光刻工艺在线视频

首先介绍光刻工艺

光刻工艺就是将光刻掩膜板上的图形

转移到光刻胶上

得到光刻胶图形

然后以光刻胶图形

做为刻蚀工艺和掺杂工艺的掩膜

或复制工艺的模具

再将光刻胶图形转移到要加工的材料上

得到我们所要加工的微结构

由此可见

光刻工艺是微结构从设计到实现的关键环节

不仅要满足图形分辨率和转移精度的要求

还要满足作为掩膜或模具的性能要求

我们先来看光刻工艺的基本过程

首先要对衬底进行表面处理

形成干燥 疏水的表面

增强光刻胶和衬底之间的粘附性

然后旋涂光刻胶

使光刻胶均匀 牢固地覆盖在衬底表面

并满足厚度要求

之后进行烘烤

以去除光刻胶中的溶剂

消除胶层内应力

这一步称为前烘或软烘

之后就是在光刻机上进行对准和曝光

在光刻胶上形成对显影液易溶解和难溶解的区域

曝光之后一般还要再进行一次烘烤

以减轻驻波效应

这一步称为后烘

然后利用化学显影液

溶解掉由曝光造成的光刻胶的可溶解区域

得到光刻胶图形

显影之后要进行一次烘烤

以消除显影过程中带来的水分

并增强光刻胶的粘附性和抗刻蚀性

这一步称为坚膜

最后一步是镜检

检验光刻胶图形的质量

以决定光刻是否成功

光刻工艺的第一个基本要素就是光刻胶

光刻胶是树脂型聚合物

具有抗刻蚀性

为了便于旋涂

需要将其溶解在溶剂中形成胶水

光刻胶中还添加光活性物质

用以控制聚合物对曝光波长的感光度

除此之外 一般还有其他一些添加剂

光刻胶根据曝光原理不同

分为正胶和负胶

正胶是长链分子的聚合物

长链分子因光照被截断成短链分子

负胶是短链分子的聚合物

短链分子因光照而交联成为长链分子

短链分子聚合物可以被显影液溶解掉

因此显影后

正胶的曝光部分被去除

而负胶的曝光部分则被保留

也就是说同样的掩膜板

得到的正胶图形和负胶图形是相反的

光刻工艺的第二个基本要素是光刻掩膜板

光刻掩膜板是在石英或玻璃等透明基板上

制备了包含透光和不透光部分的图案

分别用于透过和遮挡曝光波长

制备掩膜图案的材料一般是铬 氧化铬

或氧化铁等金属和金属氧化物薄膜

厚度几十到几百纳米

光刻掩膜板也是用平面加工技术制作出来的

不同的是

掩膜板的光刻采用的是直写曝光技术

一般的曝光技术是通过掩膜板对光刻胶进行曝光

而直写曝光技术就是不通过掩膜板

直接对光刻胶进行图形化曝光

光刻掩膜板的制备过程是

首先进行版图设计

得到版图文件

然后将版图文件转化为曝光光束的控制信号

涂敷光刻胶

曝光光束为聚焦的激光束或电子束

在光刻胶上方扫描

根据控制信号对特定区域进行逐点曝光

显影后得到光刻胶图形

通过刻蚀或剥离的方法

将光刻胶图形转移到掩膜材料上

最后检验图形质量是否合格

光刻工艺的第三个基本要素就是光刻机

在光刻机上进行对准和曝光

平面加工技术是把三维微系统

分解为若干平面图形

依次加工而成

图形之间存在严格的对准关系

那么图形之间的对准

在加工过程中是如何实现的呢

我们设计的平面图形

通过刚才讲的制版工艺

制作在光刻掩膜板上

掩膜板上除了结构图形外

还包含各种对准标记

所以每次光刻都会在衬底上留下对准标记

依靠本次光刻掩膜板上的对准标记

与上次光刻在衬底上留下的对准标记之间的套准

来实现两个平面图形之间的对准

具体来说

就是利用光刻机承片台上方的显微镜

观察掩膜板上的对准标记

显示在监视器上

然后把硅片载入承片台

监视器显示硅片正面的对准标记

调整硅片的方位

直到在监视器上观察到硅片上的对准标记

与掩膜板上的对准标记套准

然后再进行曝光

这样就实现了这次曝光的图形

与上次曝光的图形之间的对准

微电子技术一般只需要在硅片的一面进行加工

