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文檔簡(jiǎn)介

1、光刻技術(shù)原理光刻技術(shù)原理 1光刻技術(shù)總概 2光刻技術(shù)的發(fā)展 3一般的光刻工藝工序 4展望 1光刻技術(shù)總概光刻技術(shù)總概v光刻技術(shù)是指集成電路制造中利用光學(xué)- 化學(xué)反應(yīng)原理和化學(xué)、物理刻蝕方法,將電路圖形傳遞到單晶表面或介質(zhì)層上,形成有效圖形窗口或功能圖形的工藝技術(shù)。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,光刻技術(shù)傳遞圖形的尺寸限度縮小了23個(gè)數(shù)量級(jí)(從毫米級(jí)到亞微米級(jí)),已從常規(guī)光學(xué)技術(shù)發(fā)展到應(yīng)用電子束、 X射線、微離子束、激光等新技術(shù);使用波長(zhǎng)已從4000埃擴(kuò)展到 0.1埃數(shù)量級(jí)范圍。光刻技術(shù)成為一種精密的微細(xì)加工技術(shù)。常規(guī)光刻技術(shù)是采用波長(zhǎng)為20004500埃的紫外光作為圖像信息載體,以光致抗蝕劑為中間(圖像

2、記錄)媒介實(shí)現(xiàn)圖形的變換、轉(zhuǎn)移和處理,最終把圖像信息傳遞到晶片(主要指硅片)或介質(zhì)層上的一種工藝(圖1)。在廣義上,它包括光復(fù)印和刻蝕工藝兩個(gè)主要方面。 光復(fù)印工藝:經(jīng)曝光系統(tǒng)將預(yù)制在掩模版上的器件或電路圖形按所要求的位置,精確傳遞到預(yù)涂在晶片表面或介質(zhì)層上的光致抗蝕劑薄層上。 刻蝕工藝:利用化學(xué)或物理方法,將抗蝕劑薄層未掩蔽的晶片表面或介質(zhì)層除去,從而在晶片表面或介質(zhì)層上獲得與抗蝕劑薄層圖形完全一致的圖形。集成電路各功能層是立體重疊的,因而光刻工藝總是多次反復(fù)進(jìn)行。例如,大規(guī)模集成電路要經(jīng)過(guò)約10次光刻才能完成各層圖形的全部傳遞 在狹義上,光刻工藝僅指光復(fù)印工藝,即圖1中從到或從到的工藝過(guò)程

3、。光復(fù)印工藝的主要流程如圖2。 曝光方式常用的曝光方式 v分類如下:接觸式曝光和非接觸式曝光的區(qū)別,在于曝光時(shí)掩模與晶片間相對(duì)關(guān)系是貼緊還是分開。接觸式曝光具有分辨率高、復(fù)印面積大、復(fù)印精度好、曝光設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便和生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)。但容易損傷和沾污掩模版和晶片上的感光膠涂層,影響成品率和掩模版壽命,對(duì)準(zhǔn)精度的提高也受到較多的限制。一般認(rèn)為,接觸式曝光只適于分立元件和中、小規(guī)模集成電路的生產(chǎn)。非接觸式曝光主要指投影曝光。在投影曝光系統(tǒng)中,掩膜圖形經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像在感光層上,掩模與晶片上的感光膠層不接觸,不會(huì)引起損傷和沾污,成品率較高,對(duì)準(zhǔn)精度也高,能滿足高集成度器件和電路生產(chǎn)的要求。但投影曝光

4、設(shè)備復(fù)雜,技術(shù)難度高,因而不適于低檔產(chǎn)品的生產(chǎn)?,F(xiàn)代應(yīng)用最廣的是 1:1倍的全反射掃描曝光系統(tǒng)和x:1倍的在硅片上直接分步重復(fù)曝光系統(tǒng)。 直接分步重復(fù)曝光系統(tǒng) (DSW) 超大規(guī)模集成電路需要有高分辨率、高套刻精度和大直徑晶片加工。直接分步重復(fù)曝光系統(tǒng)是為適應(yīng)這些相互制約的要求而發(fā)展起來(lái)的光學(xué)曝光系統(tǒng)。主要技術(shù)特點(diǎn)是:采用像面分割原理,以覆蓋最大芯片面積的單次曝光區(qū)作為最小成像單元,從而為獲得高分辨率的光學(xué)系統(tǒng)創(chuàng)造條件。采用精密的定位控制技術(shù)和自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行重復(fù)曝光,以組合方式實(shí)現(xiàn)大面積圖像傳遞,從而滿足晶片直徑不斷增大的實(shí)際要求??s短圖像傳遞鏈,減少工藝上造成的缺陷和誤差,可獲得很高的成品

