涂膠顯影技術(shù)改進(jìn)對(duì)光刻工藝的影響

馮 泉，周明祥，侯宗林

(南京電子器件研究所，江蘇南京210016)

涂膠顯影技術(shù)改進(jìn)對(duì)光刻工藝的影響

馮 泉，周明祥，侯宗林

(南京電子器件研究所，江蘇南京210016)

影響光刻工藝的因素有很多，既有光刻機(jī)的因素，又有涂膠顯影技術(shù)因素，而通過改造光刻機(jī)來提高光刻工藝，往往價(jià)格非常高昂；所以改進(jìn)涂膠顯影技術(shù)就成為了提高光刻工藝的一種低廉而有效的手段。介紹了對(duì)涂膠顯影技術(shù)改進(jìn)，且分析了其對(duì)光刻工藝的影響。

涂膠顯影；光刻工藝；工藝改進(jìn)

在半導(dǎo)體制造過程中，光刻技術(shù)是集成電路的關(guān)鍵技術(shù)之一，在整個(gè)產(chǎn)品制造中是重要的經(jīng)濟(jì)影響因子，光刻成本占據(jù)了整個(gè)制造成本的35%。光刻也是決定了集成電路按照摩爾定律發(fā)展的一個(gè)重要原因，如果沒有光刻技術(shù)的進(jìn)步，集成電路就不可能從微米進(jìn)入深亞微米再進(jìn)入納米時(shí)代。隨著IC技術(shù)向深亞微米方向發(fā)展，光學(xué)光刻的發(fā)展也進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。近幾年248 nm和193 nm技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)了IC產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步的輝煌。

光刻技術(shù)要應(yīng)用光刻膠，它們作為一種聚合可溶解物被涂在襯底表面，然后光刻膠被烘焙除去溶劑，下一步再將其用受控的光線曝光，最后完成圖形轉(zhuǎn)移后就要被去掉。而涂膠顯影技術(shù)的好壞對(duì)于光刻工藝來講也有著重要的影響。

1 涂膠顯影技術(shù)改進(jìn)對(duì)光刻工藝的影響

1.1 光刻工藝

光刻工藝制程涵蓋非常廣，光學(xué)，物理，有機(jī)化學(xué)等非常多的基礎(chǔ)知識(shí)，本文僅從涂膠、曝光、顯影、量測(cè)、后烘、去膠等共14個(gè)工藝步驟進(jìn)行簡(jiǎn)述，如表1所示，可以了解光刻工藝的基本步驟。圖1為TEL公司的光刻膠涂布顯影機(jī)，能完成除了曝光之外的所有的光刻生產(chǎn)工藝。

2 涂膠顯影設(shè)備對(duì)光刻工藝的影響

2.1 上底材（Priming）

光刻膠的表面能較低。而其晶圓襯底表面上常覆蓋水分子，和硅晶圓作用產(chǎn)生極性很強(qiáng)的硅醇基（Si-OH），硅醇基需要600℃的高溫才能去除，而且當(dāng)晶圓冷卻時(shí)，水分子即刻與硅晶圓發(fā)生反應(yīng)生成硅醇基。

表1 光刻工藝的步驟

圖1 Tel公司的涂膠顯影設(shè)備

改善方法是先加熱去除晶圓表面水分，再加上一層底材。常用的底材為六甲基二硅胺烷（HMDS），它的結(jié)構(gòu)式為（CH3）3SiNHSi（CH3）3。Si一端（無機(jī)端）與晶圓表面的硅醇基進(jìn)行化學(xué)作用，形成-Si-O-Si-，含CH3一端（有機(jī)端）與光刻膠中的C、H、O原子產(chǎn)生凡德瓦引力，促進(jìn)晶圓與光刻膠之間的附著力。以上步驟是在一個(gè)密封腔體中發(fā)生的，腔體的溫度在115℃，這樣有效地防止了硅醇基的形成。

