郭党委， 冯娟娟， 席 力

(兰州大学 磁学与磁性材料教育部重点实验室, 甘肃 兰州 730000)



微光刻与微加工技术工艺流程研究

郭党委， 冯娟娟， 席 力

(兰州大学 磁学与磁性材料教育部重点实验室, 甘肃 兰州 730000)

随着半导体制造工业的迅速发展，微光刻与微加工技术作为其“核心工艺”已经成为目前高校科学研究和工业研发的一个热门领域。它主要包括图形数据处理技术、图形曝光技术和图形加工技术。介绍了微光刻与微加工技术的基本工艺流程，讨论和分析了影响图形加工质量的工艺参数和主要因素，以及需要注意的关键事项和常见问题的解决方法。结合本实验室的工作，通过实验探索和工艺流程的优化，确定了光刻胶Futurres PR1-1000A型的最佳光刻工艺参数。

微光刻与微加工； 工艺参数； 涂胶； 曝光； 刻蚀和剥离

0 引 言

随着现代科技的迅速发展，半导体制造工业作为当今信息世界的核心和物质基础，已经成为国民经济中不可缺少的重要组成部分。微光刻与微加工技术是半导体制造业的“核心工艺”，它驱动着集成电路制造技术不断进步。大规模集成电路(IC)的集成设计和制造要求微光刻与微加工工艺不断优化，以满足半导体制造业的关键尺寸需求，因此微光刻与微加工过程被认为是IC制造业中最为关键的步骤，它直接影响着整个IC工业的产品质量[1-4]。

微光刻与微加工技术研究的是微图形转移技术，它大体可以分为图形数据处理技术、图形曝光技术和图形加工技术。该工艺是一个非常复杂的流程，样品的最终加工质量受很多因素的影响[5-6]，如：光刻胶的旋涂厚度，光刻机的曝光参数和显影时间等。

1 微光刻与微加工技术

(1) 图形设计。首先，研究者根据自己的需求和研究对象来设计图形，通常使用AutoCAD软件。以本实验室为例，使用的是海德堡公司生产的激光直写仪(DWL-66FS型)，仪器要求图形设计完之后保存成dxf格式，尤其要注意的是设计的图形必须是闭合的。

(2) 基片清洗和烘焙。在光刻之前，首先要对基片进行清洗，目的是去除基片表面的污染物(灰尘，颗粒，油渍等)。之后再用烘箱或者热板对基片进行烘焙，以去除表面水蒸气，从而增强基片表面黏附性。

(3) 旋转涂胶和软烘[7-8]。当基片清洗干净之后，就开始进行涂胶工艺，具体过程是：基片被真空吸附在一个基底上，然后将一定量的光刻胶滴在基片上面，最后旋转基片即可得到一层均匀的光刻胶膜。光刻胶在不同的转速下厚度不同，因此需要根据光刻胶的特性和光刻工艺要求来选择合适的旋涂条件。

旋转涂胶通常主要分为两个阶段：首先是低速旋转阶段，一般转速为200～600 r/min，时长5～10 s，使光刻胶先平展于基片表面；光刻胶的厚度主要通过第二阶段的转速来控制，此阶段转速一般控制在1 500～5 000 r/min，旋转40～60 s。不同的光刻胶，其黏度、主要成分含量及表面张力等特性不同，所以其旋涂工艺不尽相同。通常，匀胶转速越快，时间越长，膜厚就越薄。因此，我们需要通过多次实验摸索来选定合适的匀胶参数。

基片旋涂完光刻胶之后需要进行软烘，目的是除去光刻胶中的溶剂，提高胶的黏附性和降低胶膜内部的应力，从而提高光刻胶的均匀性和图形曝光质量。

我们实验室目前使用的是美国Futurrex正性光刻胶PR1-1000A，经过实验摸索，最后确定转速为3 000 r/min，时间为45 s，然后在120°的热板上烘焙2 min，此时胶膜厚度约为1.1 μm，基本满足实验室微米级的线条曝光工艺要求。

(4) 图形曝光。图形曝光是整个光刻流程中最重要的步骤。本实验室使用的光刻机是海德堡公司生产的激光直写仪(DWL-66FS)，不需要掩膜板，只需将研究人员设计的图形(*.dxf)文件拷贝到仪器主机里面，然后利用主机的一个程序将该图形文件转化为仪器可以识别并能够按照图形设计进行曝光的一个(*.job)文件。然后，按照仪器的曝光操作程序对基片进行光刻，最终实现图形转移到涂有光刻胶膜的基片上面。

