声表面波器件工艺原理-3光刻工艺原理.pdf

声表面波工艺原理 第三章 光刻工艺原理 Page 1 of 20 三，声表器件光刻工艺原理：目录：（一）光刻胶：1，正性光刻胶 2，负性光刻胶 3，光刻胶的性质（二）光刻工艺原理（湿法）：1，匀胶：1）匀胶方法 2）粘附性 3）光刻胶的厚度 4）膜厚均匀性 5）对胶面要求 6）注意事项 2，前烘：1）前烘目的 2）对前烘温度和时间的选择 3）前烘方法 3，暴光：1）暴光目的 2）暴光技术简介 3）暴光条件选择 4）暴光不良原因 4，显影：1）显影目的 2）显影方法 3）影响显影质量的因素 4）常见问题 5）其它 5，坚膜：1）坚膜目的 2）坚膜方法 3）问题讨论 6，腐蚀：1）腐蚀目的 2）腐蚀因子 3）腐蚀方法 4）影响因素 5）注意事项 7，去胶：1）去胶目的 2）去胶方法 3）注意事项 8，问题分析：1）光刻分辨率 2）控制光刻线宽的方法 3）浮胶 4）毛刺及钻蚀 5）小岛 6）针孔 9，小结（光刻各工序需控制的工艺参数）（三）光刻工艺原理（干法）简介：1，干法腐蚀原理：1）等离子体腐蚀 2）离子腐蚀 3）反应离子腐蚀 2，干法工艺：1）干法显影 2）铝的干法刻蚀 3）干法去胶（四）金属剥离工艺简介：1）剥离工艺特点 2）剥离技术 3）有关问题（五）微细光刻技术简介：1）抗蚀剂 2）暴光技术 3）刻蚀技术 4）问题及原因 序：光刻是 SAW 器件制造的关键工艺，是一种复印图象同化学腐蚀相结合的综合技术。它先采用照相复印的方法，将光刻版上的图形精确的复印在涂有感光胶的金属膜层上，然后利用光刻胶的保护作用，对金属层进行选择性化学腐蚀，从而在金属层上得到与光刻版相应的图形，并要求图形线条陡直、无钻蚀、无断条和连指等。影响光刻质量的因素很多，除暴光技术外，还有掩膜版、金属膜、光刻胶等的质量以及操作技术和环境条件等。实践表明，光刻质量对器件性能有很大影响，是生产中影响成品率的关键因素。（一）光刻胶：按光化学反应的不同，光刻胶大体可分为正性光刻胶和负性光刻胶两类。1，正性光刻胶：它的特点是原来的胶膜不能被某些溶剂溶解，当受适当波长光照射后发生光分解反应，切断树脂聚合体主链和从链之间的联系，使其变为可溶性物质。因此当用正胶光刻时，可在基片表面得到与光刻版遮光图案完全相同的光刻胶图形，方向相差 180 度。正性胶分辨率较高，对一些常用金属表面有较好粘附性；但与负胶相比，其稳定性和抗蚀能力较差。目前常用的正性胶为 DQN 和 PMMA。1）DQN：DQN 是一种近紫外 NUV（365、435nm）光刻胶，主要由感光剂 DQ、基体 材料 N 和溶剂组成。通常使用的基体材料是酸催化酚醛树脂，具有良好的成膜性和耐磨性，能溶于碱溶液和许多普通溶剂；感光剂 DQ（邻叠氮醌化合物）如同基体材料 N 在碱溶液中溶解的抑制剂，当在基体 N 中加入 20-50%的 DQ，混合物（光刻胶）将变为不可溶；溶剂是用来溶解感光剂和基体材料、同时又易挥发的液体，由于溶剂的用量决定光刻胶的黏度（黏度也与温度有关），从而影响光刻胶的涂敷厚度，而厚度又与光聚合反应所需暴光量有关，与胶膜的分辨率有关，所以对溶剂用量的控制也十分重要。DQN 感光机理是，经近紫外光照射，感光剂发生分解，并重新组合为乙烯酮，乙烯酮和空气中的水气反应，产生酸性基，酸性基可与碱性溶液发生中和反应，使不溶性光刻胶可溶声表面波工艺原理 第三章 光刻工艺原理 Page 2 of 20 于碱溶液，而未经暴光的光刻胶仍为不可溶。我们常用的美国 AE-1350 系列，北化的 202、205、212，上试一厂的 702，703 等都属该类光刻胶。2）PMMA：主要成分是甲基丙烯酸脂及其衍生物。其感光机理是，PMMA 在深紫外光（DUV）照射下，聚合体发生断链降解，分子量迅速降低，变为可被碱溶液溶解的物质，有资料介绍，暴光后的光刻胶在显影时的溶解度几乎十倍于没暴光的光刻胶。PMMA 对波长 220nm 的光最敏感，而对波长大于 240nm 的光完全不敏感，通过添加光敏剂，如 t-丁基苯酸，可使其紫外光谱吸收率增加。PMMA 常用于深紫外暴光，电子束光刻、离子束光刻、X 射线光刻。2，负性光刻胶：它的特点是原来的胶膜可被某些溶剂溶解，当受适当波长照射后，发生光聚合或交联反应，使其键结成高分子聚合物，变为不可溶物质。因此当用负胶光刻时，可在基片表面得到与光刻版遮光图案完全相反的光刻胶图形，方向也相差 180 度。