实验3 半导体材料的光刻工艺
一、实验目的
1.掌握基本的半导体光刻实验步骤。
2.利用光刻和刻蚀将掩模上的图形转移到衬底，完成图形转移。
3.掌握相关光刻实验的设备的使用。
二、实验原理
1.光刻工艺
光刻（photolithography）是半导体器件制造工艺中的一个重要步骤，该步骤利用曝光和显影在光刻胶层上刻画几何图形结构，然后通过刻蚀工艺将光掩模上的图形转移到所在衬底上。这里所说的衬底不仅包含硅晶圆，还可以是其他金属层、介质层，例如玻璃、SOS中的蓝宝石。
光刻工艺流程如图3-1所示，包括程序如下。
图3-1 光刻工艺流程
（1）衬底的准备 在涂抹光刻胶之前，硅衬底一般需要进行预处理。一般情况下，衬底表面上的水分需要蒸发掉，这一步通过脱水烘焙来完成。此外，为了提高光刻胶在衬底表面的附着能力，还会在衬底表面涂抹化合物。目前应用比较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）光刻胶的涂抹 首先，将硅片放在一个平整的金属托盘上，托盘内有小孔与真空管相连。由于大气压力的作用，硅片可以被“吸附”在托盘上，这样硅片就可以与托盘一起旋转。涂胶工艺一般分为三个步骤：①将光刻胶溶液喷洒在硅片表面；②加速旋转托盘（硅片），直到达到所需的旋转速度；③达到所需的旋转速度之后，以这一速度保持一段时间。以旋转的托盘为参考系，光刻胶在随之旋转中受到离心力，使得光刻胶向着硅片外围移动，故涂胶也被称作甩胶。经过甩胶之后，留在硅片表面的光刻胶不足原有的1%。
（3）软烘干（前烘） 在液态的光刻胶中，溶剂成分占65%～85%。虽然在甩胶之后，液态的光刻胶已经成为固态的薄膜，但仍有10%～30%的溶剂，容易沾污灰尘。通过在较高温度下进行烘培，可以使溶剂从光刻胶中挥发出来（前烘后溶剂含量降至5%左右），从而降低了灰尘的污染。同时，这一步骤还可以减轻因高速旋转形成的薄膜应力，从而提高光刻胶衬底上的附着性。在前烘过程中，由于溶剂挥发，光刻胶厚度也会减薄，一般减薄的幅度为10%～20%。
（4）曝光 在这一步中，将使用特定波长的光对覆盖衬底的光刻胶进行选择性地照射。光刻胶中的感光剂会发生光化学反应，从而使正性光刻胶被照射区域（感光区域）、负性光刻胶未被照射的区域（非感光区）化学成分发生变化。这些化学成分发生变化的区域，在下一步能够溶解于特定的显影液中。
在接受光照后，正性光刻胶中的感光剂DQ会发生光化学反应，变为乙烯酮，并进一步水解为茚并羧酸（indene carboxylic acid，CA），羧酸在碱性溶剂中的溶解度比未感光部分的光刻胶高出约100倍，产生的羧酸同时还会促进酚醛树脂的溶解。利用感光与未感光光刻胶对碱性溶剂的不同溶解度，就可以进行掩膜图形的转移。
（5）显影 通过在曝光过程结束后加入显影液，正性光刻胶的感光区、负性光刻胶的非感光区，会溶解于显影液中。这一步完成后，光刻胶层中的图形就可以显现出来。为了提高分辨率，几乎每一种光刻胶都有专门的显影液，以保证高质量的显影效果。
（6）硬烘干 光刻胶显影完成后，图形就基本确定，不过还需要使光刻胶的性质更为稳定。硬烘干可以达到这个目的，这一步骤也被称为坚膜。在这过程中，利用高温处理，可以除去光刻胶中剩余的溶剂，增强光刻胶对硅片表面的附着力，同时提高光刻胶在随后刻蚀和离子注入过程中的抗蚀性能力。另外，高温下光刻胶将软化，形成类似玻璃体在高温下的熔融状态。这会使光刻胶表面在表面张力作用下圆滑化，并使光刻胶层中的缺陷（如针孔）减少，这样修正光刻胶图形的边缘轮廓。
