文章來源：半導體全解

原文作者：圓圓De圓

本文介紹幾種常見半導體芯片加工工藝

一、電子束曝光技術

光刻是廣泛應用的芯片加工技術之一,下圖是常見的半導體加工工藝流程：

光刻廣泛應用于芯片加工,但是其分辨率會受到光波長的限制?

電子束曝光( ElectronBeam Lithography, EBL) 是光刻技術的延伸應用?

電子是一種帶電粒子, 其能量越高, 波長越短? 當電子的能量為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?

電子束曝光系統的結構示意圖如下圖所示：

主要包括: 電子槍,電子槍準直系統,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, 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和水分對甩膠和曝光的質量產生影響?

(2)勻膠

將光刻膠滴在樣品中央, 通過涂膠機的高速旋轉在樣品表面均勻涂覆光刻膠?

光刻膠分為兩種:正膠和負膠?

正膠在曝光時使曝光區域溶解性增強, 顯影時感光部分溶解, 不感光部分不溶解?

負膠曝光時曝光區域變成交互鏈結, 顯影時感光部分不溶解, 不感光部分溶解。

(3)前烘

目的是蒸發掉光刻膠中的有機溶劑?

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,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中, 設置合適的條件如束流和劑量進行曝光,被曝光區光刻膠的性能會發生變化?

(5)顯影

將曝光后的樣品放置在顯影液中,所需的圖案就顯現出來。

樣品圖案質量與顯影時間密切相關, 因此需要嚴格控制顯影的時間?

(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, 其同時具有化學和物理刻蝕過程，它屬于干法刻蝕技術的一種,它的優點在于在低氣壓下,ICP刻蝕源仍然可以產生大量的等離子體?

ICP刻蝕系統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?

經簡化的電感耦合等離子體刻蝕系統結構示意如下圖所示：

電感耦合等離子體刻蝕的常規操作過程是:

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 來使樣品達到所需的溫度? 樣品較高的溫度有助于刻蝕副產物的揮發, 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產生的射頻會使環形耦合線圈產生感應電場,導致混合刻蝕氣體輝光放電,產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,這會對刻蝕過程產生影響?

第四步,產生的等離子體在Table bias的RF射頻作用下加速移動到樣品表面,與樣品表面發生化學反應,生成揮發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?

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、等離子體增強化學氣相沉積

等離子體增強化學氣相沉積(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition ,PECVD )技術被廣泛應用于各種薄膜的制備(如:硅?氮化硅和二氧化硅等)?

PECVD系統的結構示意圖如下圖所示：

其基本原理是:向沉積室中充入含有薄膜組份的氣態物質,利用輝光放電使氣態物質發生化學反應而生成等離子體,等離子體沉積在襯底上就生長出了薄膜材料?

激發輝光放電的方法主要有:射頻激發?直流高壓激發?脈沖激發和微波激發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, 在較低的沉積溫度下可以達到高的沉積速度?

通常來看, 薄膜的生長主要包括以下三個過程:

第一步,反應氣體在電磁場的激勵下,輝光放電產生等離子體?在這個過程電子會與反應氣體碰撞, 發生初級反應,導致反應氣體分解產生離子和活性基團?

第二步,初級反應產生的各種產物向襯底方向移動,同時各種活性基團和離子發生次級反應,生成次級產物?

第三步,到達襯底表面的各種初級產物和次級產物被吸附并與表面發生反應,同時伴隨有氣相分子物的再放出?

四、聚焦離子束技術

聚焦離子束(Focused Ion Beam, FIB)類似于聚焦電子束,都是將帶電粒子經過電磁場聚焦而形成亞微米甚至納米量級的細束,可以應用于離子束曝光和成像?

除此之外,相比于電子,離子具有大的質量? 因此,離子束可以將固體表面的原子直接濺射出來, 進而發展成為種廣泛應用的直接加工工具?

下圖為聚焦離子束系統的結構示意圖：

FIB系統主要由離子發射源?離子光柱?樣品臺和真空與控制系統組成?

聚焦離子束系統主要的應用有：

(1)離子束成像

離子束照射在樣品表面后會激發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, 然后經過處理可以顯示材料表面形貌的圖像? 激發的二次電子的數目不僅與樣品的相貌有關, 還與晶體取向和樣品原子質量有關?因此, 相比于掃描電子顯微鏡, 離子束成像可以獲得更多關于樣品的信息, 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?

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點?

(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域,當離子束轟擊該區域時,非活性氣體分子分解產生的非揮發性物質,不會被真空系統抽走,而是沉積到了樣品表面?

離子束具有操作靈活的優點, 因此可以在材料表面沉積任意形狀的結構?

離子束可以沉積金屬材料, 同時也可以沉積絕緣體材料?