《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
2.将设备旋转盘保护上盖旋开，选择好需要加工晶元配套的吸 盘，将吸盘放在匀胶电机轴套上，注意吸盘的方向，务必放稳，放平。 3.将硅片放到吸盘上，并点胶。 4.打开控制面板上的“真空”按钮，吸盘上形成真空。 5.将旋转盘保护上盖旋到旋转盘上方，盖好，操作人员手扶旋 转保护盘。 6。选择好匀胶时间和匀胶频率后，按下“匀胶启动”的绿按钮。 7.待匀胶完全停止后，关闭真空电源取出硅片。 注意 1.真空气泵需要定期加油，注意油面情况，具体参照说明书。 2.定期清理旋转盘里面残留的胶。 3.“真空”没有按下时，匀胶工作不能进行。 频率和电机转速对照表 变顿输出频半) 电机转数p 3360 616 7840 15 步骤3：后烘干，80摄氏度20分钟 步骤4：硅片对焦后在紫外线下曝光：
2. 将设备旋转盘保护上盖旋开，选择好需要加工晶元配套的吸 盘，将吸盘放在匀胶电机轴套上，注意吸盘的方向，务必放稳，放平。 3. 将硅片放到吸盘上，并点胶。 4. 打开控制面板上的“真空”按钮，吸盘上形成真空。 5. 将旋转盘保护上盖旋到旋转盘上方，盖好，操作人员手扶旋 转保护盘。 6. 选择好匀胶时间和匀胶频率后，按下“匀胶启动”的绿按钮。 7. 待匀胶完全停止后，关闭真空电源取出硅片。 注意 1. 真空气泵需要定期加油，注意油面情况，具体参照说明书。 2. 定期清理旋转盘里面残留的胶。 3. “真空”没有按下时，匀胶工作不能进行。 步骤 3：后烘干，80 摄氏度 20 分钟 步骤 4：硅片对焦后在紫外线下曝光；
01。持榄及截片台相 2.电组 03。持模板真空吸片开关04。显微镜“亮度”调节旋 5吸铁心装置及心指示06，系灯流器箱 07,双目显微镜组 09.显微镜焦距调节提组 09.是光时问控制器 10。吸陆片及真空理光开关 11.基座组 12.光刻机操作台 光刻机操作程序说明： (1)光刻机电源接通后，总电源开关“开”，主机工作指示灯 “亮”，汞灯整流器电源接通后，开关“开”，200W超高压球形汞 灯“亮”。15分钟后，待汞灯发出的光谱稳定后，在承片台的掩模 板上，放置照度计的“探头”，光源能量为Tmw以上，光照度的不均 匀性小于5%，上述两项要求在出厂前已经调整好。光照度的不均匀 性还可借助光源调整手轮X、Y、Z(曝光汞灯散热器两侧)来实现。 (②)旋转承片台Z向带柄手轮，承片轴沿Z向下降至极限位置时， 升降指示灯“亮”，并将Z向微分离手轮（亿向带柄旋钮前下端）调整 至“0”位，此时掩模装夹板可以向左侧移出。 (3)掩模清洁后，放置于掩模装夹板上，并将掩模的真空吸片阀
光刻机操作程序说明： (1)光刻机电源接通后，总电源开关“开”，主机工作指示灯 “亮”，汞灯整流器电源接通后，开关“开”，200W 超高压球形汞 灯“亮”。15 分钟后，待汞灯发出的光谱稳定后，在承片台的掩模 板上，放置照度计的“探头”，光源能量为 7mw 以上，光照度的不均 匀性小于 5％，上述两项要求在出厂前已经调整好。光照度的不均匀 性还可借助光源调整手轮 X、Y、Z(曝光汞灯散热器两侧)来实现。 (2)旋转承片台Z向带柄手轮，承片轴沿Z向下降至极限位置时， 升降指示灯“亮”，并将 Z 向微分离手轮(Z 向带柄旋钮前下端)调整 至“0"位，此时掩模装夹板可以向左侧移出。 (3)掩模清洁后，放置于掩模装夹板上，并将掩模的真空吸片阀
开关（图二/03）旋至“开”，这时掩模与掩模装夹板之间即产生吸附 力，为了防止掩模与硅片之间接触时所产生的顶力，使两者脱开，故 在掩模与掩模板上面再加掩模板压圈（备件），用滚花螺钉（图四/09） 将掩模与掩模装夹板之间压紧。这样掩模与掩模板装夹板之间不但有 真空吸附力，而且还加机械加固，故光刻过程更稳定可靠。 (④)将硅片安置在球形盘的端面上，并将硅片边缘紧靠预定位杆 及弦线定位块，按下吸片按钮（图二/10），使球形座面与硅片产生真 空吸附力，这时掩模装夹板可以沿着导轨向右侧移入，直至与定位 块相碰为止。旋动承片台Z向带柄手轮，将承片轴Z向上升，当硅片 与掩模接触时，再将微分离旋钮(2向带柄手轮前下端)退回至 “3”(即：下降30um),使掩模与硅片之间有一个微小的间隙（此 间隙量也可按操作者需要而定)，安置这个间隙的目的，是便于图形 匹配和延长掩模的使用寿命。 (⑤)调节显微镜焦距（图二/08），使掩模与硅片中的图形视觉最 清晰为止。 (6)掩模中的图形与硅片中的图形匹配，是旋动X向和Y向的手 轮来实现的，掩模沿着X、Y方向移动。旋转0角手轮(，承片台 作旋转运动，从显微镜观察，通过X、Y、日角的逐步凑近法，直至 使掩模中的图形与硅片中的图形相互重合为止。 (7)a.真空曝光：在承片台左侧设有吸铁盘和归心装置，当需 要曝光时，将吸铁盘移至中心位置，到达归心程度时，归心装置的指 示灯“亮”，然后再按下控制按钮（图二/10“真空曝光开关”，这
