光刻工艺中关键流程参数分析

半导体关键尺寸的缩小 ，对光刻涂胶技术 的要求越 来越高，即要求光刻胶厚度越来越薄 、均匀性越来越
（２）光 刻胶厚 度 均匀 性 膜厚 的均匀 性定 义 为有用 面积 上最小胶膜 厚度
好 及 缺陷越 来越 少 。
与 同一面 积上最 大胶 膜 厚度 之 比 ，即 ：
（１）平 面旋 涂对 光刻 胶厚 度 的影 响 目前涂 胶工 艺一 般 采用 旋 转涂胶 方 法 。旋涂 法 的基 本原理 是 ：利用 转 动时 产生 的离 心力 ，将 滴在 衬 底 上的 多余胶 液甩 掉 ，在 胶 表 面 张力 和旋 转 离 心 力
硅 片 上旋 涂 光刻 胶 后必 须 经 过 软烘 ，以除 去光 刻胶中的溶剂，提高粘附性并降低流动性 ，并且降低 高速旋转后光刻胶薄膜 中的应力 ，从而提高光刻胶 的均 匀性及 曝光 图形质 量 。 ２．４ 对准 和曝光
对 准 和曝光工 艺是 光刻 中的重要 步骤 。硅 片对 准 时通常在 硅 片表 面有 一 层 对 准 标 记 的 图形 ，在 完 成预 对位 和增强 对位 后 ，将 掩膜 版 和硅 片曝光 ，从而 将 掩膜版 图形转 移到 涂胶 的硅 片上 。影 响光刻 对准 的因素有很 多 ，主 要包 括 对 准 标 记 、工 艺层 、光 刻胶 厚 度 、对准 方式 等 Ｊ，不再详 细讨 论 。
通 过 第 二 阶 段 的 速 度 变 化 来 控 制 。一 般 转 速 在 环境温湿度 、基底表面光洁度 、光刻胶质量 、配 比参
１５００ｒｐｍ ～６０００ｒｐｍ，旋 转 ３０ｓ～６０ｓ。对 于不 同 的光 刻胶 ，我们需要从它 的粘度 、溶剂挥发速度 、固体含 量 及表 面张 力等方 面 来选 定合 适 的转 速 。这个 匀胶
Ｎｏ．６ Ｄｅｃ．，２０１１
微 处 理 机
ＭＩＣＲ０ＰＲ０ＣＥＳＳＯＲＳ
第 ６期 ２０１１年 ｌ２月
光 刻 工 艺 中关 键 流程 参数 分 析 米
简祺 霞，王 军 ，袁 凯 ，蒋亚 东
（电子 科技 大学 光 电信 息 学院 电子 薄膜 与集成器件 国家 重 点实 验 室 ，成都 ６１００５４）
关键词 ：光 刻 ；涂 胶 ；膜 厚 ；均 匀性 ＤＯＩ编码 ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２—２２７９．２０１１．０６．００５ 中 图分 类号 ：ＴＮ３０５．７ 文献标 识码 ：Ａ 文章编 号 ：１００２—２２７９（２０１１）０６—００１４—０４
Ａｎａｓｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｋｅｙ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｎ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ Ｐｒｏｃｅｓｓ
表 面变 为疏水 性 ，从 而 很好 地 与光 刻胶 结合 ，增强 光 的粘度增 大 而增大 ，与式 （１）相吻合 。
刻胶 的粘 附性 。
２．２ 旋 转涂胶
硅 片被 真 空 吸 附 在一 个 聚 四氯 乙 烯 盘上 ，将 一
定量的光刻胶滴在硅 片上 ，然后旋 转硅片得到一层
均匀的光刻胶 。对不同的光刻胶要求的旋转涂胶条
件 不 同 ，需要 根据 光 刻 胶 的性 质 和 光 刻 工 艺 所需 要
的条件选择合适 的旋涂条件。
光刻 胶 的旋 涂 是 决 定 膜厚 的关 键 步 骤 ，尽 管 目
前 旋转 涂胶 能满 足 光 刻 技 术 的 的基 本 要 求 ，但 随 着
图 ２ 两 种 光 刻 胶 在 不 ｌ司转 速 Ｆ涂 覆 厚 度 曲线 图
６期
简祺霞等 ：光刻工艺 中关键流程参数分析
Baidu Nhomakorabea
·１５·
行 成膜 处理 。这 是 因为 目前 我们 使用 的多数 光刻胶 （不 同粘度 ）在不 同转 速 下 的光 刻胶 厚 度 曲线 ，如 图
都是疏水性的，而 ＳｉＯ：表面的羟基 和水分子是亲水 ２所 示 。
性的，这就使得光刻胶和硅片表面的粘附性较差 ，而
９０ｓ，用 ＸＰ一２台阶仪测得光刻胶厚度 ，每种转速下 的参数进行 ＡＺ３１００胶 的涂覆。据式 （２）可得在该
采 取 多次 测 量 求 平 均 值 的 方 法 。 得 到 两 种 光 刻 胶 转速下硅片表面光刻胶 的均匀性达到 ９９．１４％。
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２＿０
１·８
１·６ １＿４
度 、环境温度 、旋转加速度 、涂胶衬底材料 、衬底 图形 ９８％ 。
分 布 、抽风速 度 等 ，这 些 因素 在匀 胶 时往往 会 相互抵
此实验 中我 们选 取 ＡＺ３１００光刻 胶 来讨 论其 均
