《电子封装技术工艺综合实验》实验讲义 实验一半导体光刻实验 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板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 2.1光刻原理及其作用 光刻就是将掩膜上的几何图形转移到覆盖在半导体晶片表面的 对光照敏感的薄膜材料（光致刻蚀剂）上去的工艺过程。这些图形确 定集成电路中的各个区域，如注入区、接触窗口区、压焊区等。由光 刻工艺确定的抗蚀剂图形并不是最后器件的构成部件，仅是电路图形 的印模，为了制备出实际的电路图形，还必须再一次把抗蚀剂图形转 移至抗蚀剂下面组成器件的材料层上，也就是使用能够对非掩膜部分 进行选择性去除的蚀刻工艺来实现图形转移。因此光刻工艺是蚀刻工 艺的前道工序，光刻对象是光照敏感的光致抗蚀剂，而蚀刻对象是能 与蚀刻剂发生反应的器件材料层，如下图的光刻流程图所示。光刻原 理与照相相似，不同的是半导体晶圆代替了照相底片，光刻胶代替了 感光涂层。光刻胶主要成分是高分子有机物，在光照下有机物分子结 构发生变化，进而使光刻胶性质发生变化，在与显影液接触时发生不
《电子封装技术工艺综合实验》实验讲义 实验一 半导体光刻实验 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板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 2.1 光刻原理及其作用 光刻就是将掩膜上的几何图形转移到覆盖在半导体晶片表面的 对光照敏感的薄膜材料（光致刻蚀剂）上去的工艺过程。这些图形确 定集成电路中的各个区域，如注入区、接触窗口区、压焊区等。由光 刻工艺确定的抗蚀剂图形并不是最后器件的构成部件，仅是电路图形 的印模，为了制备出实际的电路图形，还必须再一次把抗蚀剂图形转 移至抗蚀剂下面组成器件的材料层上，也就是使用能够对非掩膜部分 进行选择性去除的蚀刻工艺来实现图形转移。因此光刻工艺是蚀刻工 艺的前道工序，光刻对象是光照敏感的光致抗蚀剂，而蚀刻对象是能 与蚀刻剂发生反应的器件材料层，如下图的光刻流程图所示。光刻原 理与照相相似，不同的是半导体晶圆代替了照相底片，光刻胶代替了 感光涂层。光刻胶主要成分是高分子有机物，在光照下有机物分子结 构发生变化，进而使光刻胶性质发生变化，在与显影液接触时发生不
同的反应，部分被溶解，部分被保留下来，由此完成图形由掩膜板向 光刻胶的转移。 光刻流程图 前部工艺 清洗 面处理 涂胶 前烘 坚膜 显影 去胶 检查 黄光室 通过 →注入 图1光刻工艺步豫 2.2光刻胶的介绍 光刻胶是一种有机化合物，受紫外曝光后，在显影溶液中的溶解 度会发生变化。晶片制造中所用的光刻胶通常以液态涂在硅片表面， 而后被干燥成胶膜。主要有正负两种性质的光刻胶。 负性光刻胶：负性光刻胶在曝光后硬化变得不能溶解。 正性光刻胶：正性光刻胶曝光后软化变得可溶。 2.3光刻主要流程介绍 1、表面处理 晶圆容易吸附潮气到它的表面。光刻胶黏附要求要严格的干燥表 面，所以在涂胶之前要进行脱水烘焙和黏附剂的涂覆。脱水烘焙的温 度通常在140度到200度之间。有时还要用到黏附剂，黏附剂通常使
同的反应，部分被溶解，部分被保留下来，由此完成图形由掩膜板向 光刻胶的转移。 图 1 光刻工艺步骤 2.2 光刻胶的介绍 光刻胶是一种有机化合物，受紫外曝光后，在显影溶液中的溶解 度会发生变化。晶片制造中所用的光刻胶通常以液态涂在硅片表面， 而后被干燥成胶膜。主要有正负两种性质的光刻胶。 负性光刻胶：负性光刻胶在曝光后硬化变得不能溶解。 正性光刻胶：正性光刻胶曝光后软化变得可溶。 2.3 光刻主要流程介绍 1、表面处理 晶圆容易吸附潮气到它的表面。光刻胶黏附要求要严格的干燥表 面，所以在涂胶之前要进行脱水烘焙和黏附剂的涂覆。脱水烘焙的温 度通常在 140 度到 200 度之间。有时还要用到黏附剂，黏附剂通常使
