本科论文设计-基于h94-25c型光刻机的铝光刻工艺研究.docx
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基于H94-25C型光刻机的铝光刻工艺研究
摘 要
光刻技术是指集成电路制造中利用光学-化学反应原理和化学、物理刻蚀方法，将电路图形传递到单晶表面或介质层上，形成有效图形窗口或功能图形工艺技术。
目前，随着半导体市场的增长速度不断加快，而且半导体产业对现代经济、国防和社会也产生了巨大的影响，集成电路产业之所以能飞速发展，光刻技术的支持起到了极为关键的作用。
因为它直接决定了单个器件所能达到的最小物理尺寸。
本论文开始介绍了光刻工艺中所用到的设备和实验相关的材料说明。
然后具体叙述了整个光刻工艺的流程和具体实验步骤，包括：
表面处理，涂胶，前烘，对准和曝光，后烘，显影，坚膜，检查。
以及最后光刻完成后的淀积工艺。
本次实验通过实验结果分析对比不同曝光时间下的图形效果，不同显影时间下的图形效果，分析解决光刻工艺中所遇到的问题。
最后整理实验数据，对所遇到的异常情况进行分析，调整工艺菜单的参数，最终得到完整的工艺流程参数，改进优化工艺步骤。
关键词：
光刻技术，光刻机，光刻胶
I
大连东软信息学院毕业设计（论文）
Abstract
StudyonAluminumLithographyProcessUsingH94-25CMaskAligner
Abstract
Opticallithographytechnologyreferstoduringtheintegratedcircuitmanufacturing’sprocess,tousetheprincipleofopticsandchemicalreaction,chemicalandphysicaletchingmethodtodeliverthecircuitgraphtothesurfaceofsinglecrystalormediumlayer,thenformvalidgraphicswindoworfunctionalgraphicstechnology.
Nowadays,withthecontinuousincreasinggrowthofthesemiconductormarket,moreoverthesemiconductorindustryhashugeinfluenceonmoderneconomy,nationaldefenseandsociety.Thereasonwhyintegratedcircuitindustrycoulddeveloprapidlyisthatthesupportofthelithographytechnologyhasplayedaveryimportantrole.Becauseitdeterminestheindividualdevicecouldachievetheminimumphysicalsizedirectly.
Atthebeginningmypaperintroducedtheequipmentandrelatedmaterials’introductionthatwoulduseinlithographyprocess.Andthendescribedspecificallycircleoflithographyprocessareandparticularexperimentalsteps,whichinclude:
surfacetreatment,coating,drying,beforealignmentandexposure,afterdrying,enhancement,hardener,check,andthelasttechnicofafterphotolithograph’scompletion.Throughmanyexperiments,comparingtheexperimentalresultsunderdifferentexposuretimeanddifferentdevelopingtimeofgraphicaleffects.analyzeandsolvesomeoftheproblemsencounteredinopticallithography.
Atlast,sortoutexperimentaldata,toanalysisabnormalsituation,andtoadjustparametersofprocessmenu,togetthecompleteprocessparameters,improvedandoptimizedprocessstepseventually.