开关(图二／03)旋至“开”，这时掩模与掩模装夹板之间即产生吸附 力，为了防止掩模与硅片之间接触时所产生的顶力，使两者脱开，故 在掩模与掩模板上面再加掩模板压圈(备件)，用滚花螺钉(图四／09) 将掩模与掩模装夹板之间压紧。这样掩模与掩模板装夹板之间不但有 真空吸附力，而且还加机械加固， 故光刻过程更稳定可靠。 (4)将硅片安置在球形盘的端面上，并将硅片边缘紧靠预定位杆 及弦线定位块，按下吸片按钮(图二／10)，使球形座面与硅片产生真 空吸附力，这时掩模装夹板可以沿着导轨向右侧移入， 直至与定位 块相碰为止。旋动承片台 Z 向带柄手轮，将承片轴 Z 向上升，当硅片 与掩模接触时，再将微分离旋钮(z 向带柄手轮前下端)退回至 “3”(即：下降 30 u m)，使掩模与硅片之间有一个微小的间隙(此 间隙量也可按操作者需要而定)，安置这个间隙的目的，是便于图形 匹配和延长掩模的使用寿命。 (5)调节显微镜焦距(图二／08)，使掩模与硅片中的图形视觉最 清晰为止。 (6)掩模中的图形与硅片中的图形匹配，是旋动 X 向和 Y 向的手 轮来实现的， 掩模沿着 X、Y 方向移动。旋转 θ 角手轮(，承片台 作旋转运动，从显微镜观察，通过 X、Y、θ 角的逐步凑近法，直至 使掩模中的图形与硅片中的图形相互重合为止。 (7)a．真空曝光：在承片台左侧设有吸铁盘和归心装置，当需 要曝光时，将吸铁盘移至中心位置，到达归心程度时，归心装置的指 示灯“亮”，然后再按下控制按钮(图二／ 10“真空曝光开关”，这
时光刻机进入真空曝光状态)，真空曝光装置的指示灯“亮”，控制 按钮连接在左侧面板内的真空计上，当硅片与掩模之间的真空到达吸 附要求时，光刻机才能开始真空曝光，如果承片台不在归心位置，吸 铁盘的指示灯不亮，按下控制按钮时，光刻机不进行曝光工作。 b.分离曝光：将承片台进行归心操作，到达归心程度时，归心 装置的指示灯“亮”。然后按下右侧面板上的“分离曝光“按钮，光 刻机就进入“分离曝光”状态，（硅片与掩模间不形成真空腔），如果 承片台不在归心位置，按下“分离曝光”按钮时，光刻机不进入曝光 状态。 注意事项 1.开机时，必须先打开主机电源，然后再打开汞灯电源：关机 时，必须先关闭汞灯电源，然后再关闭主机电源。 2.汞灯在切断电源或自行熄灭后，必须将汞灯整流器的电源拨 至“关”。待汞灯完全冷却后才能再次起辉，时间约为15分钟左右。 3.光刻机在使用过程中，各运动部件如发生故障及机件卡塞等 现象，必须停止使用，查明原因，否则将损坏电子元件或机件。 4.光刻机不使用时，应罩好防尘罩，以免灰尘及其它污物侵入 光学零件，影响观察。 步骤5：显影去除曝光部分光刻胶，进行坚膜以增强黏附性： 步骤6：显微镜检查： 步骤7：用光刻胶做为掩膜干法刻蚀： 步骤8：去胶：
时光刻机进入真空曝光状态)，真空曝光装置的指示灯“亮”，控制 按钮连接在左侧面板内的真空计上，当硅片与掩模之间的真空到达吸 附要求时，光刻机才能开始真空曝光，如果承片台不在归心位置，吸 铁盘的指示灯不亮，按下控制按钮时，光刻机不进行曝光工作。 b．分离曝光：将承片台进行归心操作，到达归心程度时，归心 装置的指示灯“亮”。然后按下右侧面板上的“分离曝光"按钮，光 刻机就进入“分离曝光”状态，(硅片与掩模间不形成真空腔)，如果 承片台不在归心位置，按下“分离曝光”按钮时，光刻机不进入曝光 状态。 注意事项 1．开机时，必须先打开主机电源，然后再打开汞灯电源；关机 时，必须先关闭汞灯电源，然后再关闭主机电源。 2．汞灯在切断电源或自行熄灭后，必须将汞灯整流器的电源拨 至“关”。待汞灯完全冷却后才能再次起辉，时间约为 15 分钟左右。 3．光刻机在使用过程中，各运动部件如发生故障及机件卡塞等 现象，必须停止使用，查明原因，否则将损坏电子元件或机件。 4．光刻机不使用时，应罩好防尘罩，以免灰尘及其它污物侵入 光学零件，影响观察。 步骤 5：显影去除曝光部分光刻胶，进行坚膜以增强黏附性； 步骤 6：显微镜检查； 步骤 7：用光刻胶做为掩膜干法刻蚀； 步骤 8：去胶；
五、实验报告 1、简述半导体光刻的原理，实验过程。 2、分析影响半导体光刻质量的因素
五、实验报告 1、简述半导体光刻的原理，实验过程。 2、分析影响半导体光刻质量的因素