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MEMS晶圆级加工——图形转移:光刻×涂胶显影 >>>

       光刻工艺,,伴随着半导体技术的发展而兴起,,,在数十年的研究历程中,,,光刻技术所能承载、、传递的图形尺寸缩小了23个数量级,,从毫米级到现在的纳米级,,,同时在可使用波长、、、光源稳定性、、、、连续性上皆有着长足发展,,作为当今全球半导体行业最精密的微细加工技术之一,,,主力研发单位持续对光刻技术及其设备进行迭代,,,以适应更精细的计算处理单元设计需求和未来更多元的社会发展方向。。。。

       光刻技术是利用一定的光学-化学反应原理,,在特定光源的照射作用下,,借助光致抗蚀剂的光化学性质特点,,,,采用紫外或其他类型的光源射出的光,,,,透过预先设计好的掩模版(即设计版图),,,,照射到附有光刻胶薄膜的基底表面,,,并引其发生化学反应,,进而通过显影技术溶解去除非需要区域的光刻胶,,,使掩膜版上的结构图形被复制到基底或介质层上。。。

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光刻的曝光方式


       作为光刻工艺的核心技术手段,,曝光方式决定着器件图案形成的质量,,,通常可根据曝光时掩模版与基底间的相对关系进行区分;此外还有利用聚焦电子束直接进行介质层扫描绘制的电子束曝光、、、利用软X射线透过较薄掩模版进行投影的X射线曝光、、利用Ga⁺聚焦离子束直接写入或掩膜投影的离子束曝光等不同的曝光技术路线。。。。

       接触式曝光 (Contact Printing)

       通过掩膜版与基底光刻胶涂层直接接触,,,,由紫外光(UV)作为光源,,,,具有较大的图形复制面积、、、较高的复印精度和相对简单的设备操作方法,,通常适合早期半导体、、、、分立器件生产、、、、LED等领域的微米级小批量生产或实验场景。。。

       且由于掩模版直接贴合基底或介质层,,,易导致接触面涂层污染或磨损,,,,影响掩模版寿命,,,,介质层与掩模版间存在细微的间隙,,,,对成品精准度的提高也受到较多限制。。。

       接近式曝光 (Proximity Printing)

       在掩膜版与器件或介质层间维持一个月约10-50μm的微小间隙,,,内有氮气填充,,紫外光源通过其间隙衍射曝光,,由于取缔了直接接触掩模版的方案,,,,污染和磨损的可能得以降低,,但受限于光的衍射效应,,分辨率一般在1-3μm的水平,,,,可通过减小波长、、、、缩小间隙距离获得一定程度提高,,对比接触式曝光仍有一定提升,,,,但光纤衍射会导致光斑扩散,,因而不适合更精细的纳米级图形,,更适合中小规模集成电路制造,,以及部分先进封装工艺等。。。。

       投影式曝光 (Projection Lithography)

       以透镜、、、反射镜构成光学系统,,,,并将掩模版上的图形缩小一定比例后,,,以投射、、、反射的过程投影到晶圆表面,,,成品率较高,,减少多重曝光带来的套刻误差,,,分辨率取决于光源波长和物镜数值孔径(NA),,精准度空限制亦到较为前沿的水平。。。

       但由于设备复杂、、光学系统容易污染、、、、技术难度高等短板,,,,往往更适合高精度半导体元器件,,,如逻辑芯片、、、、存储芯片等智造,,,1:1全反射扫描曝光、、、x:1分步重复曝光等都是非常核心的技术。。

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光刻胶及其应用


       光刻胶,,,,又可称为光致抗蚀剂,,,,是光刻工艺的核心耗材,,由感光树脂、、、增感剂和溶剂组成,,,,具有经特定光照后改变抗蚀能力的特性,,,其核心作用是通过光化学反应,,,将掩膜版上的图形精确转移到基底或介质层表面。。。。在进行曝光前,,,基底或介质层将进入涂胶显影系统或高精度匀胶机进行光刻胶旋涂,,进而由高精度的控温热板进行热烘(前烘-后烘),,以保证器件表面胶体形成均匀的膜层,,,,膜层厚度调整为膜厚1-100μm的厚胶或膜厚小于1μm的薄胶以适应设计需求。。。

