1544
一、電子束曝光技術(shù)
光刻是廣泛應(yīng)用的芯片加工技術(shù)之一，下圖是常見的半導(dǎo)體加工工藝流程：
光刻廣泛應(yīng)用于芯片加工，但是其分辨率會受到光波長的限制?
電子束曝光( ElectronBeam Lithography, EBL)?是光刻技術(shù)的延伸應(yīng)用?
電子是一種帶電粒子,?其能量越高,?波長越短? 當(dāng)電子的能量為100eV時,其波長僅為0.12nm，因此,電子束曝光可以獲得非常高的分辨率?
電子束曝光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示：
主要包括:?電子槍,電子槍準(zhǔn)直系統(tǒng),聚光透鏡,電子束快門,變焦透鏡,消像散器,限制模孔,投影透鏡和偏轉(zhuǎn)器?
利用電子束曝光制備掩膜的一般步驟為:
(1)樣品表面處理
首先清洗樣品去除樣品表面的雜質(zhì),?然后在烘箱中烘烤以確保樣品表面干燥??防止樣品表面的雜質(zhì)和水分對甩膠和曝光的質(zhì)量產(chǎn)生影響?
(2)勻膠
將光刻膠滴在樣品中央,?通過涂膠機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)在樣品表面均勻涂覆光刻膠?
光刻膠分為兩種:正膠和負(fù)膠?
正膠在曝光時使曝光區(qū)域溶解性增強(qiáng),?顯影時感光部分溶解,?不感光部分不溶解?
負(fù)膠曝光時曝光區(qū)域變成交互鏈結(jié),?顯影時感光部分不溶解,?不感光部分溶解。
(3)前烘
目的是蒸發(fā)掉光刻膠中的有機(jī)溶劑?
烘膠時間和溫度需要控制時間，太短或溫度過低不能把光刻膠中的溶劑蒸發(fā),時間太長或溫度過高將會破壞光刻膠中的增感劑活性?
(4)曝光
將旋涂光刻膠的樣品放置于電子束曝光機(jī)中,?設(shè)置合適的條件如束流和劑量進(jìn)行曝光,被曝光區(qū)光刻膠的性能會發(fā)生變化?
(5)顯影
將曝光后的樣品放置在顯影液中,所需的圖案就顯現(xiàn)出來。
樣品圖案質(zhì)量與顯影時間密切相關(guān),?因此需要嚴(yán)格控制顯影的時間?
(6)后烘
后烘可以使軟化和膨脹的膠膜與樣品粘附更加牢固,增加膠膜的抗刻蝕能力?
二、電感耦合等離子體刻蝕
電感耦合等離子體刻蝕(Inductively Coupled Plasma , ICP)可以刻蝕掉樣品表面沒有被掩膜覆蓋的地方而制備出特定的圖案,?其同時具有化學(xué)和物理刻蝕過程，它屬于干法刻蝕技術(shù)的一種，它的優(yōu)點(diǎn)在于在低氣壓下,ICP刻蝕源仍然可以產(chǎn)生大量的等離子體?
ICP刻蝕系統(tǒng)具有兩套射頻電源于控制,其中一套纏繞在腔室外(ICP generator),?用于產(chǎn)生等離子體,一套位于樣品臺下方(Table bias),用于加速等離子體?
經(jīng)簡化的電感耦合等離子體刻蝕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如下圖所示：
電感耦合等離子體刻蝕的常規(guī)操作過程是:
第一步,將樣品放置于電感耦合等離子體刻蝕設(shè)備中?
第二步,將腔體抽真空至低氣壓,?通過控制Cryo stage和Helium backing?來使樣品達(dá)到所需的溫度? 樣品較高的溫度有助于刻蝕副產(chǎn)物的揮發(fā),?從而提高刻蝕效率?
第三步,將適合材料刻蝕的混合氣體從Gas inlet充入腔體?
ICP generator產(chǎn)生的射頻會使環(huán)形耦合線圈產(chǎn)生感應(yīng)電場,導(dǎo)致混合刻蝕氣體輝光放電,產(chǎn)生高密度的等離子體?
增加ICP的功率將會增加等離子體的密度,這會對刻蝕過程產(chǎn)生影響?
第四步,產(chǎn)生的等離子體在Table bias的RF射頻作用下加速移動到樣品表面,與樣品表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成揮發(fā)性氣體而離開樣片表面，同時也存在物理刻蝕過程?等離子體的動能與?Table bias的射頻功率相關(guān)?
電感耦合等離子體刻蝕可以刻蝕GaN??AlGaN??GaAs?InP??InGaAs?和Si等材料,?具有高的刻蝕速率和高抗刻蝕比?
