Ch03MEM工藝01光刻腐蝕

1、mems技術(shù)技術(shù)唐 軍 0351-第三章第三章 mems工藝工藝 mems工藝概念 mems工藝分類mems工藝概念 工藝：勞動者利用生產(chǎn)工具對各種原材料，半成品進行加工和處理,改變它們的幾何形狀，外形尺寸，表面狀態(tài)，內(nèi)部組織，物理和化學(xué)性能以及相互關(guān)系，最后使之成為預(yù)期產(chǎn)品的方法及過程。 工藝技術(shù)：是人類在勞動中逐漸積累起來并經(jīng)過總結(jié)的操作技術(shù)經(jīng)驗， 它是應(yīng)用科學(xué)，生產(chǎn)實踐及勞動技能的總和。5層多晶硅工藝技術(shù)體硅工藝前工序、后工序、輔助制作工序 前工序：是指從原始晶片開始直到中測封裝之前的所有工序過程。如果對前工序進行歸納分類，主要包括以下三類技術(shù)：圖形轉(zhuǎn)換技術(shù)：主要包括光刻、刻蝕等技術(shù)；薄

2、膜制備技術(shù)：主要包括外延、氧化、化學(xué)氣相沉積、物理 氣相沉積（如濺射、蒸發(fā)）等；摻雜技術(shù)：主要包括擴散和離子注入等技術(shù)。后工序：是指從中測開始到完成直到出廠之間的所有工序，主要包括劃片、封裝、測試、老化、篩選等。輔助工序：為了保證前工序的順利進行所需要的一些輔助性的工藝技術(shù)。主要的有以下幾種：超凈廠房技術(shù)：mems制造必須在超凈環(huán)境中進行，環(huán)境中塵埃等將直接影響集成電路的成品率和可靠性。集成電路的規(guī)模越大、特征尺寸越小，要求的環(huán)境凈化程度高。光刻間的凈化度一般要求達到1級甚至0.1級。級是描述凈化度的一個單位，1級的含義是指在1立方英寸的空間內(nèi)大于0.3m的塵埃數(shù)必須小于1個。超凈水、高純氣體

3、制備技術(shù)：在集成電路工藝中使用的水、氣（如氧氣、氮氣、氫氣、硅烷）等都必須具有非常高的純度。光刻掩膜版制備技術(shù)：一般有專門的工廠制作光刻所使用的掩膜版材料準備技術(shù)：主要包括拉單晶、切片、磨片、拋光等管殼制備、超純水化學(xué)試劑制備等等 mems工藝分類光刻（lithography）刻蝕（etching）化學(xué)氣相沉積（cvd）物理氣相沉積(pvd)氧化擴散與離子注入退火liga工藝光刻（ lithography ）石版（litho ）寫（graphein）重要性重要性：是唯一不可缺少的工藝步驟，是一個復(fù)雜的工藝流程光刻光刻是加工制造集成電路圖形結(jié)構(gòu)以及微結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵工藝之一。 光刻工藝光刻工藝就是利用

4、光敏的抗蝕涂層發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，結(jié)合腐蝕方法在各種薄膜或硅上制備出合乎要求的圖形，以實現(xiàn)制作各種電路元件、選擇摻雜、形成金屬電極和布線或表面鈍化的目的。u光刻三要素光刻三要素：光刻膠、掩膜版和光刻機u光刻膠又叫光致抗蝕劑，它是由光敏化合物、基體樹脂和有機溶劑等混合而成的膠狀液體u光刻膠受到特定波長光線的作用后，導(dǎo)致其化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使光刻膠在某種特定溶液中的溶解特性改變光刻膠的性能指標光刻膠的性能指標(1)分辨率分辨率：分辨率是指用某種光刻膠光刻時所能得到的最小尺寸 (2)靈敏度靈敏度：光刻膠的感光靈敏度反映了光刻膠感光所必須的照射量(3)粘附性粘附性：光刻膠與襯底之間粘附的牢固程度(4)抗腐

5、蝕性抗腐蝕性：光刻工藝要求光刻膠在堅膜后，能夠較長時間(5)穩(wěn)定性穩(wěn)定性：光刻工藝要求光刻膠在室溫和避光情況下加入了增感劑也不發(fā)生暗反應(yīng)，在烘干燥時，不發(fā)生熱交聯(lián)(6)針孔密度針孔密度：單位面積上的針孔數(shù)(7)留膜率留膜率：指曝光顯影后的非溶性膠膜厚度于曝光前膠膜厚度之比光刻的工藝流程光刻的工藝流程一般分為：氧化、涂膠、前烘、曝光、顯影、堅膜、刻蝕和去膠。負膠負膠兩種組成部份的芳基氮化物橡膠光刻膠kodak ktfr（敏感氮化聚慔戌二烯橡膠） 分辨率差，適于加工線寬3m的線條；這類光刻膠粘附力強，耐腐蝕，容易使用和價格便宜，是常用的光刻膠。 正膠正膠pmma(聚甲基丙烯酸甲酯)光刻膠由重氮醌酯

