图形转移技术概要

光刻图形转移技术张永平;程越;卢吴越;谈嘉慧;赵高杰;刘益宏;孙玉俊;陈之战;石旺舟【摘要】通过对预烘、光刻胶旋涂、软烘焙、对准曝光、后烘、显影、坚膜的光刻工艺过程分析,主要介绍了光刻工艺中容易出现的问题及解决方法,并通过实验和分析得出了可靠的技术方案.【期刊名称】《上海师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2014(043)002【总页数】5页(P132-136)【关键词】光刻;光刻工艺;光刻胶【作者】张永平;程越;卢吴越;谈嘉慧;赵高杰;刘益宏;孙玉俊;陈之战;石旺舟【作者单位】上海师范大学数理学院,上海200234;上海师范大学数理学院,上海200234;上海师范大学数理学院,上海200234;上海师范大学数理学院,上海200234;上海师范大学数理学院,上海200234;上海师范大学数理学院,上海200234;上海师范大学数理学院,上海200234;上海师范大学数理学院,上海200234;上海师范大学数理学院,上海200234【正文语种】中文【中图分类】TN290 引言光刻机是微电机系统(MEMS)与微光学器件(MOD)的完美结合,引发了一场微型化革命,从而使半导体芯片、电子器件和集成电路向着更高集成度方向发展.而光刻技术是芯片制造的关键,决定了芯片的最小尺寸[1].IC制造具有复杂的工艺链:晶圆制备、电路制造、封装等,其中电路制造过程最为复杂,包括气相沉积、光刻、刻蚀、离子注入、扩散和引线等.决定IC特征尺寸大小的关键和瓶颈技术就是其中的光刻环节.IC特征尺寸的变化与光刻技术的发展关系遵从着著名的摩尔定理[2-3].随着IC特征尺寸的减小,采用的曝光方式从接触式、接近式到投影式;光源从436、365、248 nm到193 nm;数值孔径从0.35、0.45、0.55、0.60到0.70 [4].当特征尺寸小于100 nm时,现有的工艺和光源都必须再次更新,如离轴照明技术、相移掩模技术、浸没透镜技术等作为目前提高光刻分辨率的新技术正被研究和应用,但提高仍然有限.为了更进一步提高光刻分辨率,延长光学光刻寿命,一系列下一代的光学光刻技术,包括x射线、离子束投影、无掩模、电子束投影和电子束直写等已被提出和研究[5-7].这些技术的共同特点是:寻求波长更短的光源;依旧采用光学光刻机理;阻挠光刻分辨率的半波长效应仍然存在;使用这些光源不仅本身具有相当大的技术难度和基础理论问题,而且在光学透镜系统的研制、掩模制造工艺、光刻工艺及资金投入等方面都在难度和数量上呈指数上升.因而,如何提高光刻工艺技术,探索更加优良的工艺方法成为了当前优化光刻图形、提高最小分辨率的研究趋势.光刻图形转移过程中,参数选取稍有不同,将引起光刻图形质量的严重变化,因而必须通过科学合理的设计实验,获得最佳光刻参数.1 实验实验中使用的光刻胶为陶氏化学SPR995,正胶;光刻机是中国科学院光电技术研究所设计的I线接触式光刻机.选用2英寸蓝宝石衬底,经过划片、清洗、烘干后,进行光刻图形转移技术研究.首先在蓝宝石衬底上外延SiO2保护层或金属蒸发层,再利用匀胶机旋涂一层均匀的光刻胶.其中,匀胶6 s,甩胶20 s,匀胶机转速分别为500r/min和2 500 r/min,胶膜层均匀,粘附良好,表面无颗粒无划痕.前烘,将衬底放在90℃的加热板上烘焙,前烘15 s,使胶膜内溶剂充分地挥发掉,使胶膜干燥,增加胶膜与SiO2或金属膜之间的粘附性和提高胶膜的耐磨性,不沾污掩模板,只有干燥的光刻胶才能充分进行光化学反应.接下来就是曝光,接触式曝光法,在专用的光刻机上,它包括“定位”和“曝光”两部分.预热紫外光灯(高压汞灯)使光源稳定,将光刻掩模板安装在支架上,使有图形的玻璃面向下,并把涂有光刻胶的蓝宝石衬底片放在可微调的工作台上,胶面朝上,在显微镜下仔细调节微动装置,使掩模板上的图形与样片相应的位置准确套合,复查是否对准,按下曝光,曝光15 s,取出已曝光的样品.在90℃条件下后烘15 s,然后显影,将曝光后的样品放进准备好的显影液中,将未感光部分的光刻胶溶除,以获得腐蚀时所需要的、有抗蚀剂保护的图形;显影40 s后,取出来漂洗,氮气吹干;接下来进行转移后的图形检查,保证光刻质量.坚膜,显影时光刻胶胶膜易发生软化、膨胀,显影后必须进行坚固胶膜的工作,坚固后可以使胶膜与SiO2层或金属蒸发层之间粘贴得更牢,以增强胶膜本身的抗蚀能力.坚膜后进行化学腐蚀或是干法刻蚀,将无光刻胶复盖的氧化层或金属蒸发层刻蚀掉,而有光刻胶覆盖的区域保存下来;得到理想的图形以后,去除覆盖在衬底表面的保护胶膜,一般使用化学试剂使其胶膜碳化脱落.用浓硫酸煮两遍使胶膜碳化脱落、冷却、用去离子水冲洗净. 最后检查光刻转移图形质量.图1 光刻图形转移步骤2 结果与分析根据光源的强弱、光源与衬底的距离、光刻胶性能和光刻图形尺寸大小选择曝光时间.一般情况下,先试曝光一片,显影后检查一下表面,看其图形是否清晰.(a) 曝光不足:光刻胶反应不充分,显影时部分胶膜被溶解,显微镜下观察胶膜发黑,如图2所示;(b) 而图3是由于曝光时间过长:使不感光部分的边缘微弱感光,产生“晕光”现象,边界模糊,出现皱纹.