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光刻垄断难解,技术难点在哪,ic交易网全告诉你

Auth:亿配芯城 Date:2019/12/9 Source:www.yibeiic.com Visit:75 Related Key Words: ic交易网 光刻机
人们常说,高端光刻机不仅昂贵,而且是国外的。那么什么是光刻机呢?在最后一篇文章中,我们谈到了从原材料到抛光晶片的制造过程。今天我们将讨论什么是光刻术。

晶体生长机晶片制造的第一步,我们已经在前一篇文章中讨论过了。今天我们将讨论光刻。让我们简单谈谈硅氧化(热氧化)。稍后我们将讨论蚀刻。

硅的氧化

它包括分立器件和集成电路制造过程中遇到的四种薄膜:热氧化薄膜、介电薄膜、多晶硅薄膜和金属薄膜。在图中,栅极氧化物层和场氧化物层都是通过热氧化产生的,因为只有热氧化可以提供具有最低界面陷阱密度的高质量氧化物层。

热氧化作用

氧化半导体有许多方法,如热氧化、电化学阳极氧化和等离子体化学气相沉积。其中,热氧化是硅基器件制造中最常见、最重要的方法和关键工艺。

该组合物包括电阻加热氧化炉和圆柱形熔融石英管。开槽的应时舟置于石英管中,应时槽用于垂直放置硅片,注入口用于注入高纯干氧或高纯水蒸气(即干氧氧化和湿氧氧化:两者的反应方程式不同,干氧氧化产生的氧化层具有更好的电性能,但产生速度会慢于湿氧氧化。因此,我们通常对相对薄的氧化物层使用干氧氧化;湿氧氧化用于相对较厚的)。

氧化温度一般保持在900 ~ 1200℃。其中,有必要控制温度从低温线性上升到氧化所需的温度,以避免温度突然变化导致硅晶片变形的风险。同时,有必要在氧化过程中将温度保持在一定范围内,并在氧化后线性降低温度。

热氧化产生的二氧化硅是规则的四面体结构。硅原子位于四面体的中心,四个氧原子位于四面体的四个顶点。这种二氧化硅属于无定形结构,密度低,使得各种杂质进入并容易扩散到整个氧化硅层。

在热氧化过程中,硅表面附近的杂质浓度会形成再分布。我们称硅中杂质的平衡密度与二氧化硅中杂质的平衡密度之比为偏析系数k。二氧化硅中掺杂杂质的再分布很少具有电活性,但硅中掺杂杂质的再分布在氧化过程和器件制造过程中起着重要作用。

二氧化硅的掩模性能

当温度升高时,二氧化硅层可以为杂质扩散提供掩模。无论是杂质的预沉积,还是离子注入、化学扩散和其他技术,它通常都会导致在氧化物表面上或附近产生掺杂杂质源。在随后的高温工艺步骤中,氧化掩模区域中的扩散必须足够慢,以防止掺杂杂质通过氧化掩模层扩散到硅表面。氧化物掩模层的厚度一般通过实验测试获得,主要在特定的温度和时间下,低掺杂硅衬底不能反转(典型的氧化物掩模层厚度为0.5 um ~ 1 um)。总之,二氧化硅是一种高质量的绝缘材料。二氧化硅层可以通过热生长方法形成在硅晶片上,其可以在杂质注入和扩散中用作阻挡层。

目前,荷兰的ASML对于45纳米以下的高端光刻机拥有80%的市场份额,ASML可以说是唯一能够提供7纳米的光刻机制造商。我国对光刻机的研究仍处于先进阶段。去年,中国科学院光电技术研究所推出了22纳米光刻机,极大地推动了国内光刻机的发展。那我们来看看什么是平版印刷术。

光刻

光刻是指将掩模上的几何图形转移到涂覆在半导体晶片表面的光敏薄层材料(即我们所说的光刻胶)上的过程。这些几何形状定义了集成电路中的各种区域,例如离子注入区域、接触窗口、引线键合区域等。然而,由光刻工艺引起的光致抗蚀剂上的图案仅仅是电路图案的印记。为了生成电路图案,我们需要再次将光致抗蚀剂上的图案转移到光致抗蚀剂下面的每一层。这个过程就是我们所说的蚀刻。