Keywords:
Lithography, Lithography, Photoresist
IV
大连东软信息学院毕业设计（论文）录
目
目 录
摘要 I
Abstract II
第1章绪论 1
1.1光刻工艺概述 1
1.2光刻重要参数和指标 1
第2章光刻设备及材料 3
2.1光刻设备 3
2.2光刻胶 4
2.2.1光刻胶组成成分 4
2.2.2光刻胶的分类 4
第3章光刻工艺流程 5
3.1表面处理 5
3.2旋转涂胶 6
3.2.1旋转涂胶设备 6
3.2.2旋转涂胶参数 7
3.2.3旋转涂胶结果分析 8
3.3前烘 9
3.3.1前烘常见问题 9
3.3.2前烘设备 9
3.3.3前烘工艺特性 11
3.4对准和曝光 11
3.4.1对准和曝光的重要性 11
3.4.2曝光光源 11
3.5曝光后烘焙 12
3.6显影 12
3.7坚膜 13
3.8显影检查 14
第4章实验室制备流程 15
4.1实验室使用的试剂及设备 15
4.2实验前准备 15
4.2.1实验室环境清洁 15
4.2.2工艺参数的准备 16
4.3实验具体操作 16
4.3.1铝基片的清洗 16
4.3.2真空甩胶机的使用 17
4.3.3干燥热风箱的使用 18
4.3.4光刻机的使用 18
4.3.5显影过程 20
4.3.6淀积 20
第5章结论 22
参考文献 23
致谢 24
大连东软信息学院毕业设计（论文）
第1章 绪 论
随着半导体行业的飞速发展，人们对半导体器件的要求越来越高，由于器件尺寸的不断缩小，半导体制造工艺的难度越来越大，技术也在不断的革新。
其中光刻技术就是集成电路制造工艺中最关键的步骤之一，光刻直接决定的半导体器件的最小物理尺寸，对于器件的性能参数影响很大。
从半导体制造的初期，光刻就被认为是集成电路制造工艺发展的驱动力，因此拥有先进的光刻技术，对于半导体制造企业来说是至关重要的。
1.1光刻工艺概述
光刻技术的本质就是将提前在掩膜版上制作好的图形复制到以后要进行刻蚀、离
子注入等其他步骤的基片上去。
光刻过程首先是将图形制作在掩膜版上，使紫外光通过掩膜版把图形转移到覆盖光敏材料的基片上，最终经过曝光和显影在基片上得到所需要的图形[1]。
光刻与芯片的价格和性能密切相关。
一个硅片的花在处理上的费用对于硅片上面的芯片总量来说有很大的独立性；也就是说，既然总材料量、工艺环节、硅片的传输对于两个硅片来说几乎是完全相同的，那么一个只含有很少数量芯片的硅片所耗费的成本也是相差不多的。
相同的代价而芯片数目越多意味着每个芯片的全部总成本要低，仅需要在硅片上安排更多的芯片就能够很好的提高产能[2]。
只有更加先进的光刻技术，达到更小的关键尺寸的图形线条，才能在同样尺寸的硅片上得到更多的芯片。
1.2光刻重要参数和指标
关键尺寸（CriticalDimension）：
关键尺寸是半导体制造工艺过程中的芯片上的最
小尺寸。
由于关键尺寸是制造过程中最难控制的尺寸，所以它也就成为其他工艺所需要达到的尺寸。
光刻中的关键尺寸常用做描述器件工艺技术的节点或称为某一代。
0.25μm以下工艺技术的节点是0.18μm、0.15μm、0.1μm。
减小关键尺寸可以在单个硅片上布局更多芯片，这样将大大降低制造成本，提高利润。
光谱：
能量要满足激活光刻胶并将图形从投影掩膜版中转移过来的要求。
能量源以辐射的形式，典型的是紫外光源。
将光刻胶制成与特定的紫外光波长有化学响应。
紫外光一直是形成光刻图形常用的能量源，并会在接下来的一段时间内继续沿用。
对于光刻重要的几种紫外光波长如表1.1所示。