负性光刻胶一般由感光剂（光致抗蚀剂）、溶剂和增感剂组成。感光剂是对光敏感的高分子化合物，受光照射后，能吸收一定波长的光能量，发生交联、聚合等光化学反应，使光刻胶改变性质。增感剂在光化学反应时起催化或引发作用，当用适当光源照射时，增感剂分子能在比感光剂响应波长更长一些的光谱范围吸收能量，并与感光剂分子进行能量转移，从而加快感光剂光聚合速度，提高感光度；但是在光刻胶中，感光剂也不宜过多，因为当感光度已达饱和，多余的感光剂会使胶质变脆，减弱胶的抗蚀能力。溶剂是用来溶解感光剂和增感剂、同时又易挥发的液体，其用量与暴光量及胶膜的分辨率密切相关。负性胶有较强的抗蚀能力和稳定性，但因暴光形成的高分子聚合物会吸收显影液引起胶膜溶胀及在聚合过程中所发生的氧化反应的影响，使其分辨率较低。下面介绍几种常用的负性胶。1）聚肉桂酸脂类：属该类树脂的有聚乙烯醇肉桂酸脂、肉桂酸纤维素等，是线性高分 子聚合物，纤维状固体，能溶于甲苯、氯苯（芳香族溶剂）、丙酮、丁酮（脂肪族溶剂）、环已酮、环乙烷（脂环族溶剂）等溶剂。在紫外线照射下，其分子侧链上的肉桂酸基中的一个双键被打开，与相邻的肉桂酸基相互结合形成交联键，这就是光化学聚合反应，它使线状结构的分子变成三维架桥式的网状结构，成为不溶于有机溶剂也不受酸影响的物质（由于其交联键在强酸强碱作用下易断开，所以该类光刻胶不能经受强酸碱腐蚀）。聚肉桂酸脂类感光树脂的光谱吸收范围在 230-340nm，添加增感剂可使其感光波长达到 450nm，具有实用价值；常用的增感剂主要是硝基有机化合物，如 5-硝基苊等，常用的溶剂是环已酮。聚肉桂酸脂类光刻胶是研究使用最早的光刻胶品种，如北化的 103 胶，上海化学试剂厂的上试 1 号，美国柯达光致抗试蚀剂（KPR），日本东京应化光致抗试蚀剂（TPR）等，都是以聚乙烯醇肉桂酸脂为基础的光刻胶。2）聚脂类：聚脂类感光树脂系二元醇和二元酸的缩聚产物，在这类树脂分子侧链上带 着含有共轭双键的感光性官能团，因此具有较强的感光性；在其分子主链上含有极性基团，因而对二氧化硅、铝有较好粘附性。聚脂类感光树脂的增感作用和光化学反应机理与聚肉桂酸脂相似，其溶剂为氯仿、酮类，增感剂为硝基有机化合物。3）环化橡胶类(聚烃类-双叠氮系)：它主要有天然或人造橡胶制成，主要成分是顺式聚 乙戊二烯。把这种橡胶溶于适当的溶剂（如二甲苯），并加入环化结构催化剂（如氟化硼），加一定温度环化后，链状结构的顺式聚乙戊二烯就变成了环状结构，其耐磨性、粘附性和抗蚀性都得到显著提高。在光照下，环化的橡胶分子通过交联剂（双叠氮化合物，起光化学反应交连作用）交联形成网状分子结构，成为不溶性聚合物。由于在光照时，同时发生的氧化反应是聚合交连的竞争反应，所以该胶具有一定的厌氧性。双叠氮化合物感光范围260-400nm，对常用光源是合适的，添加适宜的增感剂（二苯甲酮），可出现新的吸收峰，使感光度提高。该类光刻胶和金属衬底粘附能力强，耐腐蚀性强，因而得到广泛应用；美国声表面波工艺原理 第三章 光刻工艺原理 Page 3 of 20 柯达（KMER），日本应化（OMR），北化 302 胶都属该类型。3，光刻胶的性质：光刻胶性能好坏对光刻质量影响很大，常用感光度、分辨率、抗蚀性、粘附能力和针孔密度等指标来衡量光刻胶的优劣。1）感光度：是用来表征光刻胶对光敏感度的性能指标。感光度不同，表示它对光的敏 感程度不同，即光化学反应所需暴光量不同。感光度（S）可用暴光时使光刻胶发生光化学反应所需的最小暴光量（E）的倒数表示：S=k/E （式中为常数，的单位：勒克斯 秒）暴光量（E）等于光强（I）与暴光时间（t）的乘积，故 E 又可表示为：E=k/（I t）由于光刻胶对不同波长的光源敏感程度不同，因此感光度与光刻胶的光谱响应、及所用光源的光谱成分有关。为改善光刻胶的感光性，增大其感光范围，往往需要加入适当适量的增感剂。在光刻过程中，当确定了光刻胶后，必须选用合适的光源，才能有满意的效果。影响感光度的因素很多，与光刻胶本身有关的因素在此不议，这里主要介绍光刻工艺条件对感光度的影响：a）干燥（前烘）条件的影响：以 KPR-2 胶为例，在空气中干燥 30，比在 100 热板上干燥 2的感光度小许多；在 100 热板上干燥 2，感光度即达到最大值，时间再增加，感光度不变。试验说明，当溶剂完全从胶中去除后，感光度即达一定值，感光度与溶剂去除程度有关。因此要仔细控制好前烘，以达最佳感光度。b）胶膜厚度的影响：胶厚不同，感光度不同。