简述光刻工艺的三个主要步骤

芯片工艺技术 2024-10-22 522

描述

“ 光刻作为半导体中的关键工艺，其中包括3大步骤的工艺：涂胶、曝光、显影。三个步骤有一个异常，整个光刻工艺都需要返工处理，因此现场异常的处理显得尤为关键”

01—光刻前处理

晶圆在光刻前需要做一些特殊处理，比如一些镀膜后的wafer，一些工厂是要求特定时间内完成光刻，减少在工艺外表面的污染。

另外我们知道晶圆表面有一定的表面状态，会影响成膜的效果，可以参照文章：wafer表面的亲水性和疏水性会影响什么

常见的硅片是比较容易吸附潮气的，就是亲水性，也称为水合作用，但是对于光刻，具有干燥成疏水性的表面十分重要。上一步完成工艺之后尽快光刻，另外保持车间相对湿度低于50%。

涂胶前先进行脱水烘烤，200℃~500℃烘烤，有条件的在氮气条件下烘烤。

常见的光刻胶一般在涂胶前还需要涂一层HMDS，HMDS的涂胶方式有很多，常用的气相底膜涂胶，在一个密闭的腔体内，200℃~250℃下30s完成，HMDS呈雾状形成一层薄薄的基底膜，提高光刻胶和wafer的粘附力。

HMDS工艺结束之后，就完成了涂胶前的准备工作。

02—光刻涂胶

接下来就是涂胶，涂胶需要根据光刻胶的特性进行设定，可以参考光刻胶的说明文件：光刻胶的主要技术参数

涂胶工艺根据不同的晶圆和光刻胶，出来的效果也是很多不同，常见的几种异常：

问题1：表面出现气泡
可能原因：滴胶时胶中带有气泡
喷嘴尖端切口有问题或带刺
问题2：四周呈现放射状条纹
可能原因：
胶液喷射速度过高
设备排气速度过高
胶涂覆前静止时间过长
匀胶机转速或加速度设置过高
片子表片留有小颗粒
胶中有颗粒
问题3：中心出现漩涡图案
可能原因：
设备排气速度过高
喷胶时胶液偏离衬底中心
旋图时间过长
加速度过高
问题4：中心出现圆晕
可能原因：
不合适的托盘,
喷嘴偏离衬底中心
问题5：胶液未涂满衬底
可能原因：
给胶量不足
不合适的匀胶加速度
问题6：出现针孔现象
可能原因：
空气中粉尘
光刻胶内存在颗粒或气泡
衬底上存在颗粒

很多情况下多是出现上图这种形状，就是局部涂胶厚度异常，一般是偏薄，出现这种情况一是可能表现有颗粒，二是旋转涂胶时发生异常，可以调节转速和加速度。三是检查一下光刻胶是否存放过期。

滴胶也分为几种，有静态涂胶、一般适合黏度较低的胶水，有边旋转边涂胶。

静态涂胶后，硅片先低速旋转，光刻胶覆盖到边缘之后，加速到设定转速，一般2500~4000rpm。另外动态滴胶，100~200rpm的转速边转边滴胶。采用动态滴胶不需要很多光刻胶就能润湿（铺展覆盖）整个基片表面。尤其是当光刻胶或基片本身润湿性不好的情况下，动态滴胶尤其适用，不会产生针孔。滴胶之后，下一步是高速旋转。使光刻胶层变薄达到最终要求的膜厚，这个阶段的转速一般在1500-6000转/分，转速的选定同样要看光刻胶的性能（包括粘度，溶剂挥发速度，固体含量以及表面张力等）以及基片的大小。快速旋转的时间可以从10秒到几分钟。匀胶的转速以及匀胶时间往往能决定最终胶膜的厚度。

一般情况下，匀胶转速快，时间长，膜厚就薄。影响匀胶过程的可变因素很多，这些因素在匀胶时往往相互抵销并趋于平衡。

旋胶过程中，99%的光刻胶都会被甩掉，剩下的一层膜，通过旋转和空气流动，会挥发溶液，膜层变干，但是仍旧是黏黏的液体感的，此时不要碰到膜层。需要软烘，

另外一个影响成膜质量的因素，旋涂过程中cup内的气流。

很多旋涂机的cup都配有有机抽风，风力的大小会影响到成膜时光刻胶的涂覆状态。且风力大小也直接影响膜层干的速度，因此匀胶的时候，减小基片上面的空气的流动，以及因空气流动引起的湍流（turbulence），或者至少保持稳定也是十分重要的。

03—曝光

曝光相对来说工艺比较稳定，无非就是曝光剂量的问题，时刻监控光源的功率变化，适当缩短或者延长曝光时间。半导体光刻工艺及光刻机全解析

04—显影

显影工艺是比较关键的，不同光刻胶配合不同的显影液，还要前烘和后烘的条件。

最普通常用的正胶显影液是TMAH，目前0.26当量浓度的TMAH显影液成为工艺标准。TMAH具有很强的腐蚀性。

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