在本章中,解释了用于光刻胶显影到最终检查的基本图案化过程步骤(基本过程的第5步到第10步)。在本章的最后,检查了用于掩模制作的过程和对准误差预算的讨论。
显影
在晶圆完成对准和曝光步骤后,器件或电路图案以暴露和未暴露的光刻胶区域(如下图所示)的形式编码在光刻胶中(潜在图像)。通过化学溶解未聚合的光刻胶区域来“显影”图案。显影过程旨在形成具有电路设计过程中指定的确切尺寸的图案(如下图所示)。显影过程不良导致的问题包括显影不足,这使得孔没有完全显影到正确的尺寸,或者侧壁覆盖。在某些情况下,显影时间不够长(不完全),会在孔中留下一层光刻胶。第三个问题是显影过度,它从图像边缘或顶表面移除了太多的光刻胶。高宽比的孔洞是均匀孔径和清洁的特别挑战,因为深孔中缺乏流体循环。
正性光刻胶和负性光刻胶具有不同的显影特性,需要不同的化学品和过程(如下图所示)。
正性光刻胶显影
曝光后,预期的图案以聚合光刻胶(起始条件)和未聚合光刻胶(由曝光引起)的形式编码在正性光刻胶中。这两个区域,聚合和未聚合的,溶解速率差异约为1:4。这意味着,在显影步骤中,一些光刻胶总是会从聚合区域丢失(如下图所示)。使用过于激进的显影液或显影时间太长可能导致光刻胶膜不可接受的变薄,进而可能在刻蚀步骤中导致其脱落或破裂。
使用正性光刻胶的两种化学显影液是碱性水溶液和非离子溶液。碱性水溶液可以是氢氧化钠或氢氧化钾。由于这两种溶液都含有移动的离子污染物,因此它们不适合处理敏感电路。大多数正性光刻胶生产线使用四甲基氢氧化铵(TMAH)的非离子溶液。有时添加表面活性剂以打破表面张力,使溶液更易于润湿晶圆表面。正性显影液的水质使其比负性光刻胶所需的溶剂显影液更具环保吸引力。
显影步骤之后是冲洗,以停止显影过程并从晶圆表面去除显影液。正性光刻胶的冲洗液是水,它的作用与负性光刻胶冲洗液相同,但更便宜、更安全、更容易处理。
负性光刻胶显影
显影的成功取决于光刻胶的曝光机制的性质。负性光刻胶在曝光后会经历聚合过程,使其能够抵抗显影液中的溶解。两个区域之间的溶解速率足够高,以至于从聚合区域丢失的光刻胶层很少。大多数负性光刻胶显影情况下首选的化学品是二甲苯,它也用作负性光刻胶配方中的溶剂。
显影步骤是使用化学显影液,然后通常用n-丁基乙酸酯冲洗,因为它既不膨胀也不收缩光刻胶。对于已经使用步进器图案化的晶圆,可以使用作用更温和的Stoddart溶剂。
湿法显影过程
用于显影光刻胶膜的方法有几种(如下图所示)。选择方法取决于光刻胶的极性、特征尺寸、缺陷密度考虑、要蚀刻的层的厚度和生产力。
沉浸
沉浸是最古老的显影方法。在其最简单的形式中,晶圆被放置在化学耐蚀的载体中,浸入显影液罐中一段时间,然后转移到第二个冲洗液罐中(如下图所示)。与这种简单的湿法过程相关的问题也定义了一些显影挑战,具体下节继续讲解。
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