以 KTFR 胶为例，厚度在 12-23m 之间，感光度无变化，当厚度为 08-06m 时，感光度显著下降。此外，厚度对感光度的影响还与衬底有无反射、光刻胶对光的吸收等因素有关。c）暴光的影响：在暴光过程中，光强对感光度通常无影响；但对氧敏感的光刻胶在空气中暴光时，由于氧的影响（胶的氧化会减弱胶的光聚合作用），当用较弱的光暴光时，感光度明显下降。2）分辨率：它是表示光刻精度的标志之一。它不仅与光刻胶本身有关，还与光刻工艺条件和操作技术等因素有关，如掩膜版的质量，光源的状况，暴光量的大小，暴光光线的平行度，光刻胶的厚度，基片粘附程度，显影液、腐蚀液的配比及显影、腐蚀的温度、时间，前烘、坚膜的温度、时间，以及光的衍射、铝膜的反射等等。分辨率通常是以每毫米最多可容纳的线条数来表示。若可分辨的条宽为 W/2，而条与条的间距也为 W/2 时，则分辨率为 1/W（条线/毫米）。3）留膜率：留膜率直接影响光刻质量，习惯上常用显影前后的光刻胶膜厚之比值表示留膜率。留膜率（%）=显影后的胶膜厚度（坚膜后）/显影前的胶膜厚度（前烘后）不同类型的光刻胶，留膜率不同；负性胶一般低于 85%，正性胶大于 90%。影响留膜率的因素还与光刻工艺条件选择有关，如前烘条件，暴光时间及显影条件（显影液配比、浓度、显影时间）等。4）针孔密度：单位面积的光刻胶膜上的针孔数。它反应了光刻胶各种外在因素（例如颗粒等）及内在组分，直接影响光刻质量。5）黏度、固态含有率：温度、黏度和固态含有率是影响涂胶厚度的重要因素。胶黏度越大（即越稠），在相同条件下，所得胶膜越厚；温度高、固态含有率低，胶的黏度变小。此外，固态含有率不仅通过黏度影响胶厚，它本身对膜厚也有直接影响，固态含有率大，胶膜干燥后就厚；但固态含有率增大，影响分辨率的提高，为达到一定分辨率，要求膜厚及前烘条件必须与胶的黏度及固态含有率相适应，以达最佳效果。6）抗蚀性：是指光刻胶耐酸、碱腐蚀及等离子腐蚀的能力。在湿法腐蚀时，光刻胶膜只声表面波工艺原理 第三章 光刻工艺原理 Page 4 of 20 有在针孔密度小、粘附性能好的情况下，才有好的抗蚀能力，对负性胶而言，橡胶系光刻胶性能较优，而正性胶抗湿法腐蚀能力就较差。但在干法等离子腐蚀中，要求光刻胶与被腐蚀物之间有较高的选择比（即被腐蚀材料与胶膜减薄量之比），正性胶就较优。目前使用的光刻胶，分辨率与抗蚀性常相矛盾；此外同种胶配比不同，两个指标也有差别；应根据需要进行选择。7）稳定性：要求常温时光刻胶在光（主要是紫外光）屏蔽的情况下，即使加入增感剂也不发生暗反应；若进行烘烤干燥，加热到一定温度时也不发生热交联。一般情况下，负胶稳定性比正胶好。为提高胶的稳定性，可加入一定量的抗氧化剂或能抑制活性基团自发反应能力的稳定剂。8）粘附能力；光刻胶膜与衬底粘附的牢固程度直接影响光刻精度（如显影时图形尺寸是否变化，腐蚀时是否浮胶和钻蚀）。影响粘附能力的因素很多，它不仅与胶本身性质有关，而且与衬底的性质和表面状态有关（如衬底分子与胶分子相互作用的亲和力，衬底表面的亲、疏水性及清洁程度等）。以上对光刻胶感光机理及性能作简单描述，不同感光胶性能各异，我们可以根据工艺要求予以选择。（二）光刻工艺原理（湿法）：光刻过程中的每一步骤对光刻质量都有直接影响，因此必须选择合适的工艺条件，严格操作，来保证刻蚀图形正确、清晰，无钻蚀、毛刺、小岛等缺陷。光刻工艺步骤：匀胶前烘暴光烘烤显影坚膜去底膜-腐蚀去胶。1，匀胶：它是将感光胶涂布在待光刻的基片表面。要求涂布的胶层粘附良好，洁净，均匀，无 针孔，胶膜厚度要符合工艺要求。1）匀胶方法：目前国内外常采用自转涂胶法（转速可在每分钟几千转到每分钟上万转 之间调整）。它是让滴上胶后的基片先低速旋转，使胶在基片表面匀开，紧接着高速旋转（转速要在很短时间内达到设定值，且转速均匀），在离心力及表面张力作用下，胶向四周飞溅，剩余的胶则均匀分布在基片表面，以此得到均匀的具有一定厚度的感光胶层。2）粘附性：光刻胶与铝膜之间的粘附情况直接影响光刻质量。如边沿钻蚀、针孔，严 重的会造成浮胶，使图形全部损坏。影响粘附性的因素主要有：a）不同的光刻胶对不同的刻蚀材料的粘附性不同；同类型光刻胶因配比不同，其粘附性 也有差异。如减少光刻胶的固态含有率和在胶中加入适量的表面活性剂，即可改善其粘附性。目前我们常用的环化橡胶类感光胶以及一些正性胶对金属都有较好的粘附性。b）被刻蚀材料的表面性质影响光刻胶的粘附性。如平整致密的表面有利于胶的粘附（粗 糙的表面不利于吸附气体的排除），水接触角小的材料于胶的粘附不利。