光强为9 MW时,曝光时间选择8～15 s[8]得到的图形质量最高. 图2 曝光不足图3 曝光时间过长如图4,曝光时间的不合理同样影响光刻转移的图形质量.曝光时间短,使显影困难;曝光时间过长,显影后图形轮廓粗糙甚至脱胶.在曝光之后要对样品进行后烘处理,如果后烘的温度变化大且温区不均匀,容易使胶膜产生“热斑”造成曝光、显影不彻底而出现小岛之类的缺陷或者使胶膜的抗蚀性变差.显影过后,对样品冲洗不彻底还会使图形边缘出现锯齿缺陷.此外,试验工作人员的净化服处理不干净、工作环境净化条件差等,也会引入点缺陷.实验环境湿度太大,前烘不足,显影时间太长,很容易出现浮胶,引起胶膜脱落,如图5所示.图4 曝光不合理图5 脱胶现象图6是在光学显微镜下放大2 000倍的照片,观察到的光刻损伤主要是驻波效应(stand wave effect).在光刻胶曝光的过程中,透射光与反射光(在基底或者表面)之间会发生干涉.这种相同频率的光波之间的干涉,在光刻胶的曝光区域内出现相长相消的条纹.光刻胶在显影后,在侧壁会产生波浪状的不平整.经过反复试验,得到了解决方案:(a) 在光刻胶内加入染色剂,降低干涉现象;(b) 在光刻胶的上下表面增加抗反射涂层(ARC,Anti-Reflective Coating);(c) 延长后烘(PEB,Post Exposure Baking)和硬烘(HB,Hard Baking)时间.由于光刻掩模胶由高分子材料组成,当将其由液态的胶旋涂在样片上,加工形成薄膜后,使用台阶仪测量其厚度在100 nm左右,而且胶膜中会经常产生针孔,如图7所示.在工艺过程中它会使光刻掩模胶覆盖下的材料在不该腐蚀掉的地方留下针孔,影响器件整体结构的完整性,从而引起器件的漏电、短路、特性变坏等不良后果.它的分布通常也是随机的,其密度与胶的品种、粘度、涂层厚度以及显影、冲洗时间和样片表面状况有关.胶膜越薄、粘度越小、显影冲洗时间越长或衬底片表面沾污越严重,针孔密度就越大,掩模胶的抗蚀能力也越差.需要通过基片清洗、掩模板清洗和增加胶膜厚度等方法解决[9].图6 驻波现象图7 针孔现象如图8所示,曝光处理后的图形质量很差,部分区域显影过度.这与涂敷光刻胶的均匀性、平整度以及光刻机曝光的均匀性都有很大的关系.解决这一工艺问题,先调整光刻胶的旋涂方法,再调节曝光时间、显影液浓度及显影时间来避免光刻转移图形质量差的问题.图8 过显影现象图9 合理光刻工艺的圆柱图形从图10的电子显微镜图片和图11的AFM图片来看,可以知道衍射条纹的深度(膜厚)、宽度,亦表征了光刻胶表面的平整度以及光刻切面立度.光刻胶的黏度比较大,也会导致表面的不平整[10].图10 合理光刻工艺的光栅图形图11 合理光刻工艺的光栅AFM图形3 结论光刻图形转移技术是未来发展纳米电子器件、纳米芯片的关键技术,是一种图形技术与图形刻蚀工艺相结合的综合性工艺,是平面工艺中至关重要的一步,其工艺质量是影响器件稳定性、可靠性及成品率的关键因素之一.所以,稳定可靠的光刻工艺是当前亟需技术,本研究针对当前存在的普遍技术难题给出了解决方案.参考文献:[1] 简祺霞,王军,袁凯,等.光刻工艺中关键流程参数分析[J].微处理机,2011,32(6):13-17.[2] LEEDS A R,VNAKEUERN E R,DUSRT M E,et al.Integration of microfluidic and microoptical elements using single-mask photolithographicstep[J].Sensors and Actuators A,2004,115(2-3):571-580.[3] WONG W H,LIU K K,CHAN K S,et al.Polymer device for photonic applications[J].Journal of Crystal Growth,2006,288(1):100-104.[4] 丁玉成,刘红忠,卢秉恒,等.下一代光刻技术——压印光刻[J].机械工程学报,2007,43(3):1-7.[5] BERNARD F.Advanced optical lithography development,from UV to EUV[J].Microelectronic Eng,2002,61(62):11-24.[6] 成立,王振宇,朱漪云.制备纳米级ULSI的极紫外光刻技术[J].半导体技术,2005,30(9):28-33.[7] RICHARD H S,DONALD W S.Extreme Ultraviolet Lithography[J].IEEE Journal of Quantum Electronics,1998,16(6):694-699.[8] 郑金红.光刻胶的发展及应用[J].精细与专用化学,2006,14(16):24-30.[9] 汪继芳.光刻工艺稳定性研究[J].集成电路通讯,2005,23(1):38-40.[10] 邓涛,李平,邓光华.光刻工艺中缺陷来源的分析[J].半导体光电,2005,26(3):229-231.。