（7）刻蚀或离子注入
（8）光刻胶的去除 这一步骤简称去胶。刻蚀或离子注入之后，已经不再需要光刻胶作保护层，可以将其除去。去胶的方法如下：
①湿法去胶
a.有机溶剂去胶：利用有机溶剂除去光刻胶。
b.无机溶剂：通过使用一些无机溶剂，将光刻胶这种有机物中的碳元素氧化为二氧化碳，进而将其除去。
②干法去胶：利用等离子体将光刻胶剥除。
除了这些主要的工艺以外，还经常采用一些辅助过程，比如进行大面积的均匀腐蚀来减小衬底的厚度，或者去除边缘不均匀的过程等。一般在生产半导体芯片或者其他元件时，一个衬底需要多次重复光刻。
2.光刻胶
光刻胶（photoresist），亦称为光阻或光阻剂，是指通过紫外线、深紫外线、电子束、离子束、X射线等光照或辐射，其溶解度发生变化的耐蚀刻薄膜材料，是光刻工艺中的关键材料，主要应用于集成电路和半导体分立器件的细微图形加工。
光刻胶根据在显影过程中曝光区域的去除或保留可分为两种：正性光刻胶（positive photoresist）和负性光刻胶（negative photoresist）。
正性光刻胶的曝光部分发生光化学反应会溶于显影液，而未曝光部分不溶于显影液，仍然保留在衬底上，将与掩膜上相同的图形复制到衬底上。
负性光刻胶的曝光部分因交联固化而不溶于显影液，而未曝光部分溶于显影液，将与掩膜上相反的图形复制到衬底上。
光刻胶通常使用紫外线波段或更小的波长（小于400nm）进行曝光。根据使用的不同波长的曝光光源，如KrF（248nm）、ArF（193nm）和EUV（13.5nm），相应的光刻胶组分也会有一定的变化。如248nm光刻胶常用聚对羟基苯乙烯及其衍生物为光刻胶主体材料，193nm光刻胶为聚酯环族丙烯酸酯及其共聚物，EUV光刻胶常用聚酯衍生物和分子玻璃单组分材料等为主体材料。除主体材料外，光刻胶一般还会添加光刻胶溶剂、光致产酸剂、交联剂或其他添加剂等。
20世纪80年代初，基于化学放大概念的光刻过程大大加快了光刻技术的发展。化学放大是指在紫外线的作用下，通过光致产酸剂（photoacid generator，PAG）的分解产生强酸，在热作用下扩散并将光刻胶主体材料中对酸敏感的部分分解为碱可溶的基团，并在显影液中根据溶解度的差异将部分主体材料溶解，从而获得正像或负像图案。
光致产酸剂分为离子型和非离子型两类。离子型PAG常由二芳基碘
盐或三芳基硫盐组成，非离子型PAG最常见的是硝基苄基酯或磺酸酯类化合物。通常离子型PAG溶解性较非离子型差；非离子型通过在分子结构的特定位置引入合适的位阻基团可以显著地提高热稳定性，而其对光敏感性较差，与离子型相比需要更大的光强和更长的曝光时间。
光刻胶的性能参数包括：
（1）分辨率（resolution）：区别硅片表面相邻图形特征的能力，一般用关键尺寸（critical dimension，CD）来衡量分辨率。形成的关键尺寸越小，光刻胶的分辨率越好。
（2）对比度（contrast）：指光刻胶从曝光区到非曝光区过渡的陡度。对比度越好，形成图形的侧壁越陡峭，分辨率越好。
（3）敏感度（sensitivity）：光刻胶上产生一个良好的图形所需一定波长光的最小能量值（或最小曝光量）。单位：毫焦/平方厘米或mJ/cm2。光刻胶的敏感性对于波长更短的深紫外线（DUV）、极深紫外线（EUV）等尤为重要。
（4）黏滞性/黏度（viscosity）：衡量光刻胶流动特性的参数。黏滞性随着光刻胶中溶剂的减少而增加；高的黏滞性会产生厚的光刻胶；越小的黏滞性，就有越均匀的光刻胶厚度。黏度的单位为泊（poise），光刻胶一般用厘泊（cps，又称百分泊）来度量，为绝对黏滞率。运动黏滞率定义为：运动黏滞率=绝对黏滞率/比重，单位为百分斯托克斯（cs）=cps/SG。