C）被刻蚀材料（金属膜）表面的清洁情况直接影响光刻胶的粘附。要尽量避免尘埃、油污、吸附气体对表面的污染。D）水气对胶的粘附性有较大影响。包括表面吸附的水气和涂胶环境中的水气。一般情况，水滴接触角大于 55时，就能保证粘附良好，为此，人们常采用匀胶前烘烤去气或使用表面处理剂如在表面涂六甲基乙硅氮烷（HMDS），来去除所吸附水分子，使表面由亲水性变为疏水性，改善粘附性。对匀胶环境的湿度要控制在 40%以下。（改善粘附性方法还有：如负胶用三氯乙烯/异丙醇1:1浸10秒，室温淋干，烘10分；正胶用二甲苯/苯基三氯硅烷200:1，5000 转/分，30 秒等）此外，光刻胶的涂敷、胶的厚度、前烘、暴光量、显影液配方、坚膜和腐蚀等对光刻胶与基片的粘附也有密切关系。3）光刻胶的厚度：对于选定的光刻胶而言，胶膜越薄，分辨率越高；在常规工艺中，声表面波工艺原理 第三章 光刻工艺原理 Page 5 of 20 对负胶来说，分辨率与暴光波长及胶厚有关，通常分辨率为胶厚的 34 倍。但胶太薄，针孔密度增加，而且当刻蚀深度较大时，需要有较厚的胶膜保护；所以对胶厚要按工艺需要选择。在生产中常从以下几个方面控制胶厚：a）改变光刻胶浓度：影响胶厚的主要因素是胶的黏度，黏度大，胶膜就厚。通常我们是 用胶的浓度来控制黏度。另外温度、湿度、固态含有率对胶的黏度都有较大影响，工作中不容忽视。b）用转速控制胶厚：初始转速越快，胶膜越薄。在选定胶厚及黏度时，常以 3000-4000 转/分为参考。c）采用多次涂胶：在多次涂胶时要注意，第一次涂胶后，必须按前烘条件烘烤，然后再二次涂胶，否则会得不到良好胶膜。d）胶厚与转速及固态含有率关系如下：T=KP2/S-1/2，式中 T：胶膜厚度，P：光刻胶固态含有率，S：转速，K：常数。（在光刻胶说明书中，提供有厚度、温度、黏度、转速的关系曲线，可以参照）4）膜厚均匀性：由于光刻胶越厚，分辨率越低，所以胶厚均匀性必然影响分辨率，此 外因膜厚不匀，使掩膜不能与片子很好接触，会造成图形失真，在进行细线条光刻时，均匀性尤为重要。膜厚均匀性主要决定于涂胶方法及设备。一般来说旋转法涂敷转速越大，旋转越平稳，膜厚越均匀。在实际工作中，可观察旋转时片子上光刻胶的干涉条纹，条纹越宽，条数越少，说明膜厚越均匀。通常要求膜厚偏差在10nm。5）对胶面要求：胶面洁净是保证光刻图形完整性的关键，尘埃不仅损坏图形，在接触 式暴光中还会损伤光刻版。影响胶面洁净的因素，除光刻胶本身外，主要是要提高生产环境的净化级别，要从细从严作好工艺卫生。如不要让手或其它物体从片子上方经过，不要让滴胶管前次留下的已干燥的胶块掉在片子表面等。6）注意事项：a）如条件许可，匀胶台转速要定期测定。b）由于涂胶前片子表面要保持非常洁净，所以一般情况下，当片子从蒸发台取出或清洗 处理后，应立即匀胶。如确需暂时存放，则应放在干燥洁净的容器中，并在匀胶前要进行热处理。若存放过久或光刻返工，就必须进行清洁处理，对刻铝片，一般采用甲苯、丙酮、乙醇超声，去离子水冲洗、烘干，再行涂胶；或采用丙酮水浴煮 15；或涂胶前将片子放入 65的 10%重铬酸钾溶液中 3；或用发烟硝酸浸泡等；可酌情选用。C）当使用大片时，低速旋转的速度和时间要选择得当，使滴在片子上的胶先均匀坦敷 在片子表面，然后再高速旋转，否则会影响匀胶质量。2，前烘：1）前烘目的：是指对涂敷了光刻胶的片子进行一定温度和时间的烘焙处理。使胶膜干 燥，增加胶膜的粘附性和耐磨性；促使光刻胶膜内溶剂充分挥发，使光刻胶暴光时反应充分，增强其抗蚀能力。此外它对显影速度、线宽控制等也都起一定作用。2）对前烘温度和时间选择：主要依赖于光刻胶性质和加热方式，具体条件由实验确定。a）前烘过量（温度高、时间长）的不良影响：*温度过高会使光刻胶翘曲硬化，使显影不净、分辨率降低以及图形被破坏。*温度过高或时间过长会使光刻胶发黑，失去抗蚀能力。*温度过高或时间过长会使光刻胶发生热交连，造成显影不净，影响光刻质量。*温度高、时间长会使胶中增感剂挥发过多，影响感光度，延长了暴光时间，严重时，甚至光刻胶不感光。*前烘时不能骤热。因为它会使胶面很快干燥，而内部溶剂没有蒸发，以后会因发泡引起针孔或使图形缺乏均匀性；骤热还会引起胶接触不好，在显影和腐蚀时会发生剥落（在胶膜声表面波工艺原理 第三章 光刻工艺原理 Page 6 of 20 厚时尤为显著）。