随着科技的进步和发展，人们从理论和实验研究中发现，当许多材料被加工为具有纳米尺度范围的形状时，会呈现出与大块材料完全不同的性质。

这些特异的性质向人们展现了令人兴奋的应用前景。

而在开发超大规模集成电路工艺技术的过程中，人们已经开发了一些能够进行纳米尺度加工的技术，例如电子束与X射线曝光，聚焦离子束加工，扫描探针刻蚀制技术等。

但这些技术的缺点是设备昂贵，产量低，因而产品价格高昂。

商用产品的生产必须是廉价的、操作简便的，可工业化批量生产的、高重复性的；对于纳米尺度的产品，还必须是能够保持它所特有的图形的精确度与分辩率。

针对这一挑战，美国“明尼苏达大学纳米结构实验室”从1995年开始进行了开创性的研究，他们提出并展示了一种叫作“纳米压印”(nanoimprint lithography) 的新技术[1]。

纳米材料在电子、光学、化工、陶瓷、生物和医药等诸多方面的重要应用而引起人们的高度重视.一纳米材料的概述：从分子识别、分子自组装、吸附分子与基底的相互关系、分子操作与分子器件的构筑，并通过具体的例证加以阐述，包括在STM 操作下单分子反应有机小分子在半导体表面的自指导生长; 多肽-半导体表面特异性选择结合.生物分子/无机纳米组装体、光驱动多组分三维结构组装体、DNA 分子机器。

