實驗3　半導體材料的光刻工藝

一、實驗目的

1.掌握基本的半導體光刻實驗步驟。

2.利用光刻和刻蝕將掩模上的圖形轉移到襯底，完成圖形轉移。

3.掌握相關光刻實驗的設備的使用。

二、實驗原理

1.光刻工藝

光刻（photolithography）是半導體器件制造工藝中的一個重要步驟，該步驟利用曝光和顯影在光刻膠層上刻畫幾何圖形結構，然后通過刻蝕工藝將光掩模上的圖形轉移到所在襯底上。這里所說的襯底不僅包含硅晶圓，還可以是其他金屬層、介質層，例如玻璃、SOS中的藍寶石。

光刻工藝流程如圖3-1所示，包括程序如下。

（1）襯底的準備　在涂抹光刻膠之前，硅襯底一般需要進行預處理。一般情況下，襯底表面上的水分需要蒸發掉，這一步通過脫水烘焙來完成。此外，為了提高光刻膠在襯底表面的附著能力，還會在襯底表面涂抹化合物。目前應用比較多的是六甲基乙硅氮烷（hexamethyldisilazane，HMDS）、三甲基甲硅烷基二乙胺（trimethylsilyldiethylamime，TMSDEA）等。

（2）光刻膠的涂抹　首先，將硅片放在一個平整的金屬托盤上，托盤內有小孔與真空管相連。由于大氣壓力的作用，硅片可以被“吸附”在托盤上，這樣硅片就可以與托盤一起旋轉。涂膠工藝一般分為三個步驟：①將光刻膠溶液噴灑在硅片表面；②加速旋轉托盤（硅片），直到達到所需的旋轉速度；③達到所需的旋轉速度之后，以這一速度保持一段時間。以旋轉的托盤為參考系，光刻膠在隨之旋轉中受到離心力，使得光刻膠向著硅片外圍移動，故涂膠也被稱作甩膠。經過甩膠之后，留在硅片表面的光刻膠不足原有的1%。

（3）軟烘干（前烘）　在液態的光刻膠中，溶劑成分占65%～85%。雖然在甩膠之后，液態的光刻膠已經成為固態的薄膜，但仍有10%～30%的溶劑，容易沾污灰塵。通過在較高溫度下進行烘培，可以使溶劑從光刻膠中揮發出來（前烘后溶劑含量降至5%左右），從而降低了灰塵的污染。同時，這一步驟還可以減輕因高速旋轉形成的薄膜應力，從而提高光刻膠襯底上的附著性。在前烘過程中，由于溶劑揮發，光刻膠厚度也會減薄，一般減薄的幅度為10%～20%。

（4）曝光　在這一步中，將使用特定波長的光對覆蓋襯底的光刻膠進行選擇性地照射。光刻膠中的感光劑會發生光化學反應，從而使正性光刻膠被照射區域（感光區域）、負性光刻膠未被照射的區域（非感光區）化學成分發生變化。這些化學成分發生變化的區域，在下一步能夠溶解于特定的顯影液中。

在接受光照后，正性光刻膠中的感光劑DQ會發生光化學反應，變為乙烯酮，并進一步水解為茚并羧酸（indene carboxylic acid，CA），羧酸在堿性溶劑中的溶解度比未感光部分的光刻膠高出約100倍，產生的羧酸同時還會促進酚醛樹脂的溶解。利用感光與未感光光刻膠對堿性溶劑的不同溶解度，就可以進行掩膜圖形的轉移。

（5）顯影　通過在曝光過程結束后加入顯影液，正性光刻膠的感光區、負性光刻膠的非感光區，會溶解于顯影液中。這一步完成后，光刻膠層中的圖形就可以顯現出來。為了提高分辨率，幾乎每一種光刻膠都有專門的顯影液，以保證高質量的顯影效果。

（6）硬烘干　光刻膠顯影完成后，圖形就基本確定，不過還需要使光刻膠的性質更為穩定。硬烘干可以達到這個目的，這一步驟也被稱為堅膜。在這過程中，利用高溫處理，可以除去光刻膠中剩余的溶劑，增強光刻膠對硅片表面的附著力，同時提高光刻膠在隨后刻蝕和離子注入過程中的抗蝕性能力。另外，高溫下光刻膠將軟化，形成類似玻璃體在高溫下的熔融狀態。這會使光刻膠表面在表面張力作用下圓滑化，并使光刻膠層中的缺陷（如針孔）減少，這樣修正光刻膠圖形的邊緣輪廓。