b）前烘不足（温度低、时间短）除会造成粘版及胶附着力下降外，还有以下不良影响：*对负胶而言，温度过低或时间过短，由于胶中溶剂没能充分发挥，影响暴光时光刻 胶分子交连，轻则会使显影速度加快，对线宽控制不易；重则因部分胶（指暴光部位的胶）被溶解，会造成浮胶或图形变形。*使用正胶时，前烘不足，显影不稳定，时间长，易出现浮胶，甚至胶层全部脱落。另外前烘不当，有时会出现皱胶。对压电晶片，要特别注意，慢升温慢降温，以免裂片。c）前烘方法：有：恒温干燥箱烘烤；热板烘烤（将片子直接放在热板上或与热板留 1mm 左右间隙）；红外烘烤（让红外线从片子背面照射）；真空烘箱烘烤（有利于厌氧型光刻胶提高分辨率）；真空红外烘烤等。其中热板烘烤（自动匀胶设备配置的热板，温度梯度太大，不宜用于压电晶片）和红外烘烤为目前流行方法，其优点是：光刻胶的干燥是从片子和光刻胶的界面开始，使溶剂逐渐从内部向表面蒸发，前烘效果好。3，暴光：1）暴光目的：对已涂敷光刻胶的片子进行选择暴光，使暴光部分发生光化学反应，从 而改变其在显影液中的溶解度，通过显影，在胶膜上显现出与掩膜版相应的图形。由于声表器件多属一次暴光，只需在暴光前让基片的基准边和波的传播方向（即版上的图形）平行或垂直即可，除特殊要求外，无须套刻，所以在对准方面比 IC 光刻多次套刻简易许多。2）暴光技术简介：暴光是光刻中最关键的工艺。当前暴光的主要技术有：光学暴光，电子束暴光，X 射线暴光，离子束暴光等。由于掌握资料有限，对此仅作简单介绍。a）光学暴光：为提高分辨率，光学暴光波长不断缩小，由全光谱到近紫外 NUV(436nm、365nm)，再到深紫外 DUV(246nm、193nm)，所作最细线宽达 0.18 微米，一再突破人们预期的光学暴光极限。由于光学暴光的不断创新，使之仍为当前暴光的主流。光学暴光技术包括：接触/接近式紫外暴光技术，紫外投影暴光技术，远紫外（DUV）暴光技术等。*接触/接近式紫外暴光技术：接触/接近式紫外暴光是最简单的暴光方法，它是使基片表面的抗蚀剂与掩模版直接接触进行暴光（接触式），或是使抗蚀剂表面与掩膜版保持一定距离（10-50）进行暴光（接近式）。近似地取光波波长在抗蚀剂中和空气中一样，两种暴光方式的最小线宽 W 为：W=（3/2）（S+d/2）1/2，其中：为暴光波长，S 为抗蚀剂表面与掩模的距离，d 为抗蚀剂膜厚。由于受光衍射影响，实际线宽常是理论线宽的 2-5 倍。影响暴光线宽的主要因素：除受光的波长和衍射影响外，还受前烘温度、暴光能量、显影时间等影响。*紫外投影暴光技术：它是用光学投影方法把光刻版图形投影到基片使光刻胶暴光。其 优点是掩模版不被粘污、不受损伤；对准时不存在景深问题，对准精度高；减少掩模缺陷影响。1:1 全反射投影暴光：它是有一组凸凹球面反射镜构成的成像系统，光源发出的光线 透过掩模经多次反射在基片的抗蚀剂上成像。由于受光的衍射效应限制，暴光的实际分辨率最小线宽为：wmin=/1.28（NA）：暴光光源波长，NA：镜头数值孔径。1:1 全反射投影暴光实用线宽为 1.5-2，最高分辨率可达 1。缩小投影暴光技术：它是利用光学折射系统把中间掩模图形加以缩小后直接在基片上 分布重复精缩。常用的缩小率有 10:1、5:1、4:1 等；缩小倍率大时，掩模缺陷对基片图形影响小，但因像场较小，暴光时间长；缩小倍率小时，则相反。采用分布重复办法，在基片局部区域有较好平整度，可允许在小的像场中采用具有较高数值孔径的投影系统。举例:若 NA=4，当选用=405nm 时，能分辨的最小线宽是 0.78m，当选用=365 nm 时，能分辨的最小线宽是 0.55m。*远紫外（DUV）暴光技术：是由波长为 200-260nm 的远紫外光作光源的亚微米暴光技 声表面波工艺原理 第三章 光刻工艺原理 Page 7 of 20 术。它的感光机理为，在深紫外光照下，聚合体发生断裂，迅速低分子化，变为可被碱溶液溶解的物质。远紫外线波长短，衍射效应小，采用高分辨率的深紫外抗蚀剂；暴光形式有接触式/接近式及投影式，其中投影式远紫外线暴光最小线宽小于 1 微米，接触式的远紫外线暴光已能做到 0.13m 线条。常用的远紫外线暴光光源有重氢灯，高压水银弧光灯等，由于人造石英对远紫外透光率好（90%），故常被用来制作掩模。b）电子束暴光技术：具有一定能量的电子打到光刻胶上同样可以使光刻胶发生化学反应，从而改变光刻胶在显影液中的溶解度。电子束暴光所用抗蚀剂与远紫外暴光同，其感光机理也相同。