圖2所示的是HMDS涂布的實(shí)現(xiàn)方式，圖3所示的是HMDS涂布時(shí)的化學(xué)反應(yīng)式。HMDS覆蓋完成后，晶圓被送進(jìn)高精度的冷板加以快速冷卻，使其快速達(dá)到23℃，為后續(xù)的光阻涂布作準(zhǔn)備。

圖2 HMDS的實(shí)現(xiàn)方式

在涂布顯影機(jī)中，共有3個(gè)機(jī)械手臂，這3個(gè)機(jī)械手臂的設(shè)定是不一樣的。從熱的腔體中取晶圓的手臂是絕對(duì)不能用來傳送已經(jīng)冷卻至23℃的晶圓。因?yàn)槭直凵系臏囟葧?huì)傳導(dǎo)給晶圓，干擾晶圓的光阻涂布。而且這3個(gè)手臂之間有隔熱板擋開。

圖3 HMDS的化學(xué)反應(yīng)方程式

圖4 涂膠示意圖

2.2 旋轉(zhuǎn)涂膠（Resist Coating）

晶圓從高精度冷板出來后，由專用的手臂傳送至光阻涂布腔體。光阻涂布可以分為兩個(gè)階段。第一步：靜態(tài)噴涂溶劑（Thinner Nozzle），靜態(tài)噴涂溶劑的作用是將襯底預(yù)濕，提高光刻膠的流動(dòng)性，使得光刻膠旋涂的均勻性更好。第二步：光刻膠的旋涂。在其中的轉(zhuǎn)速分3個(gè)階段，開始在噴涂光刻膠的時(shí)候轉(zhuǎn)速為2 000 r/min左右，等光刻膠噴吐完成之后，進(jìn)入高速旋轉(zhuǎn)階段，主要是借用離心力使光刻膠均勻的布滿整個(gè)晶圓，甩掉多余的光刻膠，在晶圓上得到均勻的光刻膠膠膜覆蓋層。這一階段的主轉(zhuǎn)速一般要達(dá)到2 000～4 000 r/min。最后，光刻膠完全覆蓋整個(gè)晶圓表面，進(jìn)入停頓階段。如圖4，從式(1)來看，厚度與轉(zhuǎn)速（ω）、光刻膠濃度（C）、黏度（η）有關(guān)，除了ω其他都是常量，α一般為0.5，所以轉(zhuǎn)速的平方和膜厚成反比。晶圓上光阻膜厚的均勻性非常重要，因?yàn)殛P(guān)鍵尺寸和膜厚有直接的關(guān)系，如果膜厚的均勻性差的話，最后的關(guān)鍵尺寸的均勻性也會(huì)變差。一般膜厚的均勻性是膜厚的0.5%。

光刻膠膠厚公式：

其中：T為膠厚，K為比例常數(shù)，C為光刻膠濃度，η為黏度，ω為轉(zhuǎn)速。

2.3 軟烤(Soft Bake)

晶圓在涂布腔體中完成光阻涂布后，被手臂送入軟烤腔體。軟烤主要目的：（1）去除光刻膠里的溶劑，90%的溶劑被蒸發(fā)掉，增加光刻膠對(duì)晶圓的附著力；（2）提升非照射區(qū)和照射區(qū)光刻膠的顯影速率比和對(duì)比度，從而提高解析度；（3）降低光刻膠內(nèi)部應(yīng)力，防止光刻膠的龜裂。內(nèi)部應(yīng)力是由于旋涂光刻膠時(shí)，溶劑在短時(shí)間內(nèi)，因揮發(fā)或高速離心旋轉(zhuǎn)而去除，高分子被迫停留在高能態(tài)而導(dǎo)致的。

根據(jù)光刻膠特性不同，軟烤溫度在80℃～130℃，原則上軟烤溫度應(yīng)該比光刻膠的玻璃轉(zhuǎn)移溫度低5～10℃，并不可破壞光刻膠的光活性。軟烤加熱的方法可以分為傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射3種。傳導(dǎo)及對(duì)流都可以達(dá)到穩(wěn)定的溫度，而且以傳導(dǎo)的方式較快。輻射法是以紅外線或微波加熱，優(yōu)點(diǎn)是加熱速度快，缺點(diǎn)是由于加熱過于急劇，常有加熱過度的現(xiàn)象，不易控制恒溫，溫度不易達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