（5）光刻胶的比重（specific gravity，SG）：衡量光刻胶密度的指标。它与光刻胶中的固体含量有关。较大的比重意味着光刻胶中含有更多的固体，黏滞性更高、流动性更差。
（6）黏附性（adherence）：表征光刻胶黏着于衬底的强度。光刻胶的黏附性不足会导致硅片表面的图形变形。光刻胶的黏附性必须经受住后续工艺（刻蚀、离子注入等）。
（7）抗蚀性（anti-etching）：光刻胶必须保持它的黏附性，在后续的刻蚀工序中保护衬底表面耐热稳定性、抗刻蚀能力和抗离子轰击能力。
（8）表面张力（surface tension）：液体中将表面分子拉向液体主体内的分子间的吸引力。光刻胶应该具有比较小的表面张力，使光刻胶具有良好的流动性和覆盖率。
三、实验设备与材料
实验设备：匀胶机、光刻机、烘烤机、划片机、四探针仪等。
实验材料：硅片、光刻胶、光刻掩膜板。
如图3-2所示，URE-2000B型紫外光刻机主要由以下各分系统组成：曝光光学系统、对准显微镜、工件台、电控系统和单片机系统。
图3-2 URE-2000B型紫外光刻机
设备参数如下。
曝光波长：365nm；
曝光面积：110mm×110mm；
分辨力：1.0μm；
对准精度：≤±1.0μm；
最大胶厚：600μm；
掩模尺寸：2.5in（1in=0.0254m）、3in、4in、5in（可扩展至7in）；
照明均匀性：≤±3%（ϕ100mm范围内）；
掩模样片整体运动范围X：±6mm，Y：±6mm；
样片尺寸：直径ϕ15～100mm（可适应非标准片或碎片），厚度0.1～6mm；
照明均匀性：3%（100mm范围）；
掩模相对于样片运动行程X：5mm，Y：5mm，θ：6°；
曝光能量密度：≥15mW/cm2（365nm）；
汞灯功率：1000W（直流）；
曝光方式：定时（倒计时）。
四、实验内容与步骤
（1）清洁硅片 去离子水和有机溶液冲洗，边旋转边冲洗，以去除污染物；所用硅片尺寸：2in，厚度为400μm，单面抛光。掺杂类型：p型。
（2）干燥硅片 硅片前烘去除水分，80℃保温10min。
（3）涂胶 设置匀胶机第一、第二级转速和各转速的运转时间：第一级转速500r/min，时间为3s；第二级转速为4000r/min，时间为60s。把处理好的硅片放在承片台正中，按下吸片按钮，硅片被吸住。检查确定被吸住后，开始滴加光刻胶，确保光刻胶覆盖整个硅片表面后停止。等匀胶结束后，按下吸片按钮。取出硅片，检查匀胶效果。
（4）前烘 检查确定匀胶效果符合要求后，将硅片放在热板上烘干2min，温度为100℃。烘干结束后，取下硅片。
（5）曝光 在光刻机上按照后面所附光刻机操作说明进行曝光。设置好曝光时间9s，开始曝光。曝光结束后，取下硅片。
（6）显影 将曝光后的硅片在0.5% NaOH碱溶液中进行显影操作，左右晃动，时间为8s。曝光后，取出硅片放入去离子水中清洗，再将硅片放在匀胶机上旋转甩干上面的水渍。
（7）后烘 将甩干后的硅片在烘胶台上再次烘干，使显影后的光刻胶硬化，提高强度。
（8）观测 在显微镜下观测拍照。检查光刻质量。
五、实验设备使用
1.匀胶机使用方法
（1）将设备电源和真空泵电源打开。
（2）将设备旋转盘保护上盖旋开，选择好与需要加工的晶元配套的吸盘，将吸盘放在匀胶电机轴套上，注意吸盘的方向，务必放稳、放平。
（3）将硅片放到吸盘上，并点胶。