（7）刻蝕或離子注入

（8）光刻膠的去除　這一步驟簡稱去膠。刻蝕或離子注入之后，已經不再需要光刻膠作保護層，可以將其除去。去膠的方法如下：

①濕法去膠

a.有機溶劑去膠：利用有機溶劑除去光刻膠。

b.無機溶劑：通過使用一些無機溶劑，將光刻膠這種有機物中的碳元素氧化為二氧化碳，進而將其除去。

②干法去膠：利用等離子體將光刻膠剝除。

除了這些主要的工藝以外，還經常采用一些輔助過程，比如進行大面積的均勻腐蝕來減小襯底的厚度，或者去除邊緣不均勻的過程等。一般在生產半導體芯片或者其他元件時，一個襯底需要多次重復光刻。

2.光刻膠

光刻膠（photoresist），亦稱為光阻或光阻劑，是指通過紫外線、深紫外線、電子束、離子束、X射線等光照或輻射，其溶解度發生變化的耐蝕刻薄膜材料，是光刻工藝中的關鍵材料，主要應用于集成電路和半導體分立器件的細微圖形加工。

光刻膠根據在顯影過程中曝光區域的去除或保留可分為兩種：正性光刻膠（positive photoresist）和負性光刻膠（negative photoresist）。

正性光刻膠的曝光部分發生光化學反應會溶于顯影液，而未曝光部分不溶于顯影液，仍然保留在襯底上，將與掩膜上相同的圖形復制到襯底上。

負性光刻膠的曝光部分因交聯固化而不溶于顯影液，而未曝光部分溶于顯影液，將與掩膜上相反的圖形復制到襯底上。

光刻膠通常使用紫外線波段或更小的波長（小于400nm）進行曝光。根據使用的不同波長的曝光光源，如KrF（248nm）、ArF（193nm）和EUV（13.5nm），相應的光刻膠組分也會有一定的變化。如248nm光刻膠常用聚對羥基苯乙烯及其衍生物為光刻膠主體材料，193nm光刻膠為聚酯環族丙烯酸酯及其共聚物，EUV光刻膠常用聚酯衍生物和分子玻璃單組分材料等為主體材料。除主體材料外，光刻膠一般還會添加光刻膠溶劑、光致產酸劑、交聯劑或其他添加劑等。

20世紀80年代初，基于化學放大概念的光刻過程大大加快了光刻技術的發展。化學放大是指在紫外線的作用下，通過光致產酸劑（photoacid generator，PAG）的分解產生強酸，在熱作用下擴散并將光刻膠主體材料中對酸敏感的部分分解為堿可溶的基團，并在顯影液中根據溶解度的差異將部分主體材料溶解，從而獲得正像或負像圖案。

光致產酸劑分為離子型和非離子型兩類。離子型PAG常由二芳基碘鹽或三芳基硫鹽組成，非離子型PAG最常見的是硝基芐基酯或磺酸酯類化合物。通常離子型PAG溶解性較非離子型差；非離子型通過在分子結構的特定位置引入合適的位阻基團可以顯著地提高熱穩定性，而其對光敏感性較差，與離子型相比需要更大的光強和更長的曝光時間。

光刻膠的性能參數包括：

（1）分辨率（resolution）：區別硅片表面相鄰圖形特征的能力，一般用關鍵尺寸（critical dimension，CD）來衡量分辨率。形成的關鍵尺寸越小，光刻膠的分辨率越好。

（2）對比度（contrast）：指光刻膠從曝光區到非曝光區過渡的陡度。對比度越好，形成圖形的側壁越陡峭，分辨率越好。

（3）敏感度（sensitivity）：光刻膠上產生一個良好的圖形所需一定波長光的最小能量值（或最小曝光量）。單位：毫焦/平方厘米或mJ/cm²。光刻膠的敏感性對于波長更短的深紫外線（DUV）、極深紫外線（EUV）等尤為重要。

（4）黏滯性/黏度（viscosity）：衡量光刻膠流動特性的參數。黏滯性隨著光刻膠中溶劑的減少而增加；高的黏滯性會產生厚的光刻膠；越小的黏滯性，就有越均勻的光刻膠厚度。黏度的單位為泊（poise），光刻膠一般用厘泊（cps，又稱百分泊）來度量，為絕對黏滯率。運動黏滯率定義為：運動黏滯率=絕對黏滯率/比重，單位為百分斯托克斯（cs）=cps/SG。