消 并趋 于平 衡 。所 以匀 胶 过 程 需 要 足 够 长 的 时 间 ， 匀性 。如 图 ３所 示为 不 同转速 时光刻胶 的厚度 均匀
由图 ２可 看 出 ，同一 粘度 的光刻 胶 ，当旋 涂时 间
ＨＭＤＳ经 热板 加 热 可 生 成 以硅 氧 烷 为 主 体 的 化 合 相 同时 ，光 刻胶 厚度 随旋 转 速度 的增加而 减小 ；在相
物 ，这种化合物是一种硅表面活性剂 ，它可以将硅片 同旋转速度和旋涂 时间下 ，光刻胶厚度随着光刻胶
分 比；Ｓ一转速 ；Ｋ一常数。
境温湿度 、光刻胶性质 、机器精度等的限制 ，硅片上
分别选取 ＡＺ３１００和 ＡＺ７０３光刻胶进行实验。 不同位置的光刻胶厚度波动亦较大。根据上述实验
衬底为 ６英寸硅片 ，前烘温度为 １００￣Ｃ，烘烤时间为 结果及工艺流程的需求 ，我们 优选转速为 ４０００ｒｐｍ
国 一圜一圈一圈一圜一曰一圈一圜
图 １ 光刻工艺流程
２光刻工艺研究
雾 、呈萎
２．１ 气相成底膜处理
再用脱水烘焙的办法除去水蒸气 ，增强硅片表面的
气相成底膜清洗主要包括硅片清洗 、脱水烘焙 粘附性 ，之后要立 即用 ＨＭＤＳ（六 甲基二硅胺烷 ）进
｛ｌ｝基金项 目：国家 自然科学基金项 目（６１００６０３６）；电子科技大学“学术新人”项 目支持 作者简介 ：简棋 霞（１９８７一），女 ，江西新余人 ，硕士研究生，主研方 向：微细加工研究工作。 收稿 １３期 ：２０１１—０３—２３
以保证 各影 响 因素达 到 平衡 。
性 。
光 刻胶 的厚 度 与其 转速 、粘 度 的关 系式 为
从 图 ３可 以看 出 ，不 同转 速 的光 刻胶 的均 匀性
Ｔ＝ＫＰ ／Ｉｓ‘ ’
（１） 稍有不同，当光刻胶 较厚时 ，光刻胶 的均匀性较差 ，
式 中，Ｔ一光刻胶 厚度 ；Ｐ一光刻胶 固体含量百 整个硅片的厚度波动较大 ；当光刻胶较薄时，由于环
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｐｈｏｔｏｌｉｔｈｏｇ ｒａｐｈｙ；Ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ ｃｏａｔｉｎｇ；Ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ ｔ ｈｉｃｈｎｅｓｓ；Ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ ｏｆ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ
１ 引 言
光刻技术 作 为半导 体工 业 的“核 心 工艺 ”，是支 撑摩 尔定律 所 阐 明的 ＩＣ工艺 不 断 缩 微 的关 键 生 产 技术。大规模集成 电路集成设计和制造集成电路所 需 的快速变 化 ，要求 光 刻工 艺不 断优化 ，以满足半 导 体关键尺寸，因此光刻常常被认为是 ＩＣ制造 中最关
ＪＩＡＮ Ｑｉ—ｘｉａ，ＷＡＮＧ Ｊｕｎ，ＹＵＡＮ Ｋａｉ，ＪＩＡＮＧ Ｙａ—ｄｏｎｇ
（Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆＥｌｅｃｔｒｏｒｄｃ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍｓ ａｎｄ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｕｎｉｖｅ￣ｉｔｙ ｏ ｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆＣｈｉｎａ （ＵＥＳＴＣ），Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００５４，Ｃｈｉｎａ）
＝ ×１０。％
（２）
式 中 ：ｕ为光 刻胶 均匀 性 ；Ｌ ｉ 为光 刻 胶 最 小厚 度 ；Ｌ 为光刻胶最大厚度。
的共 同作用下 ，扩展成厚度均匀 的光刻胶薄膜。
薄膜 均匀 性也 是光 刻工 艺 中需要考 虑 的一个 重
旋涂 主要 分 为两 个 阶 段 ：通 过 ５００ｒｐｍ 的转 速 ， 要 影 响因素 ，光刻 胶 厚 度 的不 均 匀 容 易造 成器 件 高 旋转 ５秒钟 ，使光刻胶平展开来 ；光刻胶 的厚度主要 度 的不一 致 ，影 响器 件 性能 一致性 。在光 刻工艺 中 ，
