晶閘管光刻的工藝原理分析

張猛

摘 要：光刻工藝是一種復(fù)印圖像同化學(xué)腐蝕相結(jié)合的技術(shù)。它先采用照相復(fù)印的方法，把光刻版上的圖形精確地復(fù)印在涂有感光膠的二氧化硅層或金屬蒸發(fā)層上，然后利用光刻膠的保護(hù)作用，對二氧化硅或金屬層進(jìn)行選擇性腐蝕，從而在二氧化硅或金屬層上得到與光刻版相應(yīng)的圖形。

關(guān)鍵詞：晶閘管;光刻;工藝原理

現(xiàn)代電力電子技術(shù)不論對改造電力、機(jī)械、礦冶、交通等傳統(tǒng)工業(yè)，還是對新的航天、通信、機(jī)器人等高技本產(chǎn)業(yè)都至關(guān)重要，己迅速發(fā)展成為一門獨(dú)立學(xué)科，其應(yīng)用領(lǐng)域幾乎涉及到國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)工業(yè)部門。電力電子器件作為電力電子技術(shù)的一個(gè)重要分支，近十年來取得了飛速的發(fā)展，大大拓寬了電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍。光刻工藝通常包括：基片預(yù)處理、涂膠、前烘、曝光、中烘、顯影、清洗、后烘、蝕刻、去膠等.實(shí)驗(yàn)表明，曝光時(shí)間、曝光劑量、顯影液濃度和顯影時(shí)間等都會(huì)對光刻工藝產(chǎn)生顯著影響，進(jìn)而影響光刻膠的分辨率及光刻線條的質(zhì)量.因此光刻工藝步驟繁多，工藝要求十分精細(xì)。

光刻工藝原理

1、涂膠。硅片表面狀況對光刻膠與硅片粘附好壞影響極大，是決定光刻成敗的最重要因素之一。氧化結(jié)束后，最好立即從爐中取出硅片裝在干凈的PFA片藍(lán)，送光刻工序進(jìn)行涂膠。若不能馬上涂，可貯存在氮?dú)庀渲谢虮４嬖诟稍锼铮磕z之前先在200℃烘箱中烘30 分鐘再進(jìn)行涂膠。若硅片放置太久或光刻返工，則應(yīng)處理干凈。對反刻鋁的芯片，則應(yīng)用丙酮去油，烘干后進(jìn)行涂膠。涂膠方法有浸涂法、噴涂法、旋轉(zhuǎn)法和擦涂法，常用旋轉(zhuǎn)法和擦涂法。

（1）擦涂法：用脫脂棉或紗布沾膠后，在硅片表面擦涂。此法簡單易行，但膠膜薄厚不易控制，且不均勻，易沾上棉花毛，對要求不高的產(chǎn)品尚可使用，比較適合于小型個(gè)體企業(yè)使用。

（2）旋轉(zhuǎn)法：旋轉(zhuǎn)法又分為旋轉(zhuǎn)板式涂敷法和自轉(zhuǎn)式涂敷法，利用模具和電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，將膠涂在硅片表面，光刻膠膜非常均勻，能充分保證光刻質(zhì)量，勻膠的清潔處理也比較方便。適用于現(xiàn)代化的大生產(chǎn)線，生產(chǎn)效率極高。

2、前烘

目的是使光刻膠中的溶劑得到充分揮發(fā)，使膠干燥，以承受接觸曝光過程中與光刻板的摩擦，同時(shí)也有利發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，并能得到好的抗蝕能力。

（1）前烘的方法：將涂好光刻膠的硅片放入干凈的烘箱中，80℃烘30 分鐘。

（2）前烘的時(shí)間和溫度要合適。溫度高，時(shí)間長，光刻膠與二氧化硅膜附著程度好。但溫度過高，時(shí)間過長，又會(huì)破壞光刻膠，使顯影不干凈，圖形受到破壞。若溫度過低，時(shí)間過短，容易產(chǎn)生脫膠，圖形變形。

3、曝光。曝光是在涂好光刻膠的硅片上面，放置一塊掩摸版，用紫外線（高壓汞燈）進(jìn)行照射，使光照部分的光刻膠發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，經(jīng)過顯影在膠膜上顯現(xiàn)出與掩膜相對應(yīng)的圖形。曝光的方法：

（1）汞燈預(yù)熱15 分鐘，使光源穩(wěn)定。

（2）把光刻版安裝在支架上，硅片放在可上下、前后、左右微調(diào)的工作臺(tái)上（膠面在上），將光刻版移到硅片上方，在顯微鏡下，使光刻版與硅片的相應(yīng)位置對準(zhǔn)進(jìn)行定位（不能貼得太緊）。