5、率。采用精密自動(dòng)調(diào)焦技術(shù),避免高溫工藝引起的晶片變形對(duì)成像質(zhì)量的影響。采用原版自動(dòng)選擇機(jī)構(gòu)(版庫(kù)),不但有利于成品率的提高,而且成為能靈活生產(chǎn)多電路組合的常規(guī)曝光系統(tǒng)。這種系統(tǒng)屬于 v精密復(fù)雜的光、機(jī)、電綜合系統(tǒng)。它在光學(xué)系統(tǒng)上分為兩類。一類是全折射式成像系統(tǒng),多采用1/51/10的縮小倍率,技術(shù)較成熟;一類是1:1倍的折射-反射系統(tǒng),光路簡(jiǎn) 單,對(duì)使用條件要求較低。光致抗蝕劑 簡(jiǎn)稱光刻膠或抗蝕劑,指光照后能改變抗蝕能力的高分子化合物。光蝕劑分為兩大類。正性光致抗蝕劑:受光照部分發(fā)生降解反應(yīng)而能為顯影液所溶解。留下的非曝光部分的圖形與掩模版一致。正性抗蝕劑具有分辨率高、對(duì)駐波效應(yīng)不敏感、曝光容

6、限大、針孔密度低和無(wú)毒性等優(yōu)點(diǎn),適合于高集成度器件的生產(chǎn)。負(fù)性光致抗蝕劑:受光照部分產(chǎn)生交鏈反應(yīng)而成為不溶物,非曝光部分被顯影液溶解,獲得的圖形與掩模版圖形互補(bǔ)。負(fù)性抗蝕劑的附著力強(qiáng)、靈敏度高、顯影條件要求不嚴(yán),適于低集成度的器件的生產(chǎn)。 半導(dǎo)體器件和集成電路對(duì)光刻曝光技術(shù)提出了越來(lái)越高的要求,在單位面積上要求完善傳遞圖像的信息量已接近常規(guī)光學(xué)的極限。光刻曝光的常用波長(zhǎng)是36504358 埃,預(yù)計(jì)實(shí)用分辨率約為1微米。幾何光學(xué)的原理,允許將波長(zhǎng)向下延伸至約2000埃的遠(yuǎn)紫外波長(zhǎng),此時(shí)可達(dá)到的實(shí)用分辨率約為0.50.7微米。微米級(jí)圖形的光復(fù)印技術(shù)除要求先進(jìn)的曝光系統(tǒng)外,對(duì)抗蝕劑的特性、成膜技術(shù)、

7、顯影技術(shù)、超凈環(huán)境控制技術(shù)、刻蝕技術(shù)、硅片平整度、變形控制技術(shù)等也有極高的要求。因此,工藝過(guò)程的自動(dòng)化和數(shù)學(xué)模型化是兩個(gè)重要的研究方向。v光刻工藝也被稱為大家熟知的Photomasking, masking, photolithography, 或microlithography。在晶圓的制造過(guò)程中,晶體三極管、二極管、電容、電阻和金屬層的各種物理部件 v在晶圓表面或表層內(nèi)構(gòu)成。這些部件是每次在一個(gè)掩膜層上生成的,并且結(jié)合生成薄膜及去除特定部分,通過(guò)光刻工藝過(guò)程,最終在晶圓上保留特征圖形的部分。光刻生產(chǎn)的目標(biāo)是根據(jù)電路設(shè)計(jì)的要求,生成尺寸精確的特征圖形,并且在晶圓表面的位置正確且與其它部件(p

