浅谈几种常见半导体芯片加工工艺

一、电子束曝光技术

光刻是广泛应用的芯片加工技术之一，下图是常见的半导体加工工艺流程：

光刻广泛应用于芯片加工，但是其分辨率会受到光波长的限制｡

电子束曝光 ( ElectronBeam Lithography, EBL ) 是光刻技术的延伸应用｡

电子是一种带电粒子 , 其能量越高 , 波长越短｡ 当电子的能量为 100eV 时 , 其波长仅为 0.12nm，因此 , 电子束曝光可以获得非常高的分辨率｡

电子束曝光系统的结构示意图如下图所示：

主要包括 : 电子枪 , 电子枪准直系统 , 聚光透镜 , 电子束快门 , 变焦透镜 , 消像散器 , 限制模孔 , 投影透镜和偏转器｡

利用电子束曝光制备掩膜的一般步骤为 :

( 1 ) 样品表面处理

首先清洗样品去除样品表面的杂质 , 然后在烘箱中烘烤以确保样品表面干燥｡ 防止样品表面的杂质和水分对甩胶和曝光的质量产生影响｡

( 2 ) 匀胶

将光刻胶滴在样品中央 , 通过涂胶机的高速旋转在样品表面均匀涂覆光刻胶｡

光刻胶分为两种 : 正胶和负胶｡

正胶在曝光时使曝光区域溶解性增强 , 显影时感光部分溶解 , 不感光部分不溶解｡

负胶曝光时曝光区域变成交互链结 , 显影时感光部分不溶解 , 不感光部分溶解。

( 3 ) 前烘

目的是蒸发掉光刻胶中的有机溶剂｡

烘胶时间和温度需要控制时间，太短或温度过低不能把光刻胶中的溶剂蒸发 , 时间太长或温度过高将会破坏光刻胶中的增感剂活性｡

( 4 ) 曝光

将旋涂光刻胶的样品放置于电子束曝光机中 , 设置合适的条件如束流和剂量进行曝光 , 被曝光区光刻胶的性能会发生变化｡

( 5 ) 显影

将曝光后的样品放置在显影液中 , 所需的图案就显现出来。

样品图案质量与显影时间密切相关 , 因此需要严格控制显影的时间｡

( 6 ) 后烘

后烘可以使软化和膨胀的胶膜与样品粘附更加牢固 , 增加胶膜的抗刻蚀能力｡

二、电感耦合等离子体刻蚀

电感耦合等离子体刻蚀 ( Inductively Coupled Plasma , ICP ) 可以刻蚀掉样品表面没有被掩膜覆盖的地方而制备出特定的图案 , 其同时具有化学和物理刻蚀过程，它属于干法刻蚀技术的一种，它的优点在于在低气压下 ,ICP 刻蚀源仍然可以产生大量的等离子体｡

ICP 刻蚀系统具有两套射频电源于控制 , 其中一套缠绕在腔室外 ( ICP generator ) , 用于产生等离子体 , 一套位于样品台下方 ( Table bias ) , 用于加速等离子体｡

经简化的电感耦合等离子体刻蚀系统结构示意如下图所示：

电感耦合等离子体刻蚀的常规操作过程是 :

第一步 , 将样品放置于电感耦合等离子体刻蚀设备中｡

第二步 , 将腔体抽真空至低气压 , 通过控制 Cryo stage 和 Helium backing 来使样品达到所需的温度｡ 样品较高的温度有助于刻蚀副产物的挥发 , 从而提高刻蚀效率｡

第三步 , 将适合材料刻蚀的混合气体从 Gas inlet 充入腔体｡

ICP generator 产生的射频会使环形耦合线圈产生感应电场 , 导致混合刻蚀气体辉光放电 , 产生高密度的等离子体｡

增加 ICP 的功率将会增加等离子体的密度 , 这会对刻蚀过程产生影响｡

第四步 , 产生的等离子体在 Table bias 的 RF 射频作用下加速移动到样品表面 , 与样品表面发生化学反应 , 生成挥发性气体而离开样片表面，同时也存在物理刻蚀过程｡等离子体的动能与 Table bias 的射频功率相关｡