三、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積
等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition ,PECVD )技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各種薄膜的制備(如:硅?氮化硅和二氧化硅等)?
PECVD系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示：
其基本原理是:向沉積室中充入含有薄膜組份的氣態(tài)物質(zhì),利用輝光放電使氣態(tài)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成等離子體,等離子體沉積在襯底上就生長出了薄膜材料?
激發(fā)輝光放電的方法主要有:射頻激發(fā)?直流高壓激發(fā)?脈沖激發(fā)和微波激發(fā)組成成分都具有良好的均勻性?
此外,利用PECVD制備的薄膜厚度和該方法沉積的薄膜附著力強(qiáng),?在較低的沉積溫度下可以達(dá)到高的沉積速度?
通常來看,?薄膜的生長主要包括以下三個過程:
第一步,反應(yīng)氣體在電磁場的激勵下,輝光放電產(chǎn)生等離子體?在這個過程電子會與反應(yīng)氣體碰撞,?發(fā)生初級反應(yīng),導(dǎo)致反應(yīng)氣體分解產(chǎn)生離子和活性基團(tuán)?
第二步,初級反應(yīng)產(chǎn)生的各種產(chǎn)物向襯底方向移動,同時各種活性基團(tuán)和離子發(fā)生次級反應(yīng),生成次級產(chǎn)物?
第三步,到達(dá)襯底表面的各種初級產(chǎn)物和次級產(chǎn)物被吸附并與表面發(fā)生反應(yīng),同時伴隨有氣相分子物的再放出?
四、聚焦離子束技術(shù)
聚焦離子束(Focused Ion Beam, FIB)類似于聚焦電子束,都是將帶電粒子經(jīng)過電磁場聚焦而形成亞微米甚至納米量級的細(xì)束,可以應(yīng)用于離子束曝光和成像?
除此之外,相比于電子,離子具有大的質(zhì)量? 因此,離子束可以將固體表面的原子直接濺射出來,?進(jìn)而發(fā)展成為種廣泛應(yīng)用的直接加工工具?
下圖為聚焦離子束系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖：
FIB系統(tǒng)主要由離子發(fā)射源?離子光柱?樣品臺和真空與控制系統(tǒng)組成?
聚焦離子束系統(tǒng)主要的應(yīng)用有：
(1)離子束成像
離子束照射在樣品表面后會激發(fā)樣品表面的二次電子和二次離子?
這些電子和離子隨后被信號探測器收集,?然后經(jīng)過處理可以顯示材料表面形貌的圖像??激發(fā)的二次電子的數(shù)目不僅與樣品的相貌有關(guān),?還與晶體取向和樣品原子質(zhì)量有關(guān)?因此,?相比于掃描電子顯微鏡,?離子束成像可以獲得更多關(guān)于樣品的信息,?可用于分析多晶材料晶粒取向??晶界分布和晶粒尺寸分布等?
(2)離子束刻蝕
離子束刻蝕是聚焦離子束系統(tǒng)最主要的功能??將Ar?Kr和Xe等惰性氣體電離成等離子體后,?然后離子束聚焦并加速轟擊樣品表面,?導(dǎo)致樣品表面的原子被濺射出來而形成刻蝕的效果?
離子束刻蝕過程是個純物理過程,?濺射產(chǎn)額與離子能量??離子種類??離子入射角度和樣品特性等因素相關(guān)?
離子束刻蝕具有方向性好,?分辨率高和刻蝕材料不受限制等優(yōu)點(diǎn)?
(3)離子束沉積
將非活性氣體分子吸附到樣品表面需要沉積的區(qū)域,當(dāng)離子束轟擊該區(qū)域時,非活性氣體分子分解產(chǎn)生的非揮發(fā)性物質(zhì),不會被真空系統(tǒng)抽走,而是沉積到了樣品表面?
離子束具有操作靈活的優(yōu)點(diǎn),?因此可以在材料表面沉積任意形狀的結(jié)構(gòu)?
離子束可以沉積金屬材料,?同時也可以沉積絕緣體材料?
好的，關(guān)于半導(dǎo)體常見的幾種加工工藝就介紹到這兒，喜歡半導(dǎo)體知識的同學(xué)歡迎閱讀本公眾號其他文章！
參考文獻(xiàn)：
(1)李青云 硅和鈮酸鋰復(fù)合薄膜及相關(guān)光子器件的研究[D].
(2)周澤龍?投影光刻物鏡偏振像差研究[D].
(3)趙磊?投影光刻物鏡像質(zhì)補(bǔ)償策略與補(bǔ)償技術(shù)研究[D].