8、arts)的關(guān)聯(lián)正確。v光刻是所有四個(gè)基本工藝中最關(guān)鍵的。光刻確定了器件的關(guān)鍵尺寸。光刻過(guò)程中的錯(cuò)誤可造成圖形歪曲或套準(zhǔn)不好,最終可轉(zhuǎn)化為對(duì)器件的電特性產(chǎn)生影響。圖形的錯(cuò)位也會(huì)導(dǎo)致類似的不良結(jié)果。光刻工藝中的另一個(gè)問(wèn)題是缺陷。光刻是高科技版本的照相術(shù),只不過(guò)是在難以置信的微小尺寸下完成。在制程中的污染物會(huì)造成缺陷。事實(shí)上由于光刻在晶圓生產(chǎn)過(guò)程中要完成5層至20層或更多,所以污染問(wèn)題將會(huì)放大。 2光刻技術(shù)的發(fā)展光刻技術(shù)的發(fā)展v半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展一直遵循著“摩爾定律”,即每隔約1824個(gè)月,單個(gè)芯片上晶體管數(shù)目將增加一倍。 集成電路已經(jīng)從60年代的每個(gè)芯片上僅幾十個(gè)期間法轉(zhuǎn)到現(xiàn)在的每個(gè)芯片可包含

9、約上一個(gè)器件。Intel公司1993年推出的奔騰芯片共集成了310萬(wàn)個(gè)晶體管,2001年退出的奔騰4芯片則集成了5500萬(wàn)個(gè)晶體管,預(yù)計(jì)在2007年推出的芯片則將集成10億個(gè)以上的晶體管半導(dǎo)體制造工藝一直以來(lái)每?jī)芍寥昃涂缟弦粋€(gè)新的臺(tái)階。v隨著20世紀(jì)80年代末納米技術(shù)的興起,它的發(fā)展大大拓寬和深化了人們對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí),并帶來(lái)新一輪的技術(shù)革命。納米電子學(xué),納米材料,納米機(jī)械共同組成了納米高技術(shù)群體,它的出現(xiàn)標(biāo)志著高新技術(shù)進(jìn)入一個(gè)嶄新的發(fā)展階段。v隨著芯片集成度的提高,對(duì)光刻技術(shù)提出了越來(lái)越高的技術(shù).在80年代,普遍認(rèn)為光學(xué)光刻技術(shù)所能達(dá)到的極限分辨率為0.5m,隨著一些新技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展,包

10、括光源,成像透鏡,光致抗蝕劑,分布掃描技術(shù)以及光刻分辨率增強(qiáng)技術(shù)的發(fā)展,使其光刻技術(shù)已推進(jìn)到目前60nm,據(jù)說(shuō),Intel公司正在進(jìn)行45nm技術(shù)的光刻.v大半個(gè)芯片上晶體管數(shù)目的增長(zhǎng)是以光刻技術(shù)所能獲得的特征線寬(CD)不斷減少來(lái)實(shí)現(xiàn)的,因此,每一代集成電路的出現(xiàn),總是以光刻所獲得的最小線寬為主要技術(shù)標(biāo)志,半導(dǎo)體技術(shù)之所以能飛速發(fā)展,光刻技術(shù)的支持起到了極為關(guān)鍵的作用,因?yàn)樗苯記Q定單個(gè)期間的物理尺寸。最早推出的奔騰4芯片采用的是0.18m,2003年奔騰4芯片采用0.13m,2004年退出的一部分奔騰4芯片將采用0.09m工藝. 3一般的光刻工藝工序一般的光刻工藝工序v一般的光刻工藝要經(jīng)歷

11、硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻膠、軟烘、對(duì)準(zhǔn)曝光、后烘、顯影、硬烘、刻蝕、檢測(cè)等工序 3.1、硅片清洗烘干 3.2、涂底 3.3、旋轉(zhuǎn)涂膠 3.4、軟烘 3.5、邊緣光刻膠的去除 3.6、對(duì)準(zhǔn) 3.7、曝光常用的曝光方式分類 3.8、后烘 3.9、顯影 3.10、硬烘3.1、硅片清洗烘干 v方法:濕法清洗去離子水沖洗脫水烘焙(熱板1502500C,12分鐘,氮?dú)獗Wo(hù))v 目的:a、除去表面的污染物(顆粒、有機(jī)物、工藝殘余、可動(dòng)離子);b、除去水蒸氣,是基底表面由親水性變?yōu)樵魉?,增?qiáng)表面的黏 附性(對(duì)光刻膠或者是HMDS-六甲基二硅胺烷)。3.2、涂底 v方法:a、氣相成底膜的熱板涂底。HM