用DS(六甲基二硅胺脘)。表面处理的主要作用是提高光刻胶与 衬底之间的粘附力，使之在显影过程中光刻胶不会被液态显影液渗透。 2、匀胶 匀胶时避免灰尘、小颗粒进入胶层，否则会造成有杂质的区域因 没有胶膜保护而被腐蚀掉：如果正好发生在条形台面上，会直接影响 这部分管芯的特性参数。在湿度大的季节，为保证光刻胶与基片附着 牢固，有时将片子放入表面处理剂中浸泡以增加粘附性能。 3、前烘 目的是蒸发掉胶中的有机溶剂成分，使晶圆表面的胶固化。这个 过程中胶中的溶剂基本被蒸发掉，因而通常情况下胶的厚度会变薄 (大约减少25%)。光刻胶固化，温度要适当，大约90~100度，时 间20分钟左右。 4、曝光 曝光灯的光强会随着工作时间的延长而逐渐下降，应定期监控光 强密度。光强太弱，使曝光时间不充分，在显影的时候容易留有底膜、 线条边缘不齐整。光强太强，显影速度太快，不容易控制图形。因此 要通过多次实验（曝光和显影），确定合适的曝光时间。 曝光能量=光强密度X曝光时间。 5、显影 用化学显影液将曝光造成的光刻胶的可溶解区域溶解就是光刻 胶的显影，其主要目的就是把掩膜版的图形准确复制到光刻胶中。 常见的显影液有NaOH(Shipley351),KOH(Shipley606),TMAH
用 HMDS （六甲基二硅胺脘）。表面处理的主要作用是提高光刻胶与 衬底之间的粘附力，使之在显影过程中光刻胶不会被液态显影液渗透。 2、匀胶 匀胶时避免灰尘、小颗粒进入胶层，否则会造成有杂质的区域因 没有胶膜保护而被腐蚀掉；如果正好发生在条形台面上，会直接影响 这部分管芯的特性参数。在湿度大的季节，为保证光刻胶与基片附着 牢固，有时将片子放入表面处理剂中浸泡以增加粘附性能。 3、前烘 目的是蒸发掉胶中的有机溶剂成分，使晶圆表面的胶固化。这个 过程中胶中的溶剂基本被蒸发掉，因而通常情况下胶的厚度会变薄 （大约减少 25%）。光刻胶固化，温度要适当，大约 90～100 度，时 间 20 分钟左右。 4、曝光 曝光灯的光强会随着工作时间的延长而逐渐下降，应定期监控光 强密度。光强太弱，使曝光时间不充分，在显影的时候容易留有底膜、 线条边缘不齐整。光强太强，显影速度太快，不容易控制图形。因此 要通过多次实验（曝光和显影），确定合适的曝光时间。 曝光能量=光强密度 X 曝光时间。 5、显影 用化学显影液将曝光造成的光刻胶的可溶解区域溶解就是光刻 胶的显影， 其主要目的就是把掩膜版的图形准确复制到光刻胶中。 常见的显影液有 NaOH (Shipley 351), KOH (Shipley 606) ,TMAH
(Shipley CD-26,MF-321,0CG945)等。需要注意的是：所有的这些 显影液都会刻蚀铝显影时间要适当，时间长了，会造成过显影，线条 宽度变窄、边缘坡度大、不整齐，腐蚀时容易钻蚀：显影时间短，容 易显不干净，留有底膜。显影后一定要把残留显影液、光刻胶、底膜 等漂洗干净，否则腐蚀时会出现腐蚀深度不均匀。采用等离子去胶机 处理底膜，保证显影后没有被光刻胶覆盖的区域表面干净。 6、检查 显影后在显微镜下检查显影质量，除了检查上述内容外，对于二 次光刻氧化层还要看套刻是否准确，否则漂掉光刻胶，重新涂胶光刻。 7、后烘 温度过高，会使胶变形、边缘不陡直，造成腐蚀后线条宽度变窄、 边缘不平直。 8、腐蚀 腐蚀台面深度：器件类型不同，腐蚀深度要求不同。 腐蚀氧化层：显微镜观察呈灰白色，条形边缘要平直，开孔条宽 在台面宽度之中。 9、去胶 去胶后也许仍有光刻胶底膜或胶粒，必须完全清除干净。如果一 次光刻后处理不到位，会使后面氧化层薄膜淀积附着性变差，会造成 解理时起皮；如果二次光刻后处理不到位，会使后面P面TiPtAu薄 膜淀积附着性变差，同样会造成解理时起皮、欧姆接触电阻变大。使 用等离子去胶必须通过实验控制好能量，否则会破坏外延材料表面