它具有波长短（不受衍射影响），焦深长（不受表面粗糙程度影响），分辨率高等优点，但设备复杂，造价高。电子束暴光方式主要有扫描型和投影型。这两种形式均可实现亚微米加工，最小线宽可达 0.1 微米。*无掩模扫描电子束暴光：电子由电子枪产生，经加速器使电子获得较大能量，然后这些电子经电磁透镜聚焦，变成了很细的电子束，电子束再经磁偏转系统和通断装置的控制就可以在涂了光刻胶的基片上打出所要求的图形，达到暴光目的。它可直接在基片上做图，易于控制和修改灵活，但生产效率很低，常被用来制作暴光掩模及特殊器件生产。*电子束投影暴光：其原理与普通光学缩小投影暴光相似。它是高亮度电子源经电磁透镜聚焦产生电子束，对掩模进行均匀照射（掩模是 x 倍放大，是在低原子序数材料膜（氮化硅薄膜）上覆盖高原子序数材料层（钨栅）组成），在片子上形成缩小 x 倍的图形，然后再经过工作台步进实现大面积暴光。投影电子束暴光生产效率高，但掩模制作困难。c）X 射线暴光技术：属接近式暴光；掩模制作在对 X 射线半透明的衬底上。用聚焦电子束产生的 X 射线源照射掩模，掩模上用 X 射线吸收层组成的像投影到抗蚀剂模上，实现图象复印。该暴光技术特点是：分辨率高，最小线宽可达 0.03 微米；暴光不受衍射、反射干扰；衬底表面状况对结果影响不大。不利因素是：暴光时间长，掩模制作困难。X 射线波长：0.4-1.5nm；X 射线源：靶材料有：铜、铝、硅、钼、铑、钯等；X 射线掩模：掩模的吸收模必须很薄（200nm 左右），对 X 射线衰减大。掩模材料常用金。由于硅具有很高的导热性和可加工性，故衬底材料常用硅。d）离子束暴光技术：其原理与电子束暴光原理相似，主要区别在于用较重的离子代替电子，离子能量能被光刻胶充分吸收，故其能对多种光刻胶进行有效暴光，并减少了暴光时间；另外由于它质量较重，离子基本不在基片表面产生高能背散射电子，所以其分辨率仅与离子束的直径有关，而与临近效应无关。离子束暴光技术主要包括聚焦离子束暴光技术和离子束缩小投影暴光技术等。*聚焦离子束暴光技术：与无掩模扫描电子束暴光相似。它是利用液态镓离子源或气态氢离子源被电离后形成的离子流经电场加速后通过静电透镜聚焦成很细的离子束斑，由计算机控制偏转线圈实现在基片表面上扫描成像。该技术分辨率高，不需掩模，最小线宽为 0.03微米，但生产效率低。*离子束缩小投影暴光技术：它是由气体（氢或氦）离子源发出的离子通过多极静电离 子透镜投照于掩模并将图象缩小后聚焦于涂有抗蚀剂的片子上，进行暴光和步进重复操作。该技术具有分辨率高而焦深长，数值孔径小而视场大，衍射效应小，损伤小，效率高，对抗蚀剂厚度变化不敏感，工艺成本低等特点。目前已有公司用深紫外胶作出 0.05 微米的间隔线条。由于它是缩小暴光，需要 X 倍的硅膜镂孔掩模，面临应力和入射离子造成的发热及变形等许多问题需要解决。3）对暴光条件的选择（光学暴光）：暴光条件的选择实质是对暴光量的确定，它标志着 使光照部分的胶膜全部发生交链或分解所需要的能量。暴光量可表示为：E=It，其中 I：光强，t：时间。暴光量与光刻胶的种类、胶层厚度、光源（包括光谱、功率等）、光源与片子的距离等因声表面波工艺原理 第三章 光刻工艺原理 Page 8 of 20 素有关。在实际操作中，上述因素都基本固定，所以通常是以时间决定暴光量，而时间须经反复实验确定。一般认为短时间强暴光效果较好。a）暴光量不足（时间短）的危害：对负胶而言，暴光量不足则胶交链不充分，抗蚀性降低。显影时会出现聚合物肿胀，引起图形奇变；有时表面会呈现橘皮状、溶坑、或在边沿引起钻蚀；严重时则部分溶解而失去图形,引起浮胶。对正胶而言，暴光量不足则显影时间长，显影不易干净，严重时会得不到光刻图形。b）暴光量过度（时间长）的危害：对负胶而言，暴光量过度易产生底膜，分辨率降低，光刻条变宽，图形交连，严重时会使图形连成一片。对正胶而言，暴光量过度会显影过快，条宽边窄。c）提醒注意的是，光源在使用后期，由于功率和光谱会发生变化，此时必须增加暴光量 或更换新的光源。（附：当采用负胶时，暴光时间可适当长些；当使用正胶时，暴光时间可适当短些；以抵消横向腐蚀的影响。）4）引起暴光不良的因素：a）由于光刻胶对光的强烈吸收造成暴光不足。尤其膜厚时，大部分光能量被上层胶吸 收，使下层胶暴光不足。b）光反射影响：光刻胶所需暴光量与衬底表面是否反射有关。若衬底反射光波长在光 刻胶的吸收范围，则入射光反射光都能对光刻胶暴光；否则反射光对暴光无效，对此要予以注意。