目前的最常用的電熱板傳導(dǎo)加熱法。因?yàn)閭鲗?dǎo)法可以得到穩(wěn)定的溫度，而且加熱速度介于輻射法和對(duì)流法之間，故最為廣泛使用。電熱板軟烤腔體的重要維護(hù)在于它的排氣管道，因?yàn)?0%的溶劑會(huì)在烘烤中蒸發(fā)，如果排氣管道不順暢的話，會(huì)影響厚度的均勻性。另外手臂輸送的位置也極為重要，電熱板面上有定位柱，這些有著斜度的定位柱能夠幫助晶圓正確地停留在電熱板上，但是如果手臂輸送的位置不對(duì)，晶圓就會(huì)部分在電熱板上，部分搭在定位柱上，導(dǎo)致晶圓受熱不均勻，影響厚度?，F(xiàn)在有通過加裝厚度傳感器，多區(qū)域調(diào)控裝置對(duì)厚度實(shí)行實(shí)時(shí)調(diào)整。

2.4 曝光前冷卻(Chilling)

軟烤之后的晶片發(fā)生膨脹和旋轉(zhuǎn)，使得曝光時(shí)對(duì)前層圖形的疊對(duì)造成影響，如圖5所示，冷卻可以消除膨脹和旋轉(zhuǎn)。另外冷卻可以減少自由體積，因而增進(jìn)光刻膠的照射敏感度與關(guān)鍵尺寸的均勻性。

圖5 軟烘后晶圓對(duì)于前層的旋轉(zhuǎn)和膨脹

2.5 曝光(Exposure)

曝光是光刻工藝最重要的一步。利用透鏡將掩模板的圖形縮小4倍或5倍、通過激光聚焦、投影到晶圓表面。曝光光源的波長(zhǎng)有365 nm(I-line)，248 nm(DUV)，193 nm(ARF)等，最終圖形的最小線寬是由光源的波長(zhǎng)所決定。在曝光中，有一個(gè)重要的現(xiàn)象是駐波，當(dāng)激光被投射到光阻，然后穿過光阻到達(dá)襯底，襯底的反射光會(huì)和入射光發(fā)生干涉，于是在光阻的不同深度形成了高低不同的強(qiáng)度，在光阻圖形的側(cè)墻上形成了波紋狀的形狀，這些形狀影響了關(guān)鍵尺寸的質(zhì)量和量測(cè)質(zhì)量，這是我們不愿意看到的。因此我們會(huì)在襯底上加防反射層，包括有機(jī)反射層和無機(jī)反射層，使干涉不產(chǎn)生或少產(chǎn)生，以保證關(guān)鍵尺寸的質(zhì)量投影成像光束必須含有主極大、正第一極大和負(fù)第一極大三繞射光束以上。激光和被照射到的光阻發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，根據(jù)光阻的正、負(fù)特性，在后續(xù)的顯影工藝中或留存、或去除，以此得到所需要的圖形。

2.6 曝后烤(P.E.B.)

對(duì)于曝光波長(zhǎng)為365 nm的I線光源，光刻膠的作用是消除駐波效應(yīng)。入射光在光刻膠中的光束（無π相位差）與到達(dá)晶圓表面再反射的光束（疏介質(zhì)到密介質(zhì)的反射產(chǎn)生π相位差）產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，形成駐波效應(yīng)，顯影后光刻膠的輪廓成為左右擺動(dòng)狀，而非垂直。以DAQ/Novolak光刻膠為例，曝后烤使茚羧基酸（ICA）因熱擴(kuò)散使其縱向分布較均勻，減少駐波效應(yīng)的形成，有利于解析度的提升。如圖6所示。