(Shipley CD-26, MF-321, OCG 945)等。需要注意的是：所有的这些 显影液都会刻蚀铝显影时间要适当，时间长了，会造成过显影，线条 宽度变窄、边缘坡度大、不整齐，腐蚀时容易钻蚀；显影时间短，容 易显不干净，留有底膜。显影后一定要把残留显影液、光刻胶、底膜 等漂洗干净，否则腐蚀时会出现腐蚀深度不均匀。采用等离子去胶机 处理底膜，保证显影后没有被光刻胶覆盖的区域表面干净。 6、检查 显影后在显微镜下检查显影质量，除了检查上述内容外，对于二 次光刻氧化层还要看套刻是否准确，否则漂掉光刻胶，重新涂胶光刻。 7、后烘 温度过高，会使胶变形、边缘不陡直，造成腐蚀后线条宽度变窄、 边缘不平直。 8、腐蚀 腐蚀台面深度：器件类型不同，腐蚀深度要求不同。 腐蚀氧化层：显微镜观察呈灰白色，条形边缘要平直，开孔条宽 在台面宽度之中。 9、去胶 去胶后也许仍有光刻胶底膜或胶粒，必须完全清除干净。如果一 次光刻后处理不到位，会使后面氧化层薄膜淀积附着性变差，会造成 解理时起皮；如果二次光刻后处理不到位，会使后面 P 面 TiPtAu 薄 膜淀积附着性变差,同样会造成解理时起皮、欧姆接触电阻变大。使 用等离子去胶必须通过实验控制好能量，否则会破坏外延材料表面
10、对版 一次光刻对版时要注意对准晶向，保证外延片的切边与掩膜版上 的竖线条垂直，即保证管芯解理时正好解理110自然解理面。如果 晶向未对准，会造成解理困难、无法形成很好的谐振腔、管芯特性差。 二次光刻对版时要保证与一次光刻的图形套合准确，保证氧化层 覆盖好条形台面的边缘，以防电流从条形下面流入，造成分流，使工 作电流增加、可靠性变差。设计光刻版时，加入对版标记，可以加快 对版速度、保证套合准确。 11、光刻版保养 光刻版不能有划痕和污物，光刻版的损伤会直接造成图形的不完 整、露光等，对片子成品率造成直接影响。保管时注意不要被划伤， 每次对版前必须彻底清洗，使用脱脂棉蘸少许洗涤液在去离子水下一 边冲洗一边轻轻顺线条擦拭版表面，最后用大量的去离子水冲洗干 净。 三、实验设备 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。 四、实验步骤 步骤1：硅片前烘去除水份，80摄氏度保温10分钟： 步骤2：用旋涂工艺涂上光刻胶： 匀胶机使用方法 1.将设备电源和真空泵电源打开
10、对版 一次光刻对版时要注意对准晶向，保证外延片的切边与掩膜版上 的竖线条垂直 ，即保证管芯解理时正好解理 110 自然解理面。如果 晶向未对准，会造成解理困难、无法形成很好的谐振腔、管芯特性差。 二次光刻对版时要保证与一次光刻的图形套合准确，保证氧化层 覆盖好条形台面的边缘，以防电流从条形下面流入，造成分流，使工 作电流增加、可靠性变差。设计光刻版时，加入对版标记，可以加快 对版速度、保证套合准确。 11、光刻版保养 光刻版不能有划痕和污物，光刻版的损伤会直接造成图形的不完 整、露光等，对片子成品率造成直接影响。保管时注意不要被划伤， 每次对版前必须彻底清洗，使用脱脂棉蘸少许洗涤液在去离子水下一 边冲洗一边轻轻顺线条擦拭版表面，最后用大量的去离子水冲洗干 净 。 三、实验设备 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。 四、实验步骤 步骤 1：硅片前烘去除水份, 80 摄氏度保温 10 分钟； 步骤 2：用旋涂工艺涂上光刻胶； 匀胶机使用方法 1. 将设备电源和真空泵电源打开