       依照不同的光化学特性及反应机理,,,,光刻胶可分为正胶”“负胶两类,,这取决于在完成曝光后的显影环节,,光刻胶膜层上发生化学分解部分的差异。。。若受光照部分易溶于显影液,,,,并在显影后形成与掩膜版图形一致的正像,,,则为正性光刻胶;正胶以酚醛树脂体系为主,,,,对驻波效应不敏感、、曝光容限大、、、、针孔密度低,,形成图像分辨率较高,,,更可达亚微米级,,,适合MEMS中的精细图形加工。。。。


50μm厚胶

适用于多层微流控结构结构制备

0.8μm薄胶

适用于高精度窄线宽结构制备

       若受光照的部分发生交联反应,,形成了不具有溶解特性的三维网状结构,,,未曝光部分却被溶解,,,将形成与掩膜版图形相反的负像,,,,则为负性光刻胶;负胶以聚异戊二烯橡胶、、、环化橡胶体系为主,,,具备高灵敏度和强附着力,,,显影条件要求不严,,,,但分辨率通常大于1μm。。

       MEMS微纳加工工艺中,,,较为常用的是紫外光刻胶,,,如SU-8型负性光刻胶,,,基于芳香族化合物的高度铰链,,其具有更好的热稳定和化学稳定性,,,,非常适合用作为晶圆级MEMS器件的掩膜材料,,,,可用于长时间的等离子体干法刻蚀;较高的机械强度又让SU-8光刻胶膜层可直接接受化学机械抛光方法进行平坦化加工。。

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显影的重要指标


       曝光和显影,,,,是图形转移工艺中相辅相成的两个环节,,将经由掩膜版曝光而得到的图形形成于基底表面,,显影工艺,,即促使不同酸碱性的显影液与光刻胶膜层发生反应,,是促成半导体器件设计图案转为实体构型的关键;但需要注意,,,完成曝光后的显影环节并非真正完成设计版图的图形化,,,,而只是将Mask,,,,即光罩转移到了光刻胶上,,对后续进一步的材料刻蚀工艺起到铺垫作用。。

       沉浸式显影(Immersion Development

       将基底完全浸入盛有显影液的槽中,,,通过机械搅拌或鼓泡促进与光刻胶反应,,适合批量处理多片晶圆,,,,但伴随着显影液浓度、、温度等条件变化难以精确控制,,可能产生边缘显影过度或不足的问题。。

       喷淋式显影(Spray Development

       显影液以高压雾状或柱状喷射到旋转的晶圆表面,,,均匀覆盖并与光刻胶反应,,,显影液流量、、、、晶圆转速皆可精确控制,,显影均匀性可达到±1-3%,,同时避免交叉污染,,,但成本较高,,显影液消耗量较大。。

       旋涂显影(Spin Development

       将显影液滴加到静止的晶圆表面,,,,随后利用转速形成离心力使显影液均匀铺展并与光刻胶反应,,,显影液用量极少,,,,旋涂效果较好,,但较依赖旋转参数,,,对操作精度要求高。。。

       显影工艺的完成质量,,受到多种条件的影响,,,显影液浓度不合理将导致实际线宽参数出现偏差,,,,显影时间过长容易造成胶膜脱落,,,显影温度则涉及显影的实际速率,,,需精确控制。。光刻胶的性能也一定程度上影响着器件的制程、、、、精度和可靠性,,,如更高的灵敏度将有效降低曝光能耗和成本;曝光与未曝光区域在显影后的溶解速率差异即对比度,,,,将影响图形边缘的锐度,,,,有助于控制形成合理的斜面、、、、突起、、、台阶结构;不同的抗蚀性将影响器件或介质层对蚀刻气体或溶液的耐受能力。。

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