而MEMS经常需要双面加工

因此需要进行双面对准

具体方法是

光刻机承片台下方也有观察对准的显微镜

利用承片台下方的显微镜

观察掩膜板上的对准标记

显示在监视器上

然后把硅片载入承片台

硅片正面是要曝光的光刻胶

背面是已经加工好的图形

监视器显示硅片背面的对准标记

调整硅片的方位

使硅片背面的对准标记

与掩膜板上的对准标记套准

然后对正面的光刻胶进行曝光

这样就实现了硅片正反面结构的对准

曝光实际上是将掩膜板图形成像在光刻胶上

根据衍射光学成像原理

物体的像是光源被物体衍射形成的衍射光

被收集到像面所形成的图像

图像与物体的接近程度

取决于衍射光的被收集的程度

那么曝光就是光源被掩膜板图形衍射后

再被收集到光刻胶上

根据收集系统的不同分为三种曝光方式

接触式 接近式 投影式

接触式曝光就是掩膜板与光刻胶直接接触

衍射光被全部收集

并且光强分布没有改变

因此分辨率最高

系统结构也最简单

但掩膜板与光刻胶直接接触

容易造成掩膜板和光刻胶层的损伤

影响掩膜板的使用寿命

接近式曝光就是掩膜板与光刻胶之间有微小距离

这样能避免损伤掩膜板和光刻胶层

延长掩膜板寿命

但是会导致光强分布失真

分辨率降低

投影式曝光的掩膜板与光刻胶距离较远

需要用物镜来收集衍射光

由于物镜孔径有限

高级次衍射光不能被收集

导致分辨率降低

接触式和接近式曝光都是1:1成像的

而投影式曝光可以缩小成像

缩小成像方式的第一个好处

是可以放大掩膜板图形

从而提高曝光分辨率

降低掩膜板的制造难度和制造成本

另外缩小成像意味着成像视场减小

因而对硅片的表面平整度要求降低

对于大尺寸的硅片

可以通过步进扫描的方式完成对整个硅片的曝光

采用这种技术的光刻机

称为步进式光刻机 Stepper

由于包含投影成像系统和步进扫描控制系统

步进式光刻机的结构非常复杂

成本也非常高

接近式曝光满足菲涅尔近场衍射条件

曝光分辨率可以用这个公式表示

这里w是图形展宽量

λ是曝光波长

z是掩膜板与光刻胶之间的距离

k是与曝光系统有关的常数

可见掩膜板与光刻胶距离越小

曝光波长越短 分辨率越高

投影式曝光满足夫琅禾费远场衍射条件

曝光分辨率可以用这个公式表示

这里R是衍射斑半径

λ是曝光波长

NA是物镜数值孔径

k是与曝光系统有关的常数

从这里可以看到

提高分辨率有三种主要途径

缩短曝光波长

增大数值孔径

减小k系数

缩短曝光波长就是采用各种短波长曝光技术

增大数值孔径有哪些途径呢

一是增大物镜的光学孔径

但是孔径增大像差会迅速增大

为校正像差

光学系统会变得非常复杂

二是增大曝光光束的入射角

但入射角增大会引起偏振损失

三是增大物镜与光刻胶之间的介质折射率

一般情况下物镜与光刻胶之间的介质是空气

如果填充高折射率的液体

就是所谓的浸没式曝光技术

浸没式曝光技术

是提高曝光分辨率的一种成熟的技术

除此之外

还有减小k系数的一些分辨率增强技术

比如空间滤波技术

离轴照明技术 移相掩膜技术等

无论是微电子技术还是MEMS

提高光刻分辨率的主要途径都是缩短曝光波长

早期的光学曝光采用的是汞灯光源

汞灯是一种宽光谱光源

可以提供从可见光到紫外的多个谱峰

其中436nm的谱峰称为G线

365nm的谱峰称为I线

可以实现1微米和0.35微米的曝光

更短波长的深紫外曝光

主要采用准分子激光器

目前技术最成熟

性能最稳定的主要有两种

一种是用氟化氪KrF气体的准分子激光器

波长为248nm

另一种是采用氟化氩ArF气体的准分子激光器

波长为193nm

200nm以下的光学曝光系统很难实现

因为几乎所有的材料对于波长小于200nm的光波