12、DS蒸氣淀積,2002500C,30秒鐘;優(yōu)點(diǎn):涂底均勻、避免顆粒污染;b、旋轉(zhuǎn)涂底。缺點(diǎn):顆粒污染、涂底不均勻、HMDS用量大。v目的:使表面具有疏水性,增強(qiáng)基底表面與光刻膠的黏附性。3.3、旋轉(zhuǎn)涂膠、旋轉(zhuǎn)涂膠v方法:a、靜態(tài)涂膠(Static)。硅片靜止時(shí),滴膠、加速旋轉(zhuǎn)、甩膠、揮發(fā)溶劑(原光刻膠的溶劑約占6585%,旋涂后約占1020%);b、動(dòng)態(tài)(Dynamic)。低速旋轉(zhuǎn)(500rpm_rotation per minute)、滴膠、加速旋轉(zhuǎn)(3000rpm)、甩膠、揮發(fā)溶劑。v 決定光刻膠涂膠厚度的關(guān)鍵參數(shù):光刻膠的黏度(Viscosity),黏度越低,光刻膠的厚度越薄;旋轉(zhuǎn)速度,

13、速度越快,厚度越??;v影響光刻膠均勻性的參數(shù):旋轉(zhuǎn)加速度,加速越快越均勻;與旋轉(zhuǎn)加速的時(shí)間點(diǎn)有關(guān)。v 一般旋涂光刻膠的厚度與曝光的光源波長(zhǎng)有關(guān)(因?yàn)椴煌?jí)別的曝光波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)不同的光刻膠種類和分辨率):I-line最厚,約0.73m;KrF的厚度約0.40.9m;ArF的厚度約0.20.5m 3.4、軟烘(、軟烘(Soft Baking)v方法:真空熱板,851200C,3060秒;v目的:除去溶劑(47%);增強(qiáng)黏附性;釋放光刻膠膜內(nèi)的應(yīng)力;防止光刻膠玷污設(shè)備;3.5、邊緣光刻膠的去除、邊緣光刻膠的去除 v光刻膠涂覆后,在硅片邊緣的正反兩面都會(huì)有光刻膠的堆積。邊緣的光刻膠一般涂布不均勻,不能得到

14、很好的圖形,而且容易發(fā)生剝離(Peeling)而影響其它部分的圖形。所以需要去除。v 方法:a、化學(xué)的方法(Chemical EBR)。軟烘后,用PGMEA或EGMEA去邊溶劑,噴出少量在正反面邊緣出,并小心控制不要到達(dá)光刻膠有效區(qū)域;b、光學(xué)方法(Optical EBR)。即硅片邊緣曝光(WEE,Wafer Edge Exposure)。在完成圖形的曝光后,用激光曝光硅片邊緣,然后在顯影或特殊溶劑中溶解;3.6、對(duì)準(zhǔn)(、對(duì)準(zhǔn)(Alignment)v對(duì)準(zhǔn)方法:a、預(yù)對(duì)準(zhǔn),通過(guò)硅片上的notch或者flat進(jìn)行激光自動(dòng)對(duì)準(zhǔn);b、通過(guò)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)志(Align Mark),位于切割槽(Scribe Li

15、ne)上。另外層間對(duì)準(zhǔn),即套刻精度(Overlay),保證圖形與硅片上已經(jīng)存在的圖形之間的對(duì)準(zhǔn)。 3.7、曝光常用的曝光方式分類、曝光常用的曝光方式分類如下: v 曝光中最重要的兩個(gè)參數(shù)是:曝光能量(Energy)和焦距(Focus)。如果能量和焦距調(diào)整不好,就不能得到要求的分辨率和大小的圖形。表現(xiàn)為圖形的關(guān)鍵尺寸超出要求的范圍。v接觸式曝光和非接觸式曝光的區(qū)別,在于曝光時(shí)掩模與晶片間相對(duì)關(guān)系是貼緊還是分開。接觸式曝光具有分辨率高、復(fù)印面積大、復(fù)印精度好、曝光設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便和生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)。但容易損傷和沾污掩模版和晶片上的感光膠涂層,影響成品率和掩模版壽命,對(duì)準(zhǔn)精度的提高也受到較多的限制