-24-
表1.1常用的紫外曝光波长
UV波长（nm）
波长名
UV发射源
436
G线
汞灯
405
H线
汞灯
365
I线
汞灯
248
深紫外（DUV）
汞灯或氟化氪（KrF）准分子激光
193
深紫外（DUV）
氟化氩（ArF）准分子激光
157
极紫外（EUV）
氟（F2）准分子激光
分辨率：
图形的分辨率是光刻中最重要的性能指标之一。
分辨率是将硅片上两个相邻的图形区分开来的参数[3]。
硅片上最终出现图形的实际尺寸就是特征尺寸，对于特征尺寸来说，分辨率很重要。
一种解释分辨率的实际方法是通过硅片上形成符合质量
规范要求的最小特征图形。
形成的关键尺寸越小，光刻胶的分辨率和光刻系统就越好[4]。
2.1光刻设备
第2章 光刻设备及材料
光刻中所需要的最重要的设备就是光刻机，目前的光刻工艺中比较常用的是用汞
蒸气发射的紫外光作为光源，波长为366nm、405nm、436nm。
光刻机的主要构成包括曝光光源、光学系统、电系统、机械系统和控制系统组成。
其中光学系统是光刻机的核心。
从早期的半导体光刻设备到现在基本可以分为五类：
接触式光刻机、接近式光刻机、扫描投影光刻机、分步重复光刻机、步进扫描光刻机。
接触式光刻机是20世纪70年代的主要光刻手段，作为最早期的光刻机，接触式光刻机有很多的缺点，由于光刻系统依赖人操作，并且由于掩膜版和光刻胶是直接接触的，所以极其容易被沾污。
颗粒沾污容易损坏光刻胶和掩膜版，每操作5次到25次就需要更换掩膜版。
同时沾污区域的分辨率也会存在偏差。
接近式光刻机是从接触式光刻机发展而来的，接近式光刻机在复制图形的过程中，光刻胶与掩膜版不直接接触，它们之间大约有2.5~25微米的距离。
接近式光刻机缓解了颗粒沾污的问题。
尽管解决了一部分颗粒沾污，但是由于光刻胶与掩膜版之间的空隙，导致紫外线通过透明区域的时候产生发散，接近式光刻机的工作能力被减弱。
扫描投影光刻机是利用反射透镜系统将1︰1图像的掩膜版图形投影到基片表面。
由于掩膜版是1倍的，图像就没有放大和缩小，并且掩膜版图形和基片上的图形尺寸相同。
扫描投影光刻机对于亚微米尺寸的光刻有一定困难。
分步重复光刻机又叫步进光刻机，它只有一个曝光场，然后步进到硅片上的另一个位置重复曝光。
这种光刻机使用投影掩膜版，上面包含了一个曝光场内对应有一个或多个芯片的图形，然后使用光学投影曝光系统吧版图投影到基片上。
步进光刻机的优势在于具有使用缩小透镜的能力，由于使用缩小透镜，使所需图形的掩膜版更容易制造，曝光过后可以得到更小尺寸的图形[5]。
步进扫描光刻机是一种混合设备，它结合了扫描投影光刻机和分步重复光刻机的技术，是通过使用缩小透镜扫描一个大曝光场图像到硅片上一部分实现的。
步进扫描光刻机的优点是增大了曝光场，可以获得较大尺寸的芯片。
大的曝光场的另一个优点是有机会再投影掩膜版上多放几个图形，因而一次可以多曝光一些芯片。
步进扫描光刻机的另一个重要优点是具有在整个扫描过程中调节聚焦的能力，是透镜缺陷和硅片平整度能够得到补偿[6]。
2.2光刻胶
光刻胶（photoresist）是光刻工艺中所需要的重要材料，是一种有机化合物，它受
紫外曝光后，在显影溶液中的溶解度会发生变化。
硅片制造中所用的光刻胶以液态涂在硅片表面，而后被干燥成胶膜。
光刻胶受紫外线曝光之后，在显影液（developer）中的溶解度发生变化，进而得到所需要的图形。
除此之外，光刻胶还能起到在后续的工艺步骤中，保护下面的材料，例如作为刻蚀或离子注入阻挡层。