同时入射光和反射光会相互干涉，产生驻波效应，使与反射面相接触的光刻胶层可能暴光不足，影响光刻质量；显影前的后前烘能消除驻波的影响，原因是后前烘的热能促使因干涉造成的感光不均衡重新达到平衡。4，显影：1）显影目的：显影就是把暴光后的片子用显影液除去应去掉部分的光刻胶。要求显影 彻底，且图形清晰。2）显影方法：有浸渍法、喷雾法、蒸汽法等。目前多用浸渍法和喷雾法。但无论用什 么方法，都必须保证显影液及所用器皿干净。a）浸渍法：将暴光后的片子垂直（可减少底膜）或面向上（便于观察）依次放入多杯（两杯以上）显影液中显影，再依次放入多杯（两杯以上）漂洗液中漂洗；显影时要不断晃动片子以利显影，对图形上小部分胶要去掉的，可晃动很些，对图形上小部分胶要保留的，可晃动轻些。显影时间由胶膜厚薄、显影液温度和操作方法决定，该办法均匀性差，重复性差，显影不易控制，操作过程取决于操作者的经验。b）喷雾法：有槽式喷淋和自转喷雾。槽式喷淋每次可显多片，显影液循环使用并通过滤 膜过滤（滤膜孔径视光刻线条宽度而定）。自转喷雾法多在自动显影机上采用。需要注意的是：在自转喷雾显影时，如喷雾量小，时间短或自转速度不合适，会显影不净，在表面留下底膜；若一次不净，再显时，底膜会加重，这是因为氧或光的作用使残留的胶不易被溶解；所以尽量不要多次显影。c）显影后检查：显影后必须检查以确保显影质量。一般应检查：图形是否对准，暴光条件是否合适，图形边沿是否整齐，有无皱纹和胶面发黑，有无浮胶和表面划伤。如有不合格必须返工。3）影响显影质量的因素：显影质量主要表现于显影彻底，图形边沿整齐。在没感光处（正胶）或感光处（正胶），显影后不能残留光刻胶，否则在坚膜或腐蚀时，因感光（包括热感光）增加抗蚀性而影响腐蚀；而边沿不整齐在腐蚀时会产生钻蚀现象。a）对显影液的选择：不同光刻胶所用显影液不同。对显影液选择原则是，应对暴光后 需去掉部分的抗蚀剂溶解的快，且溶解度大；对需保留部分的抗蚀剂溶解度极小。另外要求显影液有害杂质少，毒性小。声表面波工艺原理 第三章 光刻工艺原理 Page 9 of 20 b）温度影响：显影液温度高，显影速度快，正胶表现更明显；但也有温度高而显影速度 慢的胶，如 AZ-1350，OFPR 等。要注意胶的使用说明。c）浓度影响：负胶采用有机溶剂或专用显影液，不存在浓度变化问题，但要注意按时 更换显影液，以免其中溶解光刻胶过多，影响显影速度。正胶采用碱性水溶液对显影速度影响较大，必须按规定配比，否则显影速度不宜控制。d）时间影响：显影时间随抗蚀剂种类、胶膜厚度和显影液种类及显影液温度不同而不同，而且一杯显影液使用前期和后期显影时间也不同。所以要根据实际情况选择和调整时间。*显影时间太短：会使显影不足。在没感光（负胶）和感光（正胶）面积内留下一层 不易观察出的光刻胶膜，在腐蚀时起保护作用，使腐蚀不彻底，会留下“小岛”铝层，若继续腐蚀，会引起铝条钻蚀。此外显影不足还会出现图形边沿厚度递减，影响光刻质量。*显影时间过长：由于显影时光刻胶发生软化、膨胀，显影液从基片表面向图形边沿渗 透，发生钻溶，使图形边沿变坏。有时会出现浮胶，胶膜皱起呈橘皮状，严重时则大片剥离，形成脱胶。4）常见问题：a）底膜：*在窄间距图形负胶光刻中，如暴光时间稍长，显影易产生底膜；若时间过长，底膜加 重，同时条宽变宽。*正胶光刻时，暴光不足，会显影不净产生底膜。*当选用 OMR-83 等类厌氧性负性胶时，若暴光不是在氮气中进行，易产生底膜。*喷雾显影时，若喷雾条件不当，需多次显影时，易产生底膜。*显影不足，如温度低，时间短，易产生底膜。b）图形尺寸不合要求：当暴光过度及显影过度时，对正胶光刻，会造成条宽变细，严 重则断条；对负胶光刻，条宽变粗，严重则连条。暴光不足的负胶显影后胶面不光亮，图形变细，边沿毛刺，严重时会胶面发皱或图形变形；暴光不足的正胶显影后图形变粗，严重时甚至不出图形。c）浮胶：由涂胶、前烘、暴光、显影等工序引起的浮胶原因有：涂胶时表面太脏或环 境湿度太大，前烘不足或过度，暴光不足，显影时间太长或多次显影等。5）其它：a）在显影小图形时，常发现边沿粗糙不整齐现象，若在显影前用正丁醇对片子做两次 漂洗，然后显影，可减少边沿不整齐现象；原因是正丁醇可使光刻胶略有收缩。b）将 25-50%的碳酸二丙酯加于显影液中，可以起到防止胶膜泡胀和增强胶粘附作用。c）对窄线条光刻，如暴光后再前烘一次，然后显影，有利于对条宽的控制。这是因为 烘烤的热能能促使因光干涉引起的胶层感光不匀最后达到平衡。