晶闸管光刻的工艺原理分析

张猛

摘 要：光刻工艺是一种复印图像同化学腐蚀相结合的技术。它先采用照相复印的方法，把光刻版上的图形精确地复印在涂有感光胶的二氧化硅层或金属蒸发层上，然后利用光刻胶的保护作用，对二氧化硅或金属层进行选择性腐蚀，从而在二氧化硅或金属层上得到与光刻版相应的图形。

关键词：晶闸管;光刻;工艺原理

现代电力电子技术不论对改造电力、机械、矿冶、交通等传统工业，还是对新的航天、通信、机器人等高技本产业都至关重要，己迅速发展成为一门独立学科，其应用领域几乎涉及到国民经济的各个工业部门。电力电子器件作为电力电子技术的一个重要分支，近十年来取得了飞速的发展，大大拓宽了电力电子技术的应用范围。光刻工艺通常包括：基片预处理、涂胶、前烘、曝光、中烘、显影、清洗、后烘、蚀刻、去胶等.实验表明，曝光时间、曝光剂量、显影液浓度和显影时间等都会对光刻工艺产生显著影响，进而影响光刻胶的分辨率及光刻线条的质量.因此光刻工艺步骤繁多，工艺要求十分精细。

光刻工艺原理

1、涂胶。硅片表面状况对光刻胶与硅片粘附好坏影响极大，是决定光刻成败的最重要因素之一。氧化结束后，最好立即从炉中取出硅片装在干净的PFA片蓝，送光刻工序进行涂胶。若不能马上涂，可贮存在氮气箱中或保存在干燥塔里，涂胶之前先在200℃烘箱中烘30 分钟再进行涂胶。若硅片放置太久或光刻返工，则应处理干净。对反刻铝的芯片，则应用丙酮去油，烘干后进行涂胶。涂胶方法有浸涂法、喷涂法、旋转法和擦涂法，常用旋转法和擦涂法。

（1）擦涂法：用脱脂棉或纱布沾胶后，在硅片表面擦涂。此法簡单易行，但胶膜薄厚不易控制，且不均匀，易沾上棉花毛，对要求不高的产品尚可使用，比较适合于小型个体企业使用。

（2）旋转法：旋转法又分为旋转板式涂敷法和自转式涂敷法，利用模具和电机的转动，将胶涂在硅片表面，光刻胶膜非常均匀，能充分保证光刻质量，匀胶的清洁处理也比较方便。适用于现代化的大生产线，生产效率极高。

2、前烘

目的是使光刻胶中的溶剂得到充分挥发，使胶干燥，以承受接触曝光过程中与光刻板的摩擦，同时也有利发生光化学反应，并能得到好的抗蚀能力。

（1）前烘的方法：将涂好光刻胶的硅片放入干净的烘箱中，80℃烘30 分钟。

（2）前烘的时间和温度要合适。温度高，时间长，光刻胶与二氧化硅膜附着程度好。但温度过高，时间过长，又会破坏光刻胶，使显影不干净，图形受到破坏。若温度过低，时间过短，容易产生脱胶，图形变形。

3、曝光。曝光是在涂好光刻胶的硅片上面，放置一块掩摸版，用紫外线（高压汞灯）进行照射，使光照部分的光刻胶发生光化学反应，经过显影在胶膜上显现出与掩膜相对应的图形。曝光的方法：

（1）汞灯预热15 分钟，使光源稳定。

（2）把光刻版安装在支架上，硅片放在可上下、前后、左右微调的工作台上（胶面在上），将光刻版移到硅片上方，在显微镜下，使光刻版与硅片的相应位置对准进行定位（不能贴得太紧）。

（3）将定好位的整套机构推至曝光灯下曝光，先试曝1～2 片，找准合适的曝光时间，然后进行曝光作业，在一定的曝光时间内，受感光的分子相对比例较小，表现出较强的抑制作用，使曝光区域与未曝光区域在显影液中溶解速率相差不大，虽然曝光区域显影完全，未曝光部分的图形也保留较好，具有较好的效果.因此，PS与成膜树脂质量比在1：4时效果较好。

4、显影。显影就是把曝过光的硅片放在显影液中将没有感光部分的光刻胶去掉。电力电子行业最常用的是浸渍法，其显影过程如下：由PS，成膜树脂和溶剂的比例为1：4：10（质量比）配置而成的光刻胶，4500 r/min的匀胶转速，在110℃前烘1 min，曝光30 s，在1.0%的TMAH溶液中显影25 s，在120℃烘板上后烘5 min，可获得最佳光效果。

5、坚膜。坚膜的作用是强化胶膜与二氧化硅（或铝膜）的结合力，一般是在高温恒温干燥箱中进行，温度180～200℃，时间30 分钟。

6、腐蚀。腐蚀就是用适当的腐蚀液把没有光刻胶膜覆盖的氧化层或金属层腐蚀掉，而把有光刻胶覆盖的区域保存下来。

（1）二氧化硅的腐蚀，腐蚀液配比：氢氟酸：氟化铵：去离子水=3ml：6g：10ml，氟化铵是缓冲剂。腐蚀过程：腐蚀前应将硅片的阳极面涂一层光刻胶做保护。然后将加热丝和测温热偶外包一层薄PFA密封后，直接放入腐蚀液中，并引入了氮气鼓泡装置，以保证控温精度和温度的均匀性。

（2）铝层的腐蚀。通常使用磷酸腐蚀液，其反应式为2Al+6H3PO4=2Al（H2PO4）3+3H2↑，磷酸为85% 的浓磷酸，将芯片放进腐蚀液中腐蚀至出图形为止，腐蚀质量得到了极大提升。

7、去胶。去胶方法有湿法去胶、氧气去胶、等离子去胶等。

（1）湿法去胶。硅片去胶可用H2O2：H2SO4=1：3煮开10 分钟，使阳极面涂也同时煮掉;铝层上的胶膜，可在丙酮中浸泡，并用棉球擦去胶层。用负胶去膜剂浸泡，去胶效果更好。

（2）氧气去胶。将待去胶的硅片放入450～530℃的氧化炉内，通大流量氧气（3～6 升/ 分），使胶被氧化成CO2 和H2O，被O2 吹出炉外。此方法适合于反刻铝后的去胶。对于玻璃钝化方片，因先做玻璃钝化，后蒸发金属层，无法做正常反刻，而采用氧气烧胶较为合适。具体做法：硅片做好玻璃钝化后，再做一次光刻，玻璃层上用光刻胶保护，蒸铝后，只需用氧气烧胶，烧后用毛刷刷去玻璃层上的光刻胶（已碳化）和铝。

（3）等离子去胶。所谓等离子去胶是在反应系统中通入少量的氧，在强电场作用下，使低气压的氧气产生等离子体，其中活化氧（或称活泼的原子态氧）占有适当的比例，可以迅速地使光刻胶氧化成为可挥发性气体状态被机械泵抽走，把硅片上的光刻胶膜去除掉。等离子去胶操作方便，去胶效率高，表面干净，无划伤，硅片温度低，有利于保证产品质量。

通过对晶闸管制造过程中的光刻工序的涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜、腐蚀、去胶的工艺原理分析，通过一次光刻能够精确的对二氧化硅层进行选择性腐蚀;通过反刻得到所需图形的阴极和门极铝膜或其他金属膜，为二次扩散和引出电极做准备。

参考文献

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[3]薄鲁海.晶闸管在脉冲功率电源中的应用研究[J].武汉：华中科技大学，2016.