随着集成电路密度越来越大，关键尺寸不断缩小，为了更好的将更加细小的图形转移到基片表面，光刻胶技术也得到的不断的改善，具有更好的图形分辨率，与半导体之间有更好的粘附性、均匀性，增加了工艺的宽容度[7]。
2.2.1光刻胶组成成分
光刻胶的主要基本成分有三种：
树脂、感光剂、溶剂，其中树脂是一种惰性的聚
合物（包括碳、氢、氧的有机高分子），用于把光刻胶中的不同材料聚在一起的粘合剂。
树脂给予了光刻胶的机械和化学性质，通常对光不敏感，紫外曝光后不会发生化学变
化；感光剂是光刻胶材料中的光敏成分，在紫外区域发生化学反应；溶剂使光刻胶保持液体状态，直到它被涂在基片上，绝大多数的溶剂在曝光前挥发，对于光刻胶的化学性质几乎没有影响[8]。
通常光刻胶还会有第四种成分：
添加剂。
添加剂用来控制和改变光刻胶材料的特定化学性质或光刻胶材料的光响应特性，添加剂一般由制造商开发并由于竞争原因不对外公开。
2.2.2光刻胶的分类
目前光刻胶主要分为两类分别是负性光刻胶和正性光刻胶。
这种分类基于光刻胶
中的感光剂对于紫外曝光的反应。
对于负胶，紫外曝光区域发生交联硬化反应，曝光区域难溶显影液；对于正胶，紫外曝光后发生分解反应，曝光区域易在显影液中被洗去[9]。
另一种分类方式是根据光刻胶能形成图形的最小关键尺寸进行分类。
现在常见的光刻胶可以将图形的精度控制在0.35μm以下，适用于深紫外的化学放大光刻胶能够光刻出更加细小的关键尺寸的图形。
第3章 光刻工艺流程
光刻工艺是一个十分复杂的过程，它有很多影响其工艺宽容度的工艺变量，为了方便起见，我将本次实验研究的光刻图形形成的过程分为8个大的步骤。
分别是：
表面处理、旋转涂胶、前烘、对准和曝光、曝光后烘焙、显影、坚膜烘焙、显影检查，如图3.1所示。
在硅片制造厂中这些步骤通常被称为操作[10]。
图3.1光刻流程图
光刻工艺经历了重大的设备集成。
自动化设备指的是涂胶/显影轨道系统，只用机器人、自动化材料传送，计算机执行所有的8个步骤，没有人的介入。
相对于从前光刻的人为操作，集成轨道有很多优点。
它通过控制工艺步骤间的延迟来提高工艺控制水平，更有效地处理硅片，增加了灵活性，并因环境控制和操作者传送的减少从而减少了沾污，因为减少了操作者暴露于化学试剂的机会而增加了安全性[11]。
3.1表面处理
光刻的第一步是清洗和准备基片表面，对基片表面进行前处理，这些步骤的目的
是增强硅片和光刻胶之间的粘附性。
如果基片表面有沾污物，那么会在后续的显影和刻蚀中会引起光刻胶图形的偏移。
光刻胶偏移导致底层薄膜的钻蚀。
光刻胶中的颗粒沾污会导致不平坦的光刻胶涂布或在光刻胶中产生针孔[12]。
工厂中通常在表面清洗处理之后进行气相成底膜过程，气相成底膜所需要的化学药品是六甲基二硅胺烷（HMDS），它起到提高粘附力的作用，使之在显影过程中不会
被液态显影液渗透。
这步工艺与准备油漆木料时所用到的底漆类似。
HMDS影响硅片表面使之疏离水分子，同时形成对光刻胶材料的结合力。
它的本质是作为光刻胶的连接剂，所以这些材料具有化学相容性。
硅片成底膜处理的一个重要方面在于硅片应该在进行成底膜操作后尽快涂胶，使潮气问题达到最小化[13]。
建议涂胶在成底膜后60分钟内进行。
成底膜过程通常由自动化轨道系统上的软件来控制。
3.2旋转涂胶
在进行过表面处理之后，所需光刻的基片将进行下一步处理，旋转涂胶。
旋转涂
胶是在基片表面涂覆光刻胶得到一层均匀覆盖层的最常用的方法。
图3.2为旋转涂胶有
4个基本步骤：
1、分滴。
当基片静止时或旋转的非常缓慢时，光刻胶被分滴在基片上。
2、旋转铺开。
快速加速基片的旋转到一高的转速，使光刻胶伸展到整个基片表面。