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｎｏｒｍ ａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ Ｏｆ ｔｈｅ ｐｈｏｔｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈ ｉｓ ｐａｐｅｒ，ａｎｄ ａｌｓｏ ｓｏｍｅ ｐａｒａｍ ｅｔｅｒｓ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｌｉｔｈ ｏｇｒａｐｈｙ ａｎｄ ｍａｉｎ ｆａｃｔｏｒｓ ｅｆｆｅｅｔｉｎｇ ｔｈ ｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｐａｔｔｅｒｎ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｔｈｅ ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ａｔ ｔｗｏ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｓｐｅｅｄｓ，ｆ ｉｌｍ ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ ａｎｄ ｓｔａｙ ｒａｔｅ ｏｆ ｔｗｏ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ ａｒｅ ａｎａｌｙｓｉｓｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ． Ａｎｄ ｔｈｅｎ ｓｏｍｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｓｏｍｅ ｃｏｍｍｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｉｎ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ ｐｒｏｃｅｓｓ ｗｅｒｅ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ． Ａｔ ｌａｓｔ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｌｉｔｈｏｇ ｒａｐｈｙ ｐｒｏｃｅｓｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ＡＺ３ １００ ａｎｄ ＡＺ７０３ ｗｉｌｌ ｂｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．
图 ３ 不 同转 速 的 光 刻 胶 厚 度 均 匀 性
由式 （２）可得 ：
×１０ ＝
一９９ ｌ４％
（３）
对 于 目前 的工 艺水平 来说 ，当均匀 性为９９．１４％ 时 足够满 足 我 们 现 在 实 验 的需 求 ，由此 对 ＡＺ３１００ 光 刻胶 ，我们选 用 ４０００ｒｐｍ 的转速 进行 实验 。 ２．３ 软 烘
数 、涂胶工艺参数等都是影响光刻胶均匀性的重要 因素 。
故 而 实验 中要 严 格控 制 光 刻 间的 温度 ，所 以实
的过程往 往 能决定 光 刻胶 薄膜 的最终 厚度 。
验 中要尽 量 使这 些条 件保 持在 一个相对 稳定 的范围
一 般 来说 ，匀 胶 转 速 越 快 ，时 间越 长 ，膜 厚 就 越 内 ，以保 证 良好 的均匀 性 ，从而 很好地满 足 目前半 导 薄 ，但影 响 光 刻 胶 厚 度 的 因 素 很 多 ，包 括 光 刻 胶 粘 体 制造 的需 求 。实 际 实 验 中 ，一般 要 求均 匀性 大于
图 ４ 抗蚀剂硅片结构示意 图
显影后 既要 查看 显影线 条 的质量及 图形套刻 的
情 况 ，还要 测量 显影过 程 的 留膜率 ，它是通 过测量 显
摘 要 ：主要介绍 了光刻工艺的基本流程，并分析 了光刻工艺中的流程参数及影响光刻质量的 主要 因素，讨论 了两种不 同光刻胶在不同转速下的厚度 、均匀性及 留膜 率，提 出了光刻工艺中部分 常 见 问题 的解决 方 法。通 过工 艺优 化 ，确 定 ＡＺ３１００和 ＡＺ７０３两种光 刻胶 的最佳 工艺参 数。
１．２
享
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位 置 （ｃｍ ）
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解 ，将要保留的图形留在硅片表面 ，其主要 目的是把 掩 膜版上 的 图形 准确 地 复制或转 移到涂 覆 的光刻 胶 薄膜 中。在显 影过 程 中要 注 意严 格 控制 显 影时 间 、 环境温湿度等参数 ，以保证关键尺寸达到规格要求。
键 的步骤 ，光刻 成本 在 整 个 硅 片加 工成 本 中几 乎 占 到三分 之一 … 。
光 刻工 艺是 一 个 复 杂 的过 程 ，是 半 导体 制造 中 最为重 要 的工 艺步 骤之一 。它 有很 多影响工艺宽 容 度的工艺变量 ，如特征尺寸 、对准偏差 、掩膜 、光刻胶 等 。光 刻工 艺 主要 分 为八个 基 本步 骤 （如图 １所 示 ）。