（3）將定好位的整套機(jī)構(gòu)推至曝光燈下曝光，先試曝1～2 片，找準(zhǔn)合適的曝光時(shí)間，然后進(jìn)行曝光作業(yè)，在一定的曝光時(shí)間內(nèi)，受感光的分子相對比例較小，表現(xiàn)出較強(qiáng)的抑制作用，使曝光區(qū)域與未曝光區(qū)域在顯影液中溶解速率相差不大，雖然曝光區(qū)域顯影完全，未曝光部分的圖形也保留較好，具有較好的效果.因此，PS與成膜樹脂質(zhì)量比在1：4時(shí)效果較好。

4、顯影。顯影就是把曝過光的硅片放在顯影液中將沒有感光部分的光刻膠去掉。電力電子行業(yè)最常用的是浸漬法，其顯影過程如下：由PS，成膜樹脂和溶劑的比例為1：4：10（質(zhì)量比）配置而成的光刻膠，4500 r/min的勻膠轉(zhuǎn)速，在110℃前烘1 min，曝光30 s，在1.0%的TMAH溶液中顯影25 s，在120℃烘板上后烘5 min，可獲得最佳光效果。

5、堅(jiān)膜。堅(jiān)膜的作用是強(qiáng)化膠膜與二氧化硅（或鋁膜）的結(jié)合力，一般是在高溫恒溫干燥箱中進(jìn)行，溫度180～200℃，時(shí)間30 分鐘。

6、腐蝕。腐蝕就是用適當(dāng)?shù)母g液把沒有光刻膠膜覆蓋的氧化層或金屬層腐蝕掉，而把有光刻膠覆蓋的區(qū)域保存下來。

（1）二氧化硅的腐蝕，腐蝕液配比：氫氟酸：氟化銨：去離子水=3ml：6g：10ml，氟化銨是緩沖劑。腐蝕過程：腐蝕前應(yīng)將硅片的陽極面涂一層光刻膠做保護(hù)。然后將加熱絲和測溫?zé)崤纪獍粚颖FA密封后，直接放入腐蝕液中，并引入了氮?dú)夤呐菅b置，以保證控溫精度和溫度的均勻性。

（2）鋁層的腐蝕。通常使用磷酸腐蝕液，其反應(yīng)式為2Al+6H3PO4=2Al（H2PO4）3+3H2↑，磷酸為85% 的濃磷酸，將芯片放進(jìn)腐蝕液中腐蝕至出圖形為止，腐蝕質(zhì)量得到了極大提升。

7、去膠。去膠方法有濕法去膠、氧氣去膠、等離子去膠等。

（1）濕法去膠。硅片去膠可用H2O2：H2SO4=1：3煮開10 分鐘，使陽極面涂也同時(shí)煮掉;鋁層上的膠膜，可在丙酮中浸泡，并用棉球擦去膠層。用負(fù)膠去膜劑浸泡，去膠效果更好。

（2）氧氣去膠。將待去膠的硅片放入450～530℃的氧化爐內(nèi)，通大流量氧氣（3～6 升/ 分），使膠被氧化成CO2 和H2O，被O2 吹出爐外。此方法適合于反刻鋁后的去膠。對于玻璃鈍化方片，因先做玻璃鈍化，后蒸發(fā)金屬層，無法做正常反刻，而采用氧氣燒膠較為合適。具體做法：硅片做好玻璃鈍化后，再做一次光刻，玻璃層上用光刻膠保護(hù)，蒸鋁后，只需用氧氣燒膠，燒后用毛刷刷去玻璃層上的光刻膠（已碳化）和鋁。

（3）等離子去膠。所謂等離子去膠是在反應(yīng)系統(tǒng)中通入少量的氧，在強(qiáng)電場作用下，使低氣壓的氧氣產(chǎn)生等離子體，其中活化氧（或稱活潑的原子態(tài)氧）占有適當(dāng)?shù)谋壤?，可以迅速地使光刻膠氧化成為可揮發(fā)性氣體狀態(tài)被機(jī)械泵抽走，把硅片上的光刻膠膜去除掉。等離子去膠操作方便，去膠效率高，表面干凈，無劃傷，硅片溫度低，有利于保證產(chǎn)品質(zhì)量。

通過對晶閘管制造過程中的光刻工序的涂膠、前烘、曝光、顯影、堅(jiān)膜、腐蝕、去膠的工藝原理分析，通過一次光刻能夠精確的對二氧化硅層進(jìn)行選擇性腐蝕;通過反刻得到所需圖形的陰極和門極鋁膜或其他金屬膜，為二次擴(kuò)散和引出電極做準(zhǔn)備。

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