都有强烈的吸收

难以找到合适的透镜 掩膜和光刻胶材料

因此实现纳米级的曝光分辨率

就要开发非光学曝光技术

主要包括极紫外 X射线和电子束曝光技术

在MEMS加工中

紫外到深紫外的光学曝光技术

可以满足绝大多数微结构加工的需要

X射线曝光技术主要用于MEMS加工技术中的

一种特殊工艺 LIGA工艺

电子束曝光技术

主要用在光刻掩膜板的制版工艺中

光刻的目的是得到光刻胶图形

MEMS加工需要将光刻胶图形转移到材料上

得到微结构

图形转移的第一种方法是刻蚀法

这时光刻胶图形作为刻蚀的掩蔽层

作为刻蚀掩蔽层的光刻胶图形

必须要有高的图形分辨率和抗刻蚀性

显然光刻胶越薄 图形分辨率越高

但光刻胶变薄 抗刻蚀性降低

此外做为刻蚀掩蔽层的光刻胶图形

还要对衬底有良好的粘附性

并且能够承受刻蚀的工艺条件

在光刻工艺的步骤中

显影后的坚膜

对于提高光刻胶图形的抗刻蚀性和粘附性非常重要

坚膜是一种加热烘烤工艺

适当的加热可以使光刻胶局部流动

从而消除光刻胶中的针孔缺陷

提高抗刻蚀性

但是加热过度可能会造成图形变形

降低图形转移精度

图形转移的第二种方法是剥离法

加工金属薄膜结构时常采用这种方法

在光刻胶图形上沉积金属薄膜

溶解掉光刻胶以后

光刻胶上的金属薄膜随光刻胶一起被剥离

而留在衬底上的薄膜就是要得到的微结构

从这里可以看到

想要剥离成功

沉积在光刻胶上的薄膜与沉积在衬底上的薄膜

必须是不连续的

这就要求薄膜只沿垂直方向沉积

薄膜厚度远小于光刻胶厚度

并且光刻胶侧壁呈正八字形倾斜

但是因为光刻胶有一定厚度

由于光刻胶对曝光光能的吸收作用

曝光区域沿厚度变窄

如果是正胶

曝光区域被显影掉

得到的光刻胶图形侧壁是倒八字形状

而负胶是未曝光的区域被显影掉

可以得到正八字形侧壁的光刻胶图形

但负胶存在显影膨胀 残胶等问题

在某些情况下不能采用

有一类正胶通过反转曝光技术

可以得到负胶的曝光效果

称为反转曝光技术

通过掩膜板曝光后

进行一次反转烘

然后再进行一次泛曝光

显影后得到负胶的曝光效果

图形转移的第三种方法是模型复制法

一般用于加工聚合物材料

以光刻胶图形作为印章或模具

然后利用压印或注塑等方法

将光刻胶图形转移到材料上

作为印章或模具的光刻胶图形

通常满足厚度和机械强度的要求

LIGA工艺是基于模型复制的一种MEMS加工技术

LIGA是德语光刻 电铸和注塑复制的首字母缩写

分为X射线LIGA和紫外LIGA

目前有两类光刻胶可用于LIGA技术

一种是基于酚醛清漆的传统正胶

由于不具备足够的机械强度

因此不能直接用来做模具

基于正胶的LIGA技术是这样的

X射线或紫外线对一定厚度的正胶进行曝光

显影后得到光刻胶图形

然后利用金属电铸来填充光刻胶图形

去除光刻胶后得到金属模具

再用金属模具来复制结构

另一种是基于环氧树脂的新型光刻胶

称为SU-8胶

它是一种负胶

曝光后具有很好的机械强度

可以直接作为模具

基于SU-8胶的LIGA技术是这样的

用X射线或紫外线对一定厚度的SU-8胶进行曝光

显影后得到的光刻胶图形

直接作为模具来复制结构

另一种基于复制转移的MEMS加工技术是软光刻技术

主要用于在PDMS或硅胶一类的弹胶性聚合物上

制作微流道或微浮雕结构

是微流控芯片常用的加工方法

一般步骤是采用SU-8胶

在硅或其他平面衬底上进行光刻

得到光刻胶图形

作为模具或母版

为了脱模容易

通常需要对模具表面进行防粘连处理

然后将PDMS与固化剂混合

倾注于母版表面并进行固化

固化后将PDMS脱模

最后将具有母版图案的PDMS片

与另一个基片进行键合