6、（dq）和酚酫樹酯（n）兩部分組成的dnq。 分辨率高，在超大規(guī)模集成電路工藝中，一般只采用正膠光刻工藝具體過程一、清洗和烘干l 作用：保證硅片表面無灰塵、油脂、水，保證粘附性和光刻質(zhì)量l 清洗不好，會造成脫膠、表面灰塵導(dǎo)致粘版、部分圖形不感光等光刻缺陷。l 表面不干燥，會造成脫膠l 如果硅片擱置較久或返工，應(yīng)重新清洗烘干，烘干后立即甩膠。l 氧化、蒸發(fā)后可立即甩膠，不必清洗。清洗設(shè)備超臨界干燥 兆聲清洗設(shè)備 硅片甩干機 設(shè)備：甩膠臺。 在硅片表面涂覆一層粘附性好，厚度適當，厚薄均勻的光刻膠。 一般采用旋轉(zhuǎn)法，針對不同的光刻膠黏度和厚度要求，選擇不同的轉(zhuǎn)速。 可分辨線寬是膠膜厚度的58倍。 旋

7、轉(zhuǎn)法涂敷裝置旋轉(zhuǎn)法涂敷裝置 前烘就是在一定溫度下，使膠膜里的溶劑緩慢地揮發(fā)出來，使膠膜干燥，并增加其粘附性和耐磨性。前烘的溫度和時間隨膠的種類和膜厚不同而有所差別。 前烘方式：烘箱烘烤、紅外光照射、熱板處理 設(shè)備：光刻機 對準：使掩膜的圖形和硅片上的圖形精確套合。 曝光：對光刻膠進行選擇性光化學(xué)反應(yīng)，使光刻膠改變在顯影液中的溶解性。 通常采用紫外接觸曝光法 光刻膠：高靈敏度，高反差，均勻，產(chǎn)量大。光刻機投影光刻機影響曝光質(zhì)量的主要因素影響曝光質(zhì)量的主要因素曝光時間氮氣釋放氧氣的影響駐波的影響光線平行度的影響幾種常見的曝光方法幾種常見的曝光方法接觸式曝光：分辨率較高，容易造成掩膜版和光刻膠膜的損

8、傷。接近式曝光：在硅片和掩膜版之間有一個很小的間隙(1025m)，可以大大減小掩膜版的損傷，分辨率較低投影式曝光：利用透鏡或反射鏡將掩膜版上的圖形投影到襯底上五、顯影(development)正膠去曝光部分，負膠去未曝光部分部分光刻膠需要超聲顯影顯影時間根據(jù)光刻膠種類、膜厚、顯影液種類、顯影溫度和操作方法確定。顯影后檢查光刻質(zhì)量，不合格的返工。顯影臺甩干機刷版機顯影臺烘箱 除去顯影時膠膜吸收的顯影液和水分，改善粘附性，增強膠膜抗腐蝕能力。 堅膜的溫度和時間要適當 堅膜時間短，抗蝕性差，容易掉膠；堅膜時間過長，掩膜難以去除，或開裂。 腐蝕時間長的可以采取中途多次堅膜用適當?shù)母g劑對顯影后暴露的表

9、面進行腐蝕，獲得光刻圖形八、去膠 溶劑去膠：含氯的烴化物做去膠劑。 氧化去膠：強氧化劑，如濃硫酸，雙氧水和氨水混合液 等離子體去膠 剝離工藝剝離工藝剝離工藝在光刻工藝中，有一種代替刻蝕方法的工藝，我們稱之為剝離工藝（lift-off）。在剝離工藝中，首先形成光刻圖形，然后沉積薄膜，最后用化學(xué)試劑去除光刻膠，此時連同不需要的薄膜一同除去，這個過程正好與刻蝕過程相反。sisio2光刻膠光刻前烘氧化涂膠掩膜版曝光sisio2光刻膠光刻顯影腐蝕堅膜去膠4.3.3超細線條光刻技術(shù)超細線條光刻技術(shù)10gb0.04520102013？/2遠紫外曝光技術(shù)：遠紫外曝光技術(shù)：紫外線（紫外線（200-500nm）可