16、。一般認(rèn)為,接觸式曝光只適于分立元件和中、小規(guī)模集成電路的生產(chǎn) v曝光方法:v a、接觸式曝光(Contact Printing)。掩膜板直接與光刻膠層接觸。曝光出來(lái)的圖形與掩膜板上的圖形分辨率相當(dāng),設(shè)備簡(jiǎn)單。缺點(diǎn):光刻膠污染掩膜板;掩膜板的磨損,壽命很低(只能使用525次);1970前使用,分辨率0.5m。v b、接近式曝光(Proximity Printing)。掩膜板與光刻膠層的略微分開,大約為1050m??梢员苊馀c光刻膠直接接觸而引起的掩膜板損傷。但是同時(shí)引入了衍射效應(yīng),降低了分辨率。1970后適用,但是其最大分辨率僅為24m。vc、投影式曝光(Projection Printing)

17、。在掩膜板與光刻膠之間使用透鏡聚集光實(shí)現(xiàn)曝光。一般掩膜板的尺寸會(huì)以需要轉(zhuǎn)移圖形的4倍制作。優(yōu)點(diǎn):提高了分辨率;掩膜板的制作更加容易;掩膜板上的缺陷影響減小。v投影式曝光分類:v掃描投影曝光(Scanning Project Printing)。70年代末80年代初,1m工藝;掩膜板1:1,全尺寸;v 步進(jìn)重復(fù)投影曝光(Stepping-repeating Project Printing或稱作Stepper)。80年代末90年代,0.35m(I line)0.25m(DUV)。掩膜板縮小比例(4:1),曝光區(qū)域(Exposure Field)2222mm(一次曝光所能覆蓋的區(qū)域)。增加了棱鏡系

18、統(tǒng)的制作難度。v掃描步進(jìn)投影曝光(Scanning-Stepping Project Printing)。90年代末至今,用于0.18m工藝。采用6英寸的掩膜板按照4:1的比例曝光,曝光區(qū)域(Exposure Field)2633mm。優(yōu)點(diǎn):增大了每次曝光的視場(chǎng);提供硅片表面不平整的補(bǔ)償;提高整個(gè)硅片的尺寸均勻性。但是,同時(shí)因?yàn)樾枰聪蜻\(yùn)動(dòng),增加了機(jī)械系統(tǒng)的精度要求。v 在曝光過(guò)程中,需要對(duì)不同的參數(shù)和可能缺陷進(jìn)行跟蹤和控制,會(huì)用到檢測(cè)控制芯片/控片(Monitor Chip)。根據(jù)不同的檢測(cè)控制對(duì)象,可以分為以下幾種:a、顆??仄≒article MC):用于芯片上微小顆粒的監(jiān)控,使用前其

19、顆粒數(shù)應(yīng)小于10顆;b、卡盤顆??仄?v(Chuck Particle MC):測(cè)試光刻機(jī)上的卡盤平坦度的專用芯片,其平坦度要求非常高;c、焦距控片(Focus MC):作為光刻機(jī)監(jiān)控焦距監(jiān)控;d、關(guān)鍵尺寸控片(Critical Dimension MC):用于光刻區(qū)關(guān)鍵尺寸穩(wěn)定性的監(jiān)控;e、光刻膠厚度控片(PhotoResist Thickness MC):光刻膠厚度測(cè)量;f、光刻缺陷控片(PDM,Photo Defect Monitor):光刻膠缺陷監(jiān)控。v 舉例:0.18m的CMOS掃描步進(jìn)光刻工藝。v 光源:KrF氟化氪DUV光源(248nm);v 數(shù)值孔徑NA:0.60.7;v 焦深