圖6 曝后烤對(duì)于I-Line光刻膠的駐波消除作用

對(duì)于DUV（曝光波長(zhǎng)為248 nm深層紫外光源）的化學(xué)放大型光刻膠的作用是提供反應(yīng)所需的能量?；瘜W(xué)放大型光刻膠被照射后，質(zhì)子酸（H+）并不立刻催化相關(guān)化學(xué)反應(yīng)，因?yàn)樯形吹竭_(dá)其反應(yīng)活化能。必須經(jīng)過曝后烤，提供反應(yīng)所需能量，使到達(dá)反應(yīng)活化能的能量，才可在短時(shí)間內(nèi)完成化學(xué)反應(yīng)。帶有光刻膠的晶圓從曝光機(jī)器出來后，應(yīng)立即送入曝后烤，因?yàn)镈UV的質(zhì)子酸會(huì)和空氣中的氨離子發(fā)生反應(yīng)，這樣就減少了質(zhì)子酸的數(shù)量，影響了后續(xù)的化學(xué)反應(yīng)，形成T-Top的缺陷。曝后烤的溫度、時(shí)間對(duì)化學(xué)放大性光刻膠的感度、解析度有重大影響。

此時(shí)光刻膠對(duì)于堿性的污染物非常敏感，因?yàn)閴A性污染物能夠中和掉質(zhì)子酸，會(huì)減少活化能，所以環(huán)境中堿性物的控制對(duì)于CD影響非常大。

2.7 顯影(Develop)

以正型光刻膠為例，經(jīng)過照射后，照射區(qū)發(fā)生極性變化、斷鍵等作用，易溶于顯影液中，使得照射區(qū)及非照射區(qū)在顯影液中的溶解速率產(chǎn)生極大的差別（達(dá)到10∶1以上），顯影液將易溶解的區(qū)域溶解，達(dá)到顯影的目的。

目前最常用的顯影方法是覆液法（puddle），覆液法的操作分為兩個(gè)階段。第一階段是利用顯影液的表面張力，將顯影液均勻覆蓋在靜止的晶圓的光刻膠表面上，形成液面，并靜置一段時(shí)間，或按照經(jīng)驗(yàn)作少許擾動(dòng)，以期達(dá)到均勻的關(guān)鍵尺寸，此覆液時(shí)間（puddle time）使顯影液擴(kuò)散進(jìn)入光刻膠，完成大部分的顯影作用，此覆液時(shí)間在40～60 s。第二階段，光阻是酸性的，顯影液是堿性的，經(jīng)過覆液時(shí)間的酸堿中和反應(yīng)生成的反應(yīng)物將會(huì)在第二階段去除，晶圓在第二階段作高速旋轉(zhuǎn)，且噴嘴同時(shí)噴灑去離子水清洗液（De-ionized Water Rinse），去除反應(yīng)物和殘留的顯影液，并將殘余的光刻膠內(nèi)的溶解物移出。涂布顯影機(jī)的顯影腔體中有各種噴嘴，噴嘴的噴涂條件對(duì)于缺陷的控制極為重要，因此每次定期保養(yǎng)中，檢查噴嘴的狀態(tài)是不可缺少的。

2.8 硬烤(Hard Bake)

顯影完成以后要進(jìn)行硬烤。一般進(jìn)行的硬烤溫度比軟烤溫度高一些。而硬烤的方法和軟烤一樣，分為傳導(dǎo)、對(duì)流及輻射3種。以電熱板傳導(dǎo)法最常用，理由同軟烤。

硬烤的主要目的：除殘余的顯影液和清洗液，硬化光刻膠，提高抗蝕刻能力，增加黏性附著力，減少針孔（pin hole）效應(yīng)的發(fā)生，增加平坦度。

2.9 關(guān)鍵尺寸（CD）量測(cè)

關(guān)鍵尺寸是衡量光刻技術(shù)的一個(gè)重要指標(biāo)，所以關(guān)鍵尺寸的量測(cè)顯得至關(guān)重要?，F(xiàn)行商用主流的量測(cè)機(jī)臺(tái)一般是Hitachi S-92X0。如圖7所示。稱作CD-SEM（Secondary Electron Microscope）關(guān)鍵尺寸的二次電子顯微鏡。