电感耦合等离子体刻蚀可以刻蚀 GaN､ AlGaN､ GaAs､InP､ InGaAs 和 Si 等材料 , 具有高的刻蚀速率和高抗刻蚀比｡

三、等离子体增强化学气相沉积

等离子体增强化学气相沉积 ( Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition ,PECVD ) 技术被广泛应用于各种薄膜的制备 ( 如 : 硅､氮化硅和二氧化硅等 ) ｡

PECVD 系统的结构示意图如下图所示：

其基本原理是 : 向沉积室中充入含有薄膜组份的气态物质 , 利用辉光放电使气态物质发生化学反应而生成等离子体 , 等离子体沉积在衬底上就生长出了薄膜材料｡

激发辉光放电的方法主要有 : 射频激发､直流高压激发､脉冲激发和微波激发组成成分都具有良好的均匀性｡

此外 , 利用 PECVD 制备的薄膜厚度和该方法沉积的薄膜附着力强 , 在较低的沉积温度下可以达到高的沉积速度｡

通常来看 , 薄膜的生长主要包括以下三个过程 :

第一步 , 反应气体在电磁场的激励下 , 辉光放电产生等离子体｡在这个过程电子会与反应气体碰撞 , 发生初级反应 , 导致反应气体分解产生离子和活性基团｡

第二步 , 初级反应产生的各种产物向衬底方向移动 , 同时各种活性基团和离子发生次级反应 , 生成次级产物｡

第三步 , 到达衬底表面的各种初级产物和次级产物被吸附并与表面发生反应 , 同时伴随有气相分子物的再放出｡

四、聚焦离子束技术

聚焦离子束 ( Focused Ion Beam, FIB ) 类似于聚焦电子束 , 都是将带电粒子经过电磁场聚焦而形成亚微米甚至纳米量级的细束 , 可以应用于离子束曝光和成像｡

除此之外 , 相比于电子 , 离子具有大的质量｡ 因此 , 离子束可以将固体表面的原子直接溅射出来 , 进而发展成为种广泛应用的直接加工工具｡

下图为聚焦离子束系统的结构示意图：

FIB 系统主要由离子发射源､离子光柱､样品台和真空与控制系统组成｡

聚焦离子束系统主要的应用有：

( 1 ) 离子束成像

离子束照射在样品表面后会激发样品表面的二次电子和二次离子｡

这些电子和离子随后被信号探测器收集 , 然后经过处理可以显示材料表面形貌的图像｡ 激发的二次电子的数目不仅与样品的相貌有关 , 还与晶体取向和样品原子质量有关｡因此 , 相比于扫描电子显微镜 , 离子束成像可以获得更多关于样品的信息 , 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 ) 离子束刻蚀

离子束刻蚀是聚焦离子束系统最主要的功能｡ 将 Ar､Kr 和 Xe 等惰性气体电离成等离子体后 , 然后离子束聚焦并加速轰击样品表面 , 导致样品表面的原子被溅射出来而形成刻蚀的效果｡

离子束刻蚀过程是个纯物理过程 , 溅射产额与离子能量､ 离子种类､ 离子入射角度和样品特性等因素相关｡

离子束刻蚀具有方向性好 , 分辨率高和刻蚀材料不受限制等优点｡

( 3 ) 离子束沉积

将非活性气体分子吸附到样品表面需要沉积的区域 , 当离子束轰击该区域时 , 非活性气体分子分解产生的非挥发性物质 , 不会被真空系统抽走 , 而是沉积到了样品表面｡

离子束具有操作灵活的优点 , 因此可以在材料表面沉积任意形状的结构｡

离子束可以沉积金属材料 , 同时也可以沉积绝缘体材料｡