勻膠鉻板針孔的成因分析與管控研究①

李 偉，余志明，魏秋平，夏 鑫

（1.中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙410083；2.湖南普照信息材料有限公司，湖南 長沙410205）

現(xiàn)代電子工業(yè)飛速發(fā)展，光掩模版被廣泛應(yīng)用于柔性電路板、平板顯示、大規(guī)模集成電路等行業(yè)。石英玻璃具有超高純度、光透射波長范圍寬、耐熱性強(qiáng)等特點(diǎn)，成為光掩模版基底的最優(yōu)選擇［1－2］。勻膠鉻板是最常用的一種光掩?；?。金屬鉻具有黏附性良好、硬度較高、電阻率較大、化學(xué)穩(wěn)定性良好等優(yōu)良性能［3］，且當(dāng)Cr氧化生成CrOxNy膜時(shí)，具有較好的機(jī)械性能、耐酸性能和熱性能，適合各種干法或濕法刻蝕工藝［4］。鉻膜是勻膠鉻板圖形轉(zhuǎn)移的載體，鉻膜質(zhì)量對光掩模版的品質(zhì)影響巨大。然而，鉻膜會因某些因素出現(xiàn)膜層針孔缺陷［5－6］。本文研究了光掩?；迳厢樋兹毕莸某梢颍贫úⅡ?yàn)證管控措施，期望提高勻膠鉻板鉻膜品質(zhì)及產(chǎn)品良率。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 石英玻璃光掩模基板的制備

使用5009（127 mm×127 mm×2.3 mm）型號方形石英玻璃基片作為襯底，拋光后用十槽槽式超聲清洗機(jī)清洗，清洗液為18 MΩ·cm超純水；檢驗(yàn)合格后，送入臥式直流磁控濺射鍍膜機(jī)YF－600進(jìn)行鍍膜，鍍膜環(huán)境為按照美國聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)FS－209E執(zhí)行建設(shè)的100級潔凈廠房，鍍膜機(jī)本底真空10－4Pa量級。本次實(shí)驗(yàn)安排了2種膜系，靶材使用純度為99.95%的鉻靶。鍍膜條件見表1。

表1 不同膜系的鍍膜條件

1＃樣品：利用純氬氣濺射的純金屬鉻膜層，膜層厚度約為120 nm。2＃樣品：利用氬氣、氮?dú)狻⒀鯕?、二氧化碳濺射的碳氮氧化鉻膜層，為低反射率膜層，厚度約為110 nm。制作不同膜系樣品是為了探究不同的反應(yīng)氣體是否會形成不同的缺陷結(jié)果。

1.2 石英玻璃光掩?；宓谋碚?/h3>

采用肖特基場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FEI sirion200）觀察2種樣品中的針孔表面及針孔周邊形貌，加速電壓為20 kV，并用安裝在電鏡中的能譜分析（EDS）表征樣品上所選取點(diǎn)的成分，對比針孔周邊與針孔處的成分差異。

2 結(jié)果與討論

2.1 形貌和元素分析

圖1 為1＃樣品玻璃基片上示例針孔及針孔周邊的SEM和EDS圖；圖2為2＃樣品示例針孔及針孔周邊的SEM和EDS圖。選取1＃樣品玻璃基片7片，共獲得有效針孔缺陷47處；選取2＃樣品玻璃基片2片，共

圖1 1＃樣品玻璃基片上示例針孔及周邊的SEM和EDS圖

圖2 2＃樣品玻璃基片上示例針孔及周邊的SEM和EDS圖

獲得有效針孔缺陷8處。分別對2種樣品的其中一處針孔及其周圍進(jìn)行SEM和EDS測試。從圖1（a）、（c）可以看出，該針孔為類方形，約3μm×4μm，針孔周邊鉻膜均勻完整；圖1（b）、（d）對比，除純鉻膜下面的石英玻璃Cr、Si、O特征峰，針孔處的EDS圖中有明顯的Al峰以及Mo峰和K峰。從圖2（a）、（c）可以看出，該針孔為圓形，半徑約20μm，針孔周邊鉻膜均勻完整；圖2（b）、（d）對比，除鉻膜與石英玻璃Cr、Si、O特征峰外，針孔處EDS圖中有明顯的C峰。同理，對其余有效針孔也采用相同的分析方法，結(jié)果見表2。從表2可知，缺陷產(chǎn)生的影響元素按照出現(xiàn)次數(shù)排序前3位依次為C、（Na、K）、Al。1＃樣品和2＃樣品類型上無本質(zhì)區(qū)別，因統(tǒng)計(jì)量不同比例有所差別。