（4）打开控制面板上的“真空”按钮，吸盘上形成真空。
（5）将旋转盘保护上盖旋到旋转盘上方，盖好，操作人员手扶旋转保护盘。
（6）选择好匀胶时间和匀胶频率后，按下“匀胶启动”的绿按钮。
（7）待匀胶完全停止后，关闭真空电源取出硅片。
2.光刻机使用方法
（1）开机准备
①供给机器的电源为220V，在总电源插头插上后，机柜已通电。
②开启空气压缩机、真空泵、循环水冷却系统。
（2）开机 如图3-3所示，先按“汞灯电源”按钮，接着按“汞灯触发”启辉汞灯。汞灯点燃10min后才能稳定。按下“控制电源”按钮，控制电源打开，几秒钟后控制面板上的“复位”键指示灯亮，曝光时间显示默认值“0010.0”，表明控制系统工作正常。
图3-3 设备电源开关
（3）上片 放上掩模（将掩模与三个定位钉靠紧），扳下“掩模”按钮将掩模吸到掩模架上。拖出样品托盘，将样品放在承片台上，然后将托盘退回原位。
（4）调平 按“上升”按钮（指示灯亮），电动机带动样品台上升使样品自动调平，然后按“下调”键设定对准间隙进行对准。对准完毕后，按“上调”键消除间隙准备曝光。如不需对准则按“曝光”键，自动完成调平曝光。
（5）曝光时间设定 按下“设定”键，指示灯亮，同时曝光时间显示的百位数字闪烁，可按“+”“-”键对曝光时间的第一位数调整，调整好后，再次按“设定”（SET）键可进行下一位数字调整，当调整完最后一位时，再按“设定”键，退出“时间”设定，按“曝光”键，可进行曝光操作（倒计时曝光）。曝光过程中，显示窗显示曝光状态的倒计时。
（6）显微镜对准调节 一般来说调平完成被锁紧后，按“下调”键使掩模和样片间出现一定的间隙，可进行对准，间隙的大小既要保证掩模和样片的对准标记都能成清晰像，又要保证做对准运动时掩模和样片不摩擦（掩模和样片不一起运动）。
对准台分三部分，下层为整体运动台（样片和掩模一起做整体运动，能保证掩模和样片对准标记进入到显微镜的视场内，也可用于增大曝光面积）；中心为转动，调节旋转手轮可使承片台相对掩模旋转；上层为相对运动台，旋转其手轮，可使掩模相对于样片做X、Y对准运动。
（7）关机 关机的顺序和开机相反，先关掉控制系统电源，再关掉汞灯电源。
六、注意事项
1.匀胶过程
光刻胶有刺激性气味，对皮肤也有腐蚀，操作必须在通风橱中进行，并戴好手套。
2.显影过程
避免显影液以及各种清洗溶剂碰到皮肤，实验室中的所有操作应佩戴手套。
3.曝光过程
紫外线对人体有伤害，在曝光的过程中，应避免眼睛对着曝光光源看，也避免手被曝光光源照射。
4.烘干过程
因为硅片是在热板上被加热的，温度都在100℃左右，因此取放硅片的时候，应采用镊子。
5.氮气瓶
氮气瓶内是高压气体，避免碰撞。
6.硅片
硅片是易碎品，取放时候要注意。
七、数据记录及处理
1.记录光刻胶的反应过程及时间。
2.分析光刻后的硅片表面特征，并分析其产生原因。（光刻实验中，前烘、后烘、曝光、显影等过程都会对图形的转移产生重要的影响。前烘时间不足时，硅片表面还未干燥完全，导致光刻胶与基底不能牢固黏附，甚至在旋转涂覆光刻胶的过程中光刻胶不能在基底上形成足够厚度的膜层。后烘不足时，光刻胶硬度不够，图形易毁坏。在曝光过程中，曝光不足，光刻胶反应不充分，显影时部分胶膜被溶解，显微镜下观察会发现胶膜发黑；曝光时间过长，则使不感光的部分边缘微弱感光，产生“晕光”现象，边界模糊，出现皱纹。显影阶段，显影液溶度、显影时间都需要调整合适，否则易导致图形套刻不准确，边缘不整齐。）
八、思考题
1.简述半导体光刻的原理、实验过程。
2.分析影响半导体光刻质量的因素。