20、DOF:0.7m;v 分辨率Resolution:0.180.25m(一般采用了偏軸照明OAI_Off-Axis Illumination和相移掩膜板技術(shù)PSM_Phase Shift Mask增強(qiáng));v 套刻精度Overlay:65nm;v 產(chǎn)能Throughput:3060wafers/hour(200mm);v 視場(chǎng)尺寸Field Size:2532mm;3.8、后烘、后烘v后烘(后烘(PEB,Post Exposure Baking)v 方法:熱板,1101300C,1分鐘。v目的:a、減少駐波效應(yīng);b、激發(fā)化學(xué)增強(qiáng)光刻膠的PAG產(chǎn)生的酸與光刻膠上的保護(hù)基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)并移除基團(tuán)使之能溶解

21、于顯影液 3.9、顯影(、顯影(Development)v方法:a、整盒硅片浸沒(méi)式顯影(Batch Development)。缺點(diǎn):顯影液消耗很大;顯影的均勻性差;b、連續(xù)噴霧顯影(Continuous Spray Development)/自動(dòng)旋轉(zhuǎn)顯影(Auto-rotation Development)。一個(gè)或多個(gè)噴嘴噴灑顯影液在硅片表面,同時(shí)硅片低速旋轉(zhuǎn)(100500rpm)。噴嘴噴霧模式和硅片旋轉(zhuǎn)速度是實(shí)現(xiàn)硅片間溶解率和均勻性的可重復(fù)性的關(guān)鍵調(diào)節(jié)參數(shù)。c、水坑(旋覆浸沒(méi))式顯影(Puddle Development)。噴覆足夠(不能太多,最小化背面濕度)的顯影液到硅片表面,并形成水坑形

22、狀(顯影液的流動(dòng)保持較低,以減少邊緣顯影速率的變化)。硅片固定或慢慢旋轉(zhuǎn)。一般采用多次旋覆顯影液:第一次涂覆、保持1030秒、去除;第二次涂覆、保持、去除。然后用去離子水沖洗(去除硅片兩面的所有化學(xué)品)并旋轉(zhuǎn)甩干。優(yōu)點(diǎn):顯影液用量少;硅片顯影均勻;最小化了溫度梯度。v 顯影液:a、正性光刻膠的顯影液。正膠的顯影液位堿性水溶液。KOH和NaOH因?yàn)闀?huì)帶來(lái)可動(dòng)離子污染(MIC,Movable Ion Contamination),所以在IC制造中一般不用。最普通的正膠顯影液是四甲基氫氧化銨(TMAH)(標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量濃度為0.26,溫度15250C)。在I線光刻膠曝光中會(huì)生成羧酸,TMAH顯影液中的堿與

23、酸中和使曝光的光刻膠溶解于顯影液,而未曝光的光刻膠沒(méi)有影響;在化學(xué)放大光刻膠(CAR,Chemical Amplified Resist)中包含的酚醛樹脂以PHS形式存在。CAR中的PAG產(chǎn)生的酸會(huì)去除PHS中的保護(hù)基團(tuán)(t-BOC),從而使PHS快速溶解于TMAH顯影液中。整個(gè)顯影過(guò)程中 vTMAH沒(méi)有同PHS發(fā)生反應(yīng)。b、負(fù)性光刻膠的顯影液。二甲苯。清洗液為乙酸丁脂或乙醇、三氯乙烯。v 顯影中的常見(jiàn)問(wèn)題:a、顯影不完全(Incomplete Development)。表面還殘留有光刻膠。顯影液不足造成;b、顯影不夠(Under Development)。顯影的側(cè)壁不垂直,由顯影時(shí)間不足造成;c、過(guò)度顯影(Over Development)??拷砻娴墓饪棠z被顯影液過(guò)度溶解,形成臺(tái)階。顯影時(shí)間太長(zhǎng)。3.10、硬烘(、硬烘(Hard Baking)v方法:熱板,1001300C(略高于玻璃化溫度Tg),12分鐘。v 目的:a、完全蒸發(fā)掉光刻膠里面的溶劑(以免在污染后續(xù)的離子注入環(huán)境,例如DNQ酚醛樹脂光刻膠中的氮會(huì)引起光刻膠局部爆裂);b、堅(jiān)膜,以提高光刻膠在離子注入或刻

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