10、分為）可分為g-線線（436）、）、i-線（線（365）和遠紫外線（）和遠紫外線（200-290）。）。248nm、193nm、157nm0.25m、0.18 m、0.13 m電子束曝光技術(shù)：電子束曝光技術(shù)：效率低，設(shè)備昂貴，圖形容易畸變?？尚实?，設(shè)備昂貴，圖形容易畸變。可直寫，小于直寫，小于0.1 m離子束曝光技術(shù)：離子束曝光技術(shù)：效率低，設(shè)備昂貴?？芍睂懀瑳]有散射，效率低，設(shè)備昂貴?？芍睂懀瑳]有散射，小于小于0.1 mx射線曝光技術(shù)：射線曝光技術(shù)：設(shè)備昂貴，小于設(shè)備昂貴，小于2nm，對掩膜要求高，對掩膜要求高 mems工藝分類光刻（lithography）刻蝕（etching）化學(xué)氣相沉

11、積（cvd）物理氣相沉積(pvd)氧化擴散與離子注入退火liga工藝刻蝕濕法腐蝕各向異性各向同性自停止腐蝕技術(shù)凸角補償技術(shù)干法刻蝕深槽技術(shù)濕法刻蝕：濕法刻蝕：指利用液態(tài)化學(xué)試劑或溶液通過化學(xué)反應(yīng)進行刻蝕的方法，濕法腐蝕的主要優(yōu)點是選擇性好、重復(fù)性好、生產(chǎn)效率高、設(shè)備簡單、成本低。它的主要缺點是鉆蝕嚴重、對圖形的控制性較差。u體硅各向異性腐蝕體硅各向異性腐蝕 是利用腐蝕液對單晶硅不同晶向腐蝕速率不同的特性，使是利用腐蝕液對單晶硅不同晶向腐蝕速率不同的特性，使用抗蝕材料作掩膜，用光刻、干法腐蝕和濕法腐蝕等手段用抗蝕材料作掩膜，用光刻、干法腐蝕和濕法腐蝕等手段制作掩膜圖形后進行的較大深度的腐蝕。制作

12、掩膜圖形后進行的較大深度的腐蝕。 機理：腐蝕液發(fā)射空穴給硅，形成氧化態(tài)機理：腐蝕液發(fā)射空穴給硅，形成氧化態(tài)si+si+，而羥基，而羥基oh-oh-與與si+si+形成可溶解的硅氫氧化物的過程。形成可溶解的硅氫氧化物的過程。 各向異性腐蝕液通常對單晶硅各向異性腐蝕液通常對單晶硅(111)(111)面的腐蝕速率與面的腐蝕速率與(100)(100)面的腐蝕速率之比很大（面的腐蝕速率之比很大（1 1：400400），因為：水分子的屏蔽），因為：水分子的屏蔽作用，作用，(111)(111)面有較高的原子密度，水分子容易附著在面有較高的原子密度，水分子容易附著在(111)(111)面上；面上； (100)

13、(100)面每個原子具有兩個懸掛鍵，而面每個原子具有兩個懸掛鍵，而(111)(111)面每個原子只面每個原子只有一個懸掛鍵，移去有一個懸掛鍵，移去(111)(111)面的原子所需的能量比面的原子所需的能量比(100)(100)面面要高。要高。掩膜薄膜襯底（a）各向異性100110111不同的晶面懸掛鍵密度（表面態(tài)密度）各向異性腐蝕液各向異性腐蝕液腐蝕液：腐蝕液：無機腐蝕液：無機腐蝕液：koh, naoh, lioh, nh4oh等；等；有機腐蝕液：有機腐蝕液：epw、tmah和聯(lián)胺等。和聯(lián)胺等。常用體硅腐蝕液：常用體硅腐蝕液：氫氧化鉀氫氧化鉀(koh)系列溶液；系列溶液；epw(e：乙二胺，：

14、乙二胺，p：鄰苯二酚，：鄰苯二酚，w：水：水)系列溶液。系列溶液。乙二胺乙二胺(nh2(ch2) 2nh2)鄰苯二酚鄰苯二酚(c6h4(oh) 2)水水(h2o)影響各向異性腐蝕的主要因素影響各向異性腐蝕的主要因素(1) 溶液及配比(2) 溫度u各向同性腐蝕 硅的各向同性腐蝕在半導(dǎo)體工藝中以及在微機械加工技術(shù)中有著極為廣泛的應(yīng)用。常用的腐蝕液為hf-hno3加水或者乙酸系統(tǒng)。腐蝕機理為： 首先是硝酸同硅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成sio 2，然后有hf將sio 2溶解。222623hohhnosifhhfhnosi掩膜薄膜襯底各向同性u自停止腐蝕技術(shù) 機理： epw和koh對硅的腐蝕在摻雜濃度小于1101

