膜作为选择性扩散的掩蔽膜，也就是说，将需要扩散的区域上的二氧化硅层去掉，而不需要扩散的区域上的二氧化硅层依然保留着。完成这一项任务，就是要利用光刻技术来完成。每一种半导体器件都需要进行多次光刻，较复杂的集成电路光刻的次数更多。30多年以来，集成电路技术的发展始终是随着光刻技术的不断创新所推进的。参考文献1李乃平.微电子器件工艺.武汉：华中理工大学出版社，19952叶良修.半导体物理学.北京：高等教育出版社，19833万象.半导体器件制造工艺.北京：中国劳动出版社，19954 PLU MMER J D. 硅超大规模集成电路工艺技术M . 北京:电子工业出版社,20045庄同曾. 集成电路制造技术原理与实践M . 北京:电子工业出版社,1992.6丁玉成,刘红忠,卢秉恒,李涤尘.下一代光刻技术压印光刻J.机械工程学报,2007,(03)7蒋文波,胡松.无掩模光刻技术研究J. 微细加工技术,2008,(04).8 本刊编辑部.向商业化迈进的极紫外(EUV)光刻技术J.电子工业专用设备,2009,(04)9 王美玲.吕之圣.科技信息-2008年7期