3、旋转甩胶。
甩去多余光刻胶，在基片上得到均匀的光刻胶胶膜覆盖层。
4、以固定转速继续旋转已涂胶的硅片，直直溶剂挥发，光刻胶几乎干燥。
图3.2旋转涂胶步骤
光刻胶旋转涂胶有两个目的，一是在基片表面得到均匀的光刻胶胶膜的覆盖，二是在长时间内得到硅片间可重复的胶厚。
光刻胶厚度由特殊工艺规范来规定，通常在
1μm的数量级[14]。
整个硅片上的光刻胶胶膜厚度变化应小于20到50埃，而大批量生产的片间厚度应控制在30埃。
3.2.1旋转涂胶设备
通常工厂中所进行的旋转涂胶工艺是在自动硅片轨道系统中进行的，这种系统具
有自动硅片传送装置，在各步操作中传送硅片。
自动传送可使颗粒产生和硅片损伤最小化。
自动化硅片轨道的复杂之处在于同事有许多不同的操作在进行。
在任一时刻，硅片轨道可能正在处理15到20枚硅片通过不同的光刻操作，例如气相成底膜、光刻胶
旋转涂胶、显影、烘焙和冷却。
轨道系统与曝光机相连，而且必须准确结合曝光机确保硅片在规定时间间隔传进传出[15]。
为了进行旋转涂胶，机械手吧硅片放在硅片轨道上旋转涂胶位置的针孔托盘上，托盘式中空的，平的金属板表面带有小孔并与真空相连。
当硅片被放在托盘表面时，真空吸住硅片使它在旋转时与托盘紧密接触从而固定硅片。
光刻胶通过滴胶喷嘴被分滴在硅片上，滴胶喷嘴应留出定量的光刻胶。
喷嘴有一回吸部件防止分滴后胶滴滴在硅片表面。
工艺工程师可以灵活的将喷嘴固定到需要的位置，使得光刻胶的厚度、均匀性和滴胶量达到最理想的条件。
一种特别的分滴方法被称为辐射状分滴，实际上它是机械手臂在光刻胶分滴时在整个硅片上移动。
这种方法使得分滴的胶量很小，其移动是电脑控制的，可以从边缘到中心或者从中心到边缘。
3.2.2旋转涂胶参数
滴胶的方式可以根据工艺工程师确定的参数而变化。
光刻胶可以在不旋转时被滴
在硅片上，就是人们所熟知的静止滴胶。
静止滴胶后，硅片首先低速旋转，使光刻胶均匀铺开。
一旦光刻胶达到硅片边缘，转速被加速到设定的旋转速度，使光刻胶厚度变得均匀。
另一种方法是在硅片慢速旋转时滴胶，这是为了均匀的覆盖硅片，然后加速到设定转速，被称为动态滴胶[16]。
滴胶量很大程度上取决于光刻胶的粘度。
例如，一种具有粘度为55cps的高粘度光刻胶要得到好的涂胶效果可能需要2.4cc的光刻胶，而具有粘度为8cps的低粘度的光刻胶可能仅需要1.33cc的光刻胶。
通常粘度越小的光刻胶有越薄的胶膜厚度。
本次实验室中所用到的光刻胶的粘度较大，通常使用的光刻胶的量在3cc到4cc左右。
硅片上光刻胶的厚度和均匀性是非常关键的质量参数。
厚度并不是由淀积的光刻胶的量来控制的，因为绝大部分光刻胶都飞离了硅片，仅仅有小于1%的光刻胶留在了硅片上。
对于光刻胶厚度最关键的参数是转速和光刻胶粘度。
许多光刻胶生产商都公开了他们的光刻胶成分及其膜厚随其转速变化的数据。
这些数据有助于确定理想的设定转速。
粘度越高转速越低，光刻胶膜就越厚，反之粘度越低转速越高，光刻胶膜越薄。
工艺工程师需要通过粘度与转速之间的关系来确定具体工艺操作中所需要的光刻胶膜厚[17]。
光刻胶分滴的另一个重要参数是环境控制。
硅片轨道系统是一个封闭的环境以便在光刻胶涂胶过程中控制温度、湿度、排气和颗粒沾污。
温度和湿度对于硅片上光刻
胶的均匀性影响非常强烈。
光刻的硅片轨道系统的小环境通常要控制颗粒沾污在0.1级。
另外旋转涂胶机周围的排气速率一定要正确控制，避免负面影响胶厚和均匀性。
排气
量过强而产生太大的气流将导致光刻胶过于干燥，而排气不良将导致颗粒淀积在硅片上而不是被空气带走。