所谓纳米材料指的是具有纳米量级从分1~100 nm 的晶态或非晶态超微粒构成的分子识别走向分子信息处理和自组织作用的固体物质。

纳米压印技术具有产量高、成本低和工艺简单的优点，是纳米尺寸电子器件的重要制作技术。

纳米压印技术主要包括热压印、紫外压印(含步进—闪光压印)和微接触印刷等。

本文首先描述了纳米压印技术的基本原理，然后介绍了传统纳米压印技术的新进展，如气压辅助纳米压印技术、激光辅助压印技术、静电辅助纳米压印技术、超声辅助纳米压印技术和滚轴式纳米压印技术等。

最后特别强调了纳米压印的产业化问题。

我们希望这篇综述能够引起国内工业界和学术界的关注，并致力于在中国发展纳米压印技术。

图形转移工艺、光刻工艺和掺杂工艺
尽管不同的半导体表面处理工艺有所不同，但都通过改变表面结构
来提高微结构表面性能。

下面介绍三种表面处理技术：图形转移工艺、光刻工艺和掺杂工艺。

一、图形转移工艺
图形转移技术是从一块化学稳定的基片上转移图形模型的技术，它可
以在表面形成各种微结构。

该工艺主要通过物理性质转换，一层层的
制造出来一个复杂的结构膜。

图形转移技术的主要优势在于可重复性强，因为其工艺成功率高且能够生成一致的纳米结构和形状，可以用
来制造各种新型电子元件。

二、光刻工艺
光刻技术是利用紫外光能量将特定材料转化为特定形状和尺寸的技术。

这种技术采用均匀的光束，然后照射到特定的光稳定的模板或基片上，可以形成特殊的图形。

光刻技术的优势在于可以用于制造小型和复杂
的微电子器件，其技术成熟度较高，因此常用在制造空间小、形状复
杂的微结构上。

三、掺杂工艺
掺杂是指在半导体特定位置掺入不同的物质，以获得适宜的特性，提
升器件特性。

掺杂工艺分为内掺杂和表面掺杂两种，采用优化的材料、化学反应和热处理，调制半导体表面，以满足特定功能。

使用掺杂工艺，可以在表面形成各种微结构，大大提升表面特性，从而生产新型
电子元件。

以上是图形转移工艺、光刻工艺和掺杂工艺的简介。

它们是半导体表
面处理工艺的重要技术，为微结构技术的发展提供了坚实的基础。

结
合先进的集成电路设计技术，它们将在未来大大改观智能电子产品的
设计与制造。

第五章图形转移1.典型的光刻工艺主要有哪几步？简述各步骤的作用。

涂胶：在衬底上涂布一层光刻胶前烘：蒸发光刻胶中的溶剂对准：保证图形与硅片上已经存在的图形之间的对准曝光：使光刻胶产生化学反应而变性曝光后烘烤：减少驻波效应；激发化学增强光刻胶的PAG产生的酸与光刻胶上的保护基团，发生反应并移除基团使之能溶解于显影。

显影：显影液溶剂溶解掉光刻胶中软化部分，将图形从掩膜版转移到光刻胶上坚膜：完全蒸发掉光刻胶里面的溶剂，提高光刻胶在离子注入或刻蚀中保护下表面的能力，进一步增强光刻胶与硅片表面之间的粘附性，减少驻波效应显影检查：检查图形是否对准，临界尺寸及表面是否良好2.光刻对准标记中RA，GA，FA分别是什么？它们有什么用？投影机-掩膜版对准标记（Retical Alignment,RA）在投影掩膜版的左右两侧，与安装在步进机机身上的对准标记对准。

整场对准标记（Global Alignment,GA）在第一次曝光时被光刻在硅片左右两边，被用于每个硅片的粗对准。

精对准标记（Fine Alignment,FA）每个场曝光时被光刻，用于每个硅片曝光场和投影掩膜版的对准调节。

3.什么是光刻胶的对比度？它对曝光图形产生什么样的影响？光刻胶的对比度（）是对光刻胶完全曝光所需要的最小剂量和光刻胶不发生曝光效果所允许的最大剂量比例的函数，表征的是曝光并显影后从曝光区域到非曝光区域的图形侧壁陡峭程度。