（5）光刻膠的比重（specific gravity，SG）：衡量光刻膠密度的指標。它與光刻膠中的固體含量有關。較大的比重意味著光刻膠中含有更多的固體，黏滯性更高、流動性更差。

（6）黏附性（adherence）：表征光刻膠黏著于襯底的強度。光刻膠的黏附性不足會導致硅片表面的圖形變形。光刻膠的黏附性必須經受住后續工藝（刻蝕、離子注入等）。

（7）抗蝕性（anti-etching）：光刻膠必須保持它的黏附性，在后續的刻蝕工序中保護襯底表面耐熱穩定性、抗刻蝕能力和抗離子轟擊能力。

（8）表面張力（surface tension）：液體中將表面分子拉向液體主體內的分子間的吸引力。光刻膠應該具有比較小的表面張力，使光刻膠具有良好的流動性和覆蓋率。

三、實驗設備與材料

實驗設備：勻膠機、光刻機、烘烤機、劃片機、四探針儀等。

實驗材料：硅片、光刻膠、光刻掩膜板。

如圖3-2所示，URE-2000B型紫外光刻機主要由以下各分系統組成：曝光光學系統、對準顯微鏡、工件臺、電控系統和單片機系統。

設備參數如下。

曝光波長：365nm；

曝光面積：110mm×110mm；

分辨力：1.0μm；

對準精度：≤±1.0μm；

最大膠厚：600μm；

掩模尺寸：2.5in（1in=0.0254m）、3in、4in、5in（可擴展至7in）；

照明均勻性：≤±3%（?100mm范圍內）；

掩模樣片整體運動范圍X：±6mm，Y：±6mm；

樣片尺寸：直徑?15～100mm（可適應非標準片或碎片），厚度0.1～6mm；

照明均勻性：3%（100mm范圍）；

掩模相對于樣片運動行程X：5mm，Y：5mm，θ：6°；

曝光能量密度：≥15mW/cm²（365nm）；

汞燈功率：1000W（直流）；

曝光方式：定時（倒計時）。

四、實驗內容與步驟

（1）清潔硅片　去離子水和有機溶液沖洗，邊旋轉邊沖洗，以去除污染物；所用硅片尺寸：2in，厚度為400μm，單面拋光。摻雜類型：p型。

（2）干燥硅片　硅片前烘去除水分，80℃保溫10min。

（3）涂膠　設置勻膠機第一、第二級轉速和各轉速的運轉時間：第一級轉速500r/min，時間為3s；第二級轉速為4000r/min，時間為60s。把處理好的硅片放在承片臺正中，按下吸片按鈕，硅片被吸住。檢查確定被吸住后，開始滴加光刻膠，確保光刻膠覆蓋整個硅片表面后停止。等勻膠結束后，按下吸片按鈕。取出硅片，檢查勻膠效果。

（4）前烘　檢查確定勻膠效果符合要求后，將硅片放在熱板上烘干2min，溫度為100℃。烘干結束后，取下硅片。

（5）曝光　在光刻機上按照后面所附光刻機操作說明進行曝光。設置好曝光時間9s，開始曝光。曝光結束后，取下硅片。

（6）顯影　將曝光后的硅片在0.5% NaOH堿溶液中進行顯影操作，左右晃動，時間為8s。曝光后，取出硅片放入去離子水中清洗，再將硅片放在勻膠機上旋轉甩干上面的水漬。