在硅片旋转过程中，由于离心力光刻胶向硅片边缘流动并流到背面。
光刻胶在硅片边缘和背面隆起叫边圈。
当干燥时，光刻胶剥落并产生颗粒。
这些颗粒可能落在电路有源区、硅片传送系统和工艺设备里面，导致硅片上缺陷密度增加，甚至硅片背面的光刻胶可能会因为它粘附在硅片托盘上而导致设备故障。
光刻胶旋转涂胶器配备了一种边圈去除（EBR）装置。
一种常见的方法是用一装配的喷嘴，在旋转的硅片底侧喷出少量溶剂，溶剂从倾斜的边缘转到顶端边缘。
要小心控制确保溶剂不能到达光刻胶的上面。
典型的去边溶剂使丙烯乙二醇一甲胺以太醋酸盐（PGMEA）或者乙烯乙二醇一甲胺以太醋酸盐（EGMEA）。
还有一些光刻设备在正常的硅片曝光后用激光曝光硅片的边缘。
这种曝光软化了光刻胶并使边圈在正常显影步骤中或者被设计的喷嘴喷出溶剂去除。
这个步骤可以在用于旋转涂胶硅片的同一轨道中进行。
3.2.3旋转涂胶结果分析
在旋转涂胶完成后，由于工艺、人为或者设备的原因，得到的图形可能达不到我
们所需要的要求，图3.3是实验室中所常遇到的问题以及原因分析[18]。
表面出现气泡 放射状条纹 中心漩涡图案
中心圆晕 光刻胶未涂满衬底 针孔
图3.3旋转涂胶常见问题
表面出现气泡：
滴胶时光刻胶中带有气泡；喷嘴尖端切口问题或带刺。
放射状条纹：
光刻胶喷射速度过高；设备排气速度过高；光刻胶涂覆前静止时间过长；涂胶机转速或加速度设置过高；基片表面留有小颗粒；光刻胶中有颗粒。
中心漩涡图案：
设备排气速度过高；喷胶时光刻胶偏离衬底中心；旋涂时间过长。
中心圆晕：
不合适的托盘；喷嘴偏离衬底中心。
光刻胶未涂满衬底：
光刻胶供给量不足；不合适的旋转加速度。
针孔：
光刻胶内存在颗粒或气泡；衬底上存在颗粒。
3.3前烘
在基片上旋转涂布光刻胶后，要经过一个成为前烘的步骤，又称为软烘。
前烘的
目的是蒸发掉光刻胶中的有机溶剂成分，是晶圆表面的光刻胶固化；缓和在旋转过程中光刻胶膜内产生的应力；防止沾污设备；增强光刻胶的粘附性，以便在显影时光刻胶可以很好的粘附在基片表面。
前烘的温度和时间视具体的光刻胶和工艺条件而定。
参考光刻胶生产商推荐的工艺，设定软烘参数的起始点。
然后，优化工艺以达到产品需要的粘附性和尺寸控制。
前烘温度通常在85℃到120℃的范围内。
前烘的过程根据不同的光刻胶而变化。
3.3.1前烘常见问题
如果光刻胶胶膜在涂胶后没有前烘而直接进行对准和曝光，将可能出现下列问题：
1、光刻胶薄膜发黏并容易受到颗粒污染。
2、光刻胶薄膜来自于旋转涂胶的内在应力将导致粘附性问题。
3、由于溶剂含量过高导致在显影时由于溶解差异，而很难区分曝光和未曝光的光刻胶。
4、光刻胶散发的气体可能沾污光学系统的透镜。
在旋转涂胶前，光刻胶通常包含65%到85%的溶剂。
旋转涂胶后，溶剂减少到10%到20%，但是光刻胶胶膜仍被认为处于液体状态。
前烘的过程中溶剂基本被蒸发掉小于
10%，前烘后溶剂的理想量约为4%到7%。
由于溶剂在前烘过程中减少，光刻胶膜的厚度也将减薄。
不同程度的前烘对于光刻胶薄膜也有着不同的影响。
前烘烘烤过度，将减小光刻胶中感光成分的活性，导致不能够很好地曝光显影。
溶剂过度蒸发掉使光刻胶薄膜的
粘附性过高，影响显影效果，无法使曝光部分的图形正常脱落。
前烘不足，光刻胶中的溶剂成分不能完全蒸发掉，这将阻碍紫外光对于光刻胶的作用并且影响到其中在显影液中的溶解度，显影过程中由于光刻胶的粘附性不够容易使图形发生偏移。
3.3.2前烘设备
常被提及
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