(5) 后烘[9]。基片曝光后，一般需要进行短时间的低温烘焙处理，目的是减少曝光过程中在光刻胶内产生的驻波效应，提高显影图形的精度。我们实验室经过多次实验摸索，确定了对于PR1-1000A光刻胶的后烘工艺参数：烘焙温度为85 ℃，时间为30 s。

(6) 显影、图形检测和坚膜烘焙。显影是指将经过曝光的光刻胶用化学显影液(一般为碱性)溶解，未曝光的胶体会保留在基片上，从而实现把设计的图形准确转移到涂覆的光刻胶薄膜中。显影过程中最重要的参数就是显影时间，因此要严格控制显影时间，同时还要注意环境的温湿度，以保证关键尺寸能满足规格要求。

显影结束之后，需要对光刻胶上的图形进行检测，目的是为了查找曝光图形的缺陷，对有缺陷的图形需进行返工，如果未能检测出缺陷，则经过后续工艺后可能就无法恢复，因此该步骤至关重要。

待检测图形显影完好之后进行坚膜烘焙。将显影完好的基片放入130℃的热板上面烘焙1 min，以挥发掉残留的光刻胶溶剂，稳固光刻胶，进一步提高光刻胶与衬底之间的粘附性和光刻胶的抗腐蚀能力，这对后面利用离子束刻蚀进行线条加工非常重要。一般来说，坚膜烘焙的温度要略高于前烘温度。

一般来说，在光刻过程中，影响最终曝光结果的因素有很多，其中曝光的能量值、镜头的聚焦值和后续的显影时间这三个参数最为关键。因此需要提前进行多次的实验摸索，确定仪器的实验参数。同时在正常的运行过程中，每过一段时间(1个月左右)要对实验参数进行一次校准，以保证工艺流程的稳定性。

(7) 刻蚀和去胶[10-13]。刻蚀是与光刻相联系的图形化处理的一种主要工艺，分为湿法刻蚀和干法刻蚀。湿法刻蚀是利用溶液与需刻蚀的材料之间的化学反应来去除未被光刻胶掩蔽的部分从而达到刻蚀的目的。优点是重复性好，效率高，缺点是对图形的控制较差，会产生大量的化学废液，尤其是不能用于线条小的特征尺寸刻蚀。干法刻蚀种类很多，主要有离子束刻蚀、等离子体刻蚀和反应离子刻蚀三种。① 离子束刻蚀：低气压下惰性气体辉光放电所产生的离子(一般为Ar离子)加速后入射到薄膜表面，裸露的薄膜被溅射除去，此过程为纯物理过程，可以得到分辨率很高的(纳米级)的线条。但是，这种方法选择性差，须采用专门的刻蚀终点检测技术以保证刻蚀的具体位置，同时刻蚀速率较低，不适宜用于较厚(微米级)的薄膜样品刻蚀；② 等离子体刻蚀：特定气体(或者混合气体)在一定气压下的辉光放电，产生能与样品材料发生反应的分子或者分子基团，生成的反应物是挥发性的且可以在低气压的真空室中被抽走，从而实现样品的刻蚀。通过选择和控制放电气体的成分，可以得到较好的刻蚀选择性和较高的刻蚀速率，但是刻蚀的精度不高，一般用于5 μm以上的线条刻蚀工艺中；③ 反应离子刻蚀：该过程同时兼有物理和化学两种作用，它是利用高频电场下气体辉光放电产生的离子轰击的物理效应和活性粒子的化学反应相结合来实现图形加工的技术，具有较高的刻蚀速率和良好的方向选择性。

离子束刻蚀的理想结果是将光刻胶上的图形精确地转移到基片材料上，且线条尺寸符合规格要求。但是，由于光刻胶图形的侧面不够陡直和溅射产额随离子束入射角度不同而变化等诸多原因，离子束刻蚀过程中会产生槽底开沟、刻面和再沉积等现象，而这些效应降低了图形转移精度。① 槽底开沟：当光刻胶图案侧壁不够陡直时，溅射到侧壁上面的入射离子的入射角度较大，因此其反射率就较高，其中一部分反射的离子入射到槽底，结果造成该部位入射离子总量较多，从而导致该部位的刻蚀速率高于其它槽底部位，形成“开沟”现象。一般情况下，对于刻蚀深度不是很大或者光刻胶厚度较薄的情况下，槽底开沟现象并不明显。② 刻面效应：由于曝光和显影过程的影响，获得的光刻胶图形即使侧壁比较陡直，其顶部也会存在圆角，因此也会出现刻蚀速率不同的地方而形成“刻面”，最终导致图形转移轮廓发生变化。③ 再沉积：在离子束刻蚀过程中，会产生一些非挥发性刻蚀产物，当光刻胶或者样品材料厚度较深时，会出现部分大角度溅射飞出的粒子重新打到光刻胶和已刻材料的侧壁上，形成再沉积现象。再沉积现象使线条偏离了光刻胶图形限定的宽度，从而导致图形转移精度下降，极大地限制了离子束刻蚀大深宽比线条的能力。