5，坚膜：1）坚膜目的：显影后，由于显影液使光刻胶膜发生软化、膨胀，使胶膜与衬底的粘附 性变差，耐蚀性降低，因此必须在一定温度下烘烤，以除去胶膜中的显影液和水分，从而提高其粘附性和抗蚀性。2）坚膜方法：一种是烘箱坚膜，一种是红外坚膜（用红外灯从片子背面照射）。因不同 的胶，有不同的工艺要求，所以具体坚膜温度、时间要实验确定。3）问题讨论：a）坚膜过度（温度高、时间长）：会引起光刻胶部分炭化或使光刻胶因热膨胀发生翘曲 和剥离，腐蚀时产生钻蚀或脱胶，有时也会引起聚合物发生一些分解，产生低分子产物，影响粘附和抗蚀能力。另外由于铝有较强的反光性，与光刻胶粘附能力较强，因此坚膜时间可稍短，以免光刻后去胶困难。声表面波工艺原理 第三章 光刻工艺原理 Page 10 of 20 b）坚膜不足：胶膜没洪透，膜不坚固，腐蚀时会产生侧蚀及负胶现象。c）坚膜时应缓慢升温和自然冷却，这样会使胶膜更坚固，而且可以防止胶的细小裂纹，所造成的毛刺。对一些有特殊要求的光刻，也可采用长时间低温坚膜。d）坚膜温度的确定：高聚合物在玻璃化温度范围内会产生微量的塑性留动，如果衬底 与胶的粘附力较强，而不致因这种微量的塑性流动使图形变形，则这种流动能改善光刻胶与衬底的粘附。光刻胶聚合物的玻璃化温度不是一个确定值，而是一个范围，当温度高于这个范围，则会发生教大的塑性流动，使图形变形，低于这个范围，则不会发生塑性流动，若坚膜温度在玻璃化温度范围上限以下 5-10，即：使胶极微量塑性流动又不变形，这样就能达到增强粘附能力的目的。各种胶的坚膜温度时间，在光刻胶说明书中都有说明。6，腐蚀：1）腐蚀目的：腐蚀是光刻技术中的重要工序，通过该工序，要按照光刻胶膜已显现出 的图形，完整、清晰、准确地刻蚀出金属膜图形。腐蚀有干、湿法之分。干法腐蚀对正胶更合适，因为正胶抗干法腐蚀能力强。湿法腐蚀是用适当的腐蚀液将无光刻胶膜覆盖的金属膜腐蚀掉，而将有光刻胶膜覆盖的区域保留下来。其腐蚀的三步骤是：（a）反应物扩散到被刻蚀物表面。（b）反应物与被刻蚀薄膜反应。（c）反应生成物从被刻蚀表面扩散到溶液中，并随溶液排出。湿法腐蚀有各向同性的缺点，但设备简单，操作易行。由于被腐蚀材料及厚薄各不相同，光刻胶的粘附性及耐蚀性也各不相同，因此选择腐蚀液（对腐蚀液的要求是：对铝要有很好的溶解性，对光刻胶浸蚀要尽量小）和腐蚀条件，十分重要。2）腐蚀因子：腐蚀时，腐蚀液不仅纵向腐蚀，还横向腐蚀；胶膜与金属膜粘附性好，横向腐蚀就小。横向腐蚀是我们不希望出现的，腐蚀时要尽量避免侧向腐蚀及胶层损坏。我们常用腐蚀因子 F 来衡量腐蚀好坏。F=纵向腐蚀深度/横向腐蚀宽度。F 可用光学比较器测定。F 大，表明腐蚀效果好，F 值一般在 0.5-2.5 之间，当 F 1 时，即可用于生产。3）腐蚀方法：目前多采用浸渍法，即将片子放于腐蚀液进行腐蚀，此法横向腐蚀较大，但简单易行。此外还有喷射腐蚀法，该法腐蚀均匀，横向腐蚀小。下面主要介绍浸渍法。a）去除光刻胶底膜：显影后底膜厚一般为 200-300A，为保证腐蚀顺利进行，不分干法湿法，都要在腐蚀前去除在腐蚀窗口所残留的光刻胶，去除办法可采用等离子去胶（见光刻干法工艺），去胶功率为 300W 左右、时间 2-3，去胶不净是因通氧量不够，一般应达到10-2mmHg；另外也可采用去胶剂去底膜或发烟硝酸去底膜，具体条件由实验确定。原则是既要去净残留的胶，又尽量少损伤要保留的胶。下面介绍几种湿法腐蚀常用的铝腐蚀液。b）磷酸腐蚀液：浓磷酸与铝反应产生溶于水的酸式磷酸铝，使铝膜溶除。反应如下：2AI+6H3PO4（85%）=2AI（H2PO4）3+3H2 加温腐蚀：水浴加温至 70 度，铝与浓磷酸反应激烈，会有气泡不断冒出。为消除气泡，可在浓磷酸中加入无水乙醇（15-20%）；也可用毛笔轻轻抹去气泡。要注意控制好腐蚀时间，既要腐蚀干净又不腐蚀过度。超声腐蚀：水浴加温至 70 度，加超声振动（能量不能太大，否则铝易剥离），并不断把片子放入无水乙醇中去除气泡；因超声波能将腐蚀时产生的气泡震碎，故腐蚀均匀，铝条边沿陡直。在腐蚀硅铝膜（硅：1-2%）时要适当加大超声能量，并在腐蚀铝后去除表面上的硅；方法是用等离子腐蚀多晶硅的办法，时间 5-10 秒；或硝酸：氢氟酸=98：2 漂洗。磷酸使用时间过长，酸度下降，铝与磷酸会生成难溶的磷酸铝白色沉淀淀积在片子表面，对铝腐蚀不利，因此要定期更换新磷酸。c）高锰酸钾腐蚀液：KmnO4：NaOH：H2O=16 克：5 克：300 毫