它是通過電子束打擊在光刻膠表面，利用二次電子反射來測(cè)量。一般情況下是量測(cè)位于切割道的CD-BAR來監(jiān)測(cè)圖形里面的尺寸。有時(shí)候?yàn)榱烁_的檢測(cè)，也會(huì)量測(cè)圖形里面設(shè)計(jì)的關(guān)鍵尺寸（如圖8所示）。量測(cè)一般分為線寬（Line Width）、空間寬(Space)、洞(Hole)、斜度(Slope)。斜度的測(cè)量對(duì)于55 nm以下的節(jié)點(diǎn)技術(shù)是必須的。另外光罩也是影響關(guān)鍵尺寸的重要因素。

值得一提的是，由于ArF（曝光波長(zhǎng)為193 nm的光源）光刻膠的特性，電子束打擊時(shí)間過長(zhǎng)就會(huì)造成光刻膠分子的飛離，關(guān)鍵尺寸會(huì)發(fā)生變化，其CD-SEM的程式需要特別設(shè)定，避免同一個(gè)地方受電子束轟擊時(shí)間過長(zhǎng)。曝光場(chǎng)和曝光場(chǎng)之間的尺寸差異是關(guān)鍵尺寸差異的重要來源。

圖7 Hitachi S-9200 CD-SEM

圖8 CD-SEM量測(cè)示意圖

2.10 套刻對(duì)準(zhǔn)量測(cè)（Overlay）

套刻對(duì)準(zhǔn)的量測(cè)系統(tǒng)是測(cè)量對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)把版圖套準(zhǔn)到晶圓上的能力。套準(zhǔn)容差描述要形成的圖形和前層的最大相對(duì)位移。一般而言，套準(zhǔn)容差大約是關(guān)鍵尺寸的1/3。對(duì)于0.11 μm的設(shè)計(jì)規(guī)則，套準(zhǔn)容差預(yù)計(jì)為30～40 nm。對(duì)準(zhǔn)量測(cè)同樣也會(huì)面對(duì)很多技術(shù)上的挑戰(zhàn)，例如對(duì)準(zhǔn)記號(hào)的受損，帶來量測(cè)的不穩(wěn)定性以及誤差，怎樣又快又準(zhǔn)地量測(cè)出當(dāng)層對(duì)前層的套準(zhǔn)誤差等。

2.11 缺陷檢查（Defect Inspection）

在曝光顯影后總會(huì)發(fā)現(xiàn)很多不同的缺陷，由于光刻工藝是為數(shù)不多的可以返工的工序之一。所以缺陷的檢測(cè)可以及時(shí)地發(fā)現(xiàn)缺陷，返工重做光刻工藝。因此缺陷檢查是光刻工藝中最后一道把關(guān)的步驟。

一般的缺陷檢查我們可以通過顯影后檢查（After Develop Inspection，ADI）來發(fā)現(xiàn)。但是，ADI是由人工肉眼來檢查，所以如果一些細(xì)微的殺傷性缺陷未能及時(shí)檢查出來的話，對(duì)產(chǎn)品最終良率會(huì)產(chǎn)生一定的影響，甚至報(bào)廢整片產(chǎn)品。

所以，在比較關(guān)鍵的層后面，我們會(huì)加設(shè)一個(gè)站點(diǎn)為光學(xué)掃描檢測(cè)站，通過光學(xué)描檢來檢測(cè)原片表面的缺陷。

通過11個(gè)光刻工藝步驟之后掩模板的圖形成功地轉(zhuǎn)移到了晶圓表面，然后再經(jīng)過對(duì)準(zhǔn)量測(cè)、關(guān)鍵線寬量測(cè)、顯影后檢查、缺陷光學(xué)檢查，篩選出不合格的晶片進(jìn)行返工（rework），最后通過蝕刻就完成了圖形。