根据实验室的科研工作的需要，我们目前使用的是离子束刻蚀仪来实现线条的加工。离子束刻蚀仪主要实验参数有栅极电压、束流密度和离子束入射角度等，通过多次实验摸索，当能量为400 eV和束流密度为0.4 mA/cm2时, 经离子束刻蚀后，基片上光刻胶图形保持较好，没有明显的塌陷和烧糊的现象发生，同时具有较高的刻蚀速率；为减弱再沉积等现象的影响，工作台(放置基片处)倾斜20°(即离子束入射角70°)时，线条刻蚀效果最好。

最后的步骤是去胶。待离子束刻蚀结束之后，需要对样品进行去胶工艺，目的是把覆盖在薄膜上面的光刻胶(图形)洗掉，常用的方法是：将刻蚀过的样品放入可以溶解光刻胶的溶剂(常用的是丙酮和乙醚)中，浸泡一段时间(0.5 h左右)后，用超声波对其进行超声约5 min，然后取出用去离子水(或纯水)冲洗干净，之后需要对样品图形进行检测以确保光刻胶是否去除干净。一般情况下该步骤重复2或3次即可。

(8) 剥离。通常情况下，一个完整的器件具有多层结构，相应的就需要多次曝光，此时就需要套刻技术，这就需要在设计和曝光第一层时有一些校准标志，以便下层图形曝光时进行对准[14-15]。同时，当新图层光刻胶曝光完毕材料需要再沉积时，此时的工艺不再是离子束刻蚀，而是材料的剥离工艺[16]。具体操作是：将沉积薄膜后的样品放入可以溶解光刻胶的溶剂中，浸泡一段时间(0.5 h左右)后，用超声波对其进行超声5 min左右，由于薄膜沉积的基底不一样(光刻胶和基片或其他无机材料)，薄膜的附着力就不同，在超声波的作用下，附着在光刻胶上的薄膜材料剥离而附着在基片(或其它无机材料)上的材料就保留下来，这样就把图形转移到样品上面。一般情况下，该过程重复2或3次即可。

2 结 语

微光刻与微加工技术工艺是一个复杂的流程，其中的每个步骤都会对最终图形结果产生很大的影响，加工的图形线条越精密，受到各因素影响越剧烈；同时实验室的环境温湿度和洁净度对工艺参数影响也很大，因此需要严格按照实验室管理规范和工艺流程说明认真操作，尽可能减少外在因素造成的图形偏差，从而确保整个工艺流程的稳定性和器件制备的成品率，进而为后续的器件性质测试和分析提供保证。

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Research on the Processes of Micro-photolithography and Micro-fabrication

GUODang-wei,FENGJuan-juan,XILi

(Key Laboratory for Magnetism and Magnetic Materials of the Ministry of Education,Lanzhou University, Lanzhou 730000, China)

With the rapid development of the semiconductor manufacturing industry, micro-lithography and micro-fabrication technology as its “core technology” have been hot issues in current research of universities and industrial institutes. The technologies are composed of graphic data processed technology, pattern exposured and fabricated technology. Firstly, the normal process of the micro-photolithography and micro-fabrication was introduced in this article, process was divided into eight steps specifically. More importantly, the parameters in the processing and the major factors affecting the quality of pattern were investigated in detail for each step. And the key items attended and the solutions of the common problems were also discussed. Meanwhile, it showed the optimal lithography parameters of Futurres PR1-1000A in the micro-photolithography and micro-fabrication processes through experiments in our laboratory.

micro-photolithography and micro-fabrication; process parameters; coating; exposure; etch and lift-off

2015-01-05

国家自然科学基金项目(51202102)；教育部CERS项目

郭党委(1982-)，男，河南郏县人，博士，高级工程师，现主要从事实验教学管理和微纳米图形加工技术研究工作。

Tel.:0931-8914160;E-mail:guodw@lzu.edu.cn

TN 305.7; TN 405

A

1006-7167(2015)12-0013-03