15、9cm-3時基本為常數(shù)，超過該濃度時，腐蝕速率與摻雜硼濃度的4次方成反比，達到一定的濃度時，腐蝕速率很小，甚至可以認為腐蝕“停止”。 （1） 重摻雜自停止腐蝕(koh和edp：51013/cm3，re/rd100) （2）(111)面停止 （3） 時間控制 （4）p-n結(jié)自停止腐蝕 （5）電化學(xué)自停止腐蝕自停止腐蝕典型工藝流程硅光刻膠擴散層二氧化硅工藝路線（1）工藝路線（2）1、薄膜自停止腐蝕薄膜自停止腐蝕是指晶片刻蝕到最后，終止于其它不會被刻蝕所影響的薄膜，這層薄膜可以是氧化硅、氮化硅、富硅氮化硅、聚亞酰胺，甚至是金屬。利用薄膜自停止腐蝕必須考慮刻蝕選擇性，以及薄膜應(yīng)力問題，因為應(yīng)力太大將使

16、薄膜發(fā)生破裂。 koh對硅的腐蝕在摻雜濃度超過閾值濃n0(約為51019cm-3)時，腐蝕速率很小，輕摻雜與重摻雜硅的腐蝕速率之比高達數(shù)百倍，可以認為koh溶液對重摻雜硅基本上不腐蝕。2 、重摻雜自停止腐蝕技術(shù) 高摻雜硼有兩個缺點： 與標準的cmos工藝不兼容 導(dǎo)致高應(yīng)力，使得材料易碎或彎曲 重摻雜硼的硅腐蝕自停止效應(yīng)比重摻雜磷的硅明顯，所以工藝中常采用重摻雜硅作為硅腐蝕的自停止材料。 koh溶液對（100）和（111）面硅的腐蝕速率差別很大，可高達100400倍，因此可利用（111）面作為停止腐蝕的晶面。3、（111）面自停止腐蝕（111）面自停止腐蝕工藝流程4、電化學(xué)自停止腐蝕 電化學(xué)自停

17、止腐蝕技術(shù)不需要重摻雜層，由于用了外延技術(shù)，因此腐蝕自停止層可以做的很厚。干法腐蝕 俠義的干法刻蝕主要是指利用等離子體放電產(chǎn)生的化學(xué)過程對材料表面的加工 廣義上的干法刻蝕則還包括除等離子體刻蝕外的其它物理和化學(xué)加工方法，例如激光加工、火花放電加工、化學(xué)蒸汽加工以及噴粉加工等。干法刻蝕的優(yōu)點：具有分辨率高、各向異性腐蝕能力強、腐蝕的選擇比大、能進行自動化操作等干法刻蝕的過程：1腐蝕性氣體離子的產(chǎn)生；2離子向襯底的傳輸3襯底表面的腐蝕；4腐蝕反應(yīng)物的排除干法腐蝕的主要形式：*純化學(xué)過程：（等離子體腐蝕 )*純物理過程： (離子刻蝕、離子束腐蝕）*物理化學(xué)過程：反應(yīng)離子腐蝕rie ，離子束輔助自由基

18、腐蝕icp.在化學(xué)腐蝕方法中，惰性氣體（如四氟化碳）在高頻或直流電場中受到激發(fā)并分解（如形成氟離子），然后與被腐蝕材料起反應(yīng)形成揮發(fā)性物質(zhì)；在物理腐蝕方法中，利用放電時所產(chǎn)生的高能惰性氣體離子對材料進行轟擊，腐蝕速率與轟擊粒子的能量、通量密度以及入射角有關(guān)；在物理化學(xué)結(jié)合的方法中，既有粒子與被腐蝕材料的碰撞，又有惰性氣體與被腐蝕材料的反應(yīng)。等離子體腐蝕 利用氣體輝光放電電離和分解穩(wěn)定的原子所形成的離子和活性物質(zhì)，與被腐蝕的固體材料作用，產(chǎn)生揮發(fā)性的物質(zhì)或氣態(tài)產(chǎn)品。 刻蝕過程主要是化學(xué)反應(yīng)刻蝕，是各向同性的，主要作為表面干法清洗工藝。等離子體腐蝕的主要現(xiàn)象和特點 （1）各向同性腐蝕（2）各向異性腐蝕（3）濺射腐蝕（1）速率高 （2）環(huán)境清潔，工藝兼容性好。（3）掩膜選擇性好 300：1（4）表面形貌好，無應(yīng)力集中現(xiàn)象（5）無晶向限制（1）好的截面形狀，易于滿足鑄模要求。（2）高的腐蝕速率，適于體硅要求。（3）利用各向同性腐蝕，滿足犧牲層腐蝕要求。（4）可用于活動結(jié)構(gòu)制作。（