今天我们主要讨论光刻的以下几个部分:曝光装置、掩模、光刻胶和结论。

曝光装置

图形的转移主要是通过曝光设备完成的。然而,曝光设备的性能主要取决于三个部分:分辨率、对准精度和生产效率。分辨率是指可以精确转移到半导体表面光刻胶上的最小特征尺寸值。对准精度是指硅晶片上的每个掩模和先前图案能够相互对准的精度。生产效率是指掩模在固定时间内可以曝光的硅片数量。以上三点是测量曝光设备性能的主要参数。

基本的曝光方法分为两种:阴影和投影。
光刻机
掩蔽曝光:

根据掩模和硅晶片之间的距离,掩模曝光可以分为接触曝光和邻近曝光。在接触曝光中,当掩模与硅晶片接触时,硅晶片上的灰尘颗粒或硅渣将嵌入掩模中,导致掩模的永久损坏,并在后续使用中在每个暴露的硅晶片上留下缺陷。

为了避免上述缺点,可以对邻近曝光进行采样,即掩模和硅晶片之间有一个小间隙,通常为10 ~ 50um。然而,这些缺点会相应地降低分辨率。

投影曝光:

为了弥补曝光的一些缺点,出现了所谓的投影曝光法。掩模上的图案被投射到涂有光致抗蚀剂的硅晶片上。为了提高分辨率,一次只暴露一小部分掩模,然后通过扫描或逐步重复的方法将整个掩模暴露在硅晶片上。

由于每次曝光的一小部分,掩模图案可以被缩小并投影到硅晶片上,并且缩小系数取决于所使用的透镜和掩模的能力。这种投影曝光可以曝光较大的晶片,而无需重新设计透镜。
光刻机
掩饰

制作掩模类似于制作印刷电路板。首先,我们使用绘图软件绘制具有电气功能的电路图形。然后我们使用电子束光刻系统将图案直接转移到对电子束敏感的掩模上。面罩由镀铬玻璃板组成。电路图案首先转移到对电子束敏感的掩模上,然后转移到下面的镀铬层上,得到最终掩模。集成电路的制造通常分为几个掩模层,例如,隔离区中的一层、栅极区中的一层等。其大小可以是几十层。掩模的一个重要指标是缺陷密度。在制作掩模的过程中或者在随后的图像曝光过程中,缺陷将被带到掩模上。这样,器件的产量就会受到影响。

光刻胶

光致抗蚀剂,也称为抗蚀剂,是一种对辐射敏感的化合物。根据其辐射响应特性,它可以分为正的和负的。正胶由三种成分组成:感光剂、树脂基质和有机溶剂。曝光前,光敏剂不溶于显影剂。曝光后,曝光区域中的光敏剂由于吸收光能而改变其化学结构,并变得可溶于显影剂。显影后,曝光区域中的光致抗蚀剂被去除。

负胶体是一种含有光敏剂的聚合物。曝光后,光敏剂吸收光能并将其转化为化学能,引起链式反应,导致聚合物分子之间的交联。交联聚合物分子量较高,不溶于显影液。显影后,未曝光部分溶解。负性光致抗蚀剂的主要缺点之一是光致抗蚀剂会吸收显影剂溶剂并在显影过程中膨胀,从而限制负性光致抗蚀剂的分辨率。

结论

随着集成电路变得更集成和尺寸更小(亚微米到纳米级),光刻设备和工艺也在不断改进。更高的分辨率、更深的聚焦深度和更宽的曝光范围一直面临着不同的挑战。通过缩短曝光装置的波长、显影新的光致抗蚀剂、显影掩模性能(具有增强分辨率的相移掩模PSM)和各种曝光方法(例如电子束曝光、x光曝光、离子束曝光和超紫外(EUV)曝光)等,光刻工艺可以得到改进。光刻技术在半导体发展中变得越来越重要。然而,由于种种困难,它也被部分垄断,这也造就了一个像我们这样坚持解决棘手问题的国家。尽管前面的路很艰难,但未来仍然充满希望。

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