（7）后烘　將甩干后的硅片在烘膠臺上再次烘干，使顯影后的光刻膠硬化，提高強度。

（8）觀測　在顯微鏡下觀測拍照。檢查光刻質量。

五、實驗設備使用

1.勻膠機使用方法

（1）將設備電源和真空泵電源打開。

（2）將設備旋轉盤保護上蓋旋開，選擇好與需要加工的晶元配套的吸盤，將吸盤放在勻膠電機軸套上，注意吸盤的方向，務必放穩、放平。

（3）將硅片放到吸盤上，并點膠。

（4）打開控制面板上的“真空”按鈕，吸盤上形成真空。

（5）將旋轉盤保護上蓋旋到旋轉盤上方，蓋好，操作人員手扶旋轉保護盤。

（6）選擇好勻膠時間和勻膠頻率后，按下“勻膠啟動”的綠按鈕。

（7）待勻膠完全停止后，關閉真空電源取出硅片。

2.光刻機使用方法

（1）開機準備

①供給機器的電源為220V，在總電源插頭插上后，機柜已通電。

②開啟空氣壓縮機、真空泵、循環水冷卻系統。

（2）開機　如圖3-3所示，先按“汞燈電源”按鈕，接著按“汞燈觸發”啟輝汞燈。汞燈點燃10min后才能穩定。按下“控制電源”按鈕，控制電源打開，幾秒鐘后控制面板上的“復位”鍵指示燈亮，曝光時間顯示默認值“0010.0”，表明控制系統工作正常。

（3）上片　放上掩模（將掩模與三個定位釘靠緊），扳下“掩模”按鈕將掩模吸到掩模架上。拖出樣品托盤，將樣品放在承片臺上，然后將托盤退回原位。

（4）調平　按“上升”按鈕（指示燈亮），電動機帶動樣品臺上升使樣品自動調平，然后按“下調”鍵設定對準間隙進行對準。對準完畢后，按“上調”鍵消除間隙準備曝光。如不需對準則按“曝光”鍵，自動完成調平曝光。

（5）曝光時間設定　按下“設定”鍵，指示燈亮，同時曝光時間顯示的百位數字閃爍，可按“+”“-”鍵對曝光時間的第一位數調整，調整好后，再次按“設定”（SET）鍵可進行下一位數字調整，當調整完最后一位時，再按“設定”鍵，退出“時間”設定，按“曝光”鍵，可進行曝光操作（倒計時曝光）。曝光過程中，顯示窗顯示曝光狀態的倒計時。

（6）顯微鏡對準調節　一般來說調平完成被鎖緊后，按“下調”鍵使掩模和樣片間出現一定的間隙，可進行對準，間隙的大小既要保證掩模和樣片的對準標記都能成清晰像，又要保證做對準運動時掩模和樣片不摩擦（掩模和樣片不一起運動）。

對準臺分三部分，下層為整體運動臺（樣片和掩模一起做整體運動，能保證掩模和樣片對準標記進入到顯微鏡的視場內，也可用于增大曝光面積）；中心為轉動，調節旋轉手輪可使承片臺相對掩模旋轉；上層為相對運動臺，旋轉其手輪，可使掩模相對于樣片做X、Y對準運動。

（7）關機　關機的順序和開機相反，先關掉控制系統電源，再關掉汞燈電源。

六、注意事項

1.勻膠過程

光刻膠有刺激性氣味，對皮膚也有腐蝕，操作必須在通風櫥中進行，并戴好手套。

2.顯影過程

避免顯影液以及各種清洗溶劑碰到皮膚，實驗室中的所有操作應佩戴手套。

3.曝光過程

紫外線對人體有傷害，在曝光的過程中，應避免眼睛對著曝光光源看，也避免手被曝光光源照射。

4.烘干過程

因為硅片是在熱板上被加熱的，溫度都在100℃左右，因此取放硅片的時候，應采用鑷子。

5.氮氣瓶

氮氣瓶內是高壓氣體，避免碰撞。

6.硅片

硅片是易碎品，取放時候要注意。

七、數據記錄及處理

1.記錄光刻膠的反應過程及時間。

2.分析光刻后的硅片表面特征，并分析其產生原因。（光刻實驗中，前烘、后烘、曝光、顯影等過程都會對圖形的轉移產生重要的影響。前烘時間不足時，硅片表面還未干燥完全，導致光刻膠與基底不能牢固黏附，甚至在旋轉涂覆光刻膠的過程中光刻膠不能在基底上形成足夠厚度的膜層。后烘不足時，光刻膠硬度不夠，圖形易毀壞。在曝光過程中，曝光不足，光刻膠反應不充分，顯影時部分膠膜被溶解，顯微鏡下觀察會發現膠膜發黑；曝光時間過長，則使不感光的部分邊緣微弱感光，產生“暈光”現象，邊界模糊，出現皺紋。顯影階段，顯影液溶度、顯影時間都需要調整合適，否則易導致圖形套刻不準確，邊緣不整齊。）

八、思考題

1.簡述半導體光刻的原理、實驗過程。

2.分析影響半導體光刻質量的因素。