对比度越大，显影后光刻胶侧壁越陡峭，图形越明晰。

4.什么是光刻中常见的表面反射和驻波效应？如何解决？穿过光刻胶的光会从晶圆片表面反射出来，从而改变投入光刻胶的光学能量。

当晶圆片表面有高度差时，表面反射会导致线条缺失，无法控制图形，这就是表面反射和驻波效应。

解决方法：改变沉积速率以控制薄膜的反射率；避免薄膜表面高度差，表面平坦化处理（CMP）；光刻胶下涂覆抗反射的聚合物（Anti-reflect coating,ARC）5.简述电子束光刻的光栅扫描方法和矢量扫描方法有何区别。

以项目为导向的“图形转移技术”实验教学案例设计
宋琳琳;柯丁宁;况婷;李玉峰
【期刊名称】《实验室研究与探索》
【年(卷),期】2024(43)5
【摘要】针对材料专业人才培养需求和微电子制造技术实验的特点,设计了一个以LED芯片封装项目为对象,以图形转移技术为依托的实验教学案例。

通过对该案例的实验内容、实施过程、课程思政设计等多方面研讨,展开对图形转移技术实验案例的研究与探索。

以一个封装支架的制造贯穿整个实验过程,综合运用电子材料、工艺制造设备、测量设备,构建完善的实验流程,以期提升学生利用理论知识解决实际问题的能力,增强学生对电子材料理论知识的理解,打造一个电子材料实践应用平台,促进学科交叉融合教学建设。

【总页数】5页(P188-191)
【作者】宋琳琳;柯丁宁;况婷;李玉峰
【作者单位】哈尔滨工业大学(深圳)实验与创新实践教育中心;哈尔滨工业大学(深圳)材料科学与工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】G642.4
【相关文献】
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第七章沉积法图形转移技术将曝光或压印形成的有机聚合物纳米图形结构转移到各种功能材料上，是微纳米加工技术的重要组成部分。

主要内容1.简介2.薄膜沉积技术3.溶脱剥离法4.电镀法5.嵌入法6.模板法7.喷墨打印法8.掠角沉积法（一）简介以上各章介绍的曝光技术和压印技术，主要形成了基于光刻胶或抗蚀剂等有机聚合物材料的微纳米结构，其功能是作为掩模，帮助形成衬底材料的微纳米结构。

之后，需要将曝光或压印形成的有机聚合物材料微纳米结构转移到衬底材料来。

这种图形转移技术主要分为两大类：沉积法图形转移和刻蚀法图形转移。

（二）薄膜沉积技术◆蒸发◆溅射◆溶胶-凝胶法◆化学气相沉积◆原子层沉积◆分子束外延化学气相沉积(CVD)技术（一种广为应用的制膜方法）CVD技术的关键是，找到合适的气相化合物作为源材料。

化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）把含有构成薄膜元素的一种或者几种化合物气体供给衬底，借助气相作用或在衬底上的化学反应生成所需薄膜。

例如：用硅烷SiH4来制备硅薄膜（SiH4 = Si +4H）气体分解方式(1) thermal deposition(2) plasma deposition(3) photon (laser, UV) deposition其技术特征在于：（1）高熔点物质能够在低温下合成（2）可以制备多种薄膜材料各种CVD技术等离子体增强化学气相沉积(PECVD)是利用由输入射频功率源产生的等离子体裂解反应前驱物的CVD工艺，其主要优点是可以降低基片温度，并可精确控制化学剂量比，实现薄膜的原价掺杂。

热丝化学气相沉积(HWCVD)是利用由高温热丝来分解反应前驱物的CVD工艺，其主要优点是可以降低基片温度，沉积速率快。

激光诱导化学气相沉积(LCVD)是利用激光束的能量分解反应前驱物的CVD 工艺。

根据对激光束的控制，既可进行大面积的薄膜沉积，也可进行微米范围的局部微区沉积。