2.12 等離子體去渣（Plasma Descumming）

顯影時(shí)，光刻膠和基材界面常形成一層薄的膠質(zhì)（Gel），無法完全溶解與去除，而有殘?jiān)媪粼诠杈A表面。施加UV處理及隨之產(chǎn)生的臭氧可以幫助去除殘?jiān)ｋS著半導(dǎo)體制程圖案線寬的逐步縮小，圖案的深寬比增加，使得顯影液無法將光刻膠完全溶解，因此去渣是除去會(huì)妨礙后續(xù)制程的殘留光刻膠，以得到準(zhǔn)確的光刻膠線寬。

通常以電漿除渣排除此困擾。將硅晶圓置于異向蝕刻性較強(qiáng)的活性離子蝕刻（RIE）電漿反應(yīng)器中，如氧活性離子蝕刻（O2RIE），可以將光刻膠殘?jiān)コ?，而不影響光刻膠的垂直側(cè)壁輪廓，但光刻膠厚度會(huì)略有損失。

2.13 圖案轉(zhuǎn)移（Pattern Transfer）

光刻膠經(jīng)硬烤、等離子體去渣后，即可將掩模板上設(shè)計(jì)的圖案轉(zhuǎn)移到晶圓，稱之為圖案轉(zhuǎn)移。主要分離子注入、薄膜沉積和蝕刻三部分。

2.14 光刻膠清除（Resist Strip）

光刻膠在經(jīng)過照射、顯影、硬烤、離子植入或蝕刻等制程后，已經(jīng)功成身退需予以清除。光刻膠中分子自身相互附著力很低，易利用溶液溶解清除，但在光刻膠與晶圓界面處，附著力較高，不易于溶液清洗，常留殘?jiān)?，此時(shí)就必須以物理灰化（Ashing）或化學(xué)反應(yīng)的方法清除。

常用清除方法：

（1）濕式：使用HF、TCE（Trichloroethane）等溶液。

（2）氧電漿：與光刻膠中C、H等作用，生成CO、CO2等揮發(fā)性小分子。

（3）氫電漿預(yù)處理+氧電漿：經(jīng)離子植入后光刻膠常不易于清除，氫電漿預(yù)處理可產(chǎn)生BH3、PH3、GaH3等揮發(fā)性氫化物，再以氧電漿清除。

（4）紫外光（UV）+臭氧（O3）：易打斷光刻膠中C、H、O鍵結(jié)。

3 結(jié) 論

隨著IC制造業(yè)的迅猛發(fā)展，光刻成像技術(shù)越來越復(fù)雜，而影響光刻工藝的因素有很多，既有光刻機(jī)設(shè)備因素，又有涂膠顯影技術(shù)等因素。而通過改造光刻機(jī)來提高光刻工藝，往往價(jià)格非常高昂。所以改進(jìn)涂膠顯影技術(shù)就成為了提高光刻工藝的一種低廉而有效的手段。

本文通過對(duì)涂膠顯影技術(shù)改進(jìn)的詳細(xì)介紹，研究了其對(duì)光刻工藝的重要影響。

[1] Michael Quirk，JulianSerda，韓鄭生.半導(dǎo)體制造技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

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[3] 趙樹武，朱踐知，于世恩，等.芯片制造-半導(dǎo)體工藝制程實(shí)用教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

Coating and Developing Technology Introduction Affects Lithography Process

FENG Quan，ZHOU Mingxiang，HOU Zonglin
(Nanjing Electronic Devices Institute，Nanjing 210016，China)

There are many factors that affect lithography process，such as lithography machine，coasting and developing technology.It is very expensive to improve lithography process by improvement to lithography machine.Therefore，improvement of coating and developing technology has become a cheap and effective means to improve lithography process.This paper gives a detail introduction of the improvement of coating developing technology and analyzes its important impact on lithography process.

Coating and developing;Lithography process;Process improvement.

TN307

B

1004-4507(2017)02-0019-07

馮泉(1984-)，男，陽泉人，碩士，工程師，主要從事半導(dǎo)體設(shè)備維護(hù)與維修。

2017-03-27

周明祥(1993-)，男，泰州人，本科，工程師，主要從事半導(dǎo)體設(shè)備維護(hù)與維修。

侯宗林(1985-)，男，南京人，本科，工程師，主要從事半導(dǎo)體設(shè)備維護(hù)與維修。