2.2 針孔產(chǎn)生原理分析

本實(shí)驗(yàn)中的石英玻璃勻膠鉻板應(yīng)用于高精度的集成電路，要求極其嚴(yán)苛，按照GB／T 15870—1995標(biāo)準(zhǔn)A級來對標(biāo)，127 mm的方形質(zhì)量區(qū)勻膠鉻板上不允許存在5μm以上的缺陷，1～5μm的缺陷不能超過3個。結(jié)合勻膠鉻板制作流程：拋光-清洗-檢驗(yàn)-鍍膜-清洗-檢驗(yàn)-涂膠-前烘，分析鉻膜層上的顆粒缺陷，可以找出針孔產(chǎn)生的原因。人體汗液、唾液等主要對應(yīng)的雜質(zhì)元素為K、Na、Cl、Ca，清洗設(shè)備里面的細(xì)菌主要對應(yīng)的元素為C［7－8］，鍍膜過程中固定基片的夾治具噴砂所用白剛玉砂的殘留主要為Al。

表2 針孔缺陷處EDS檢測元素殘留

2.2.1 生產(chǎn)工藝中針孔缺陷的來源分析

在鍍膜前的工序以及鍍膜過程中都有可能引入顆粒和污漬導(dǎo)致針孔的產(chǎn)生［9］，例如拋光后玻璃表面清洗殘留的顆粒，生產(chǎn)傳遞過程中操作人員的汗液、唾液，以及直流磁控濺射過程中夾治具噴砂后未徹底洗凈的白剛玉砂脫落、堆積在周邊擋板上的鉻膜層達(dá)到一定厚度后應(yīng)力導(dǎo)致的膜層脫落、夾具與鍍膜機(jī)導(dǎo)軌摩擦產(chǎn)生的金屬顆粒［10－11］、清洗機(jī)中的細(xì)菌等。鍍膜前清洗設(shè)備使用年限長，很多管路設(shè)計(jì)復(fù)雜無法拆卸，形成很多清潔死角，極易滋生細(xì)菌。當(dāng)槽體進(jìn)行內(nèi)循環(huán)生產(chǎn)時(shí)，管路中的細(xì)菌將會循環(huán)到槽體中，黏附到玻璃襯底上，并在襯底上生長。

2.2.2 雜質(zhì)導(dǎo)致針孔產(chǎn)生的原理分析

圖3 為針孔的形成過程。石英玻璃基片經(jīng)過拋光后，其表面清潔度對鍍膜工藝有巨大影響。經(jīng)精細(xì)拋光后的石英玻璃，表面看似平整光滑，但從微觀的角度，表面存在大量硅氧懸掛鍵，這些不飽和的化學(xué)斷鍵，化學(xué)活性大，處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，極易吸附環(huán)境中的粉塵顆粒、細(xì)菌等雜質(zhì)。在玻璃基片鍍膜過程中存在的雜質(zhì)會阻擋濺射過程中鉻膜的沉積，在膜層和基片之間產(chǎn)生隔離，沉積結(jié)束后，真空腔室破真空時(shí)氣流沖刷或其他清洗過程，會導(dǎo)致雜質(zhì)脫落出現(xiàn)針孔。雜質(zhì)大小決定了針孔大?。?2－13］。此外，基片上存在油污漬也會使薄膜和基片之間黏附力小，膜層容易脫落形成針孔。

圖3 雜質(zhì)脫落后鉻膜形成針孔示意

2.3 管控措施與效果

2.3.1 管控措施

對于清洗機(jī)中的細(xì)菌，主要管控措施是：定期添加3%H2O2泡槽4 h，抑制或減少細(xì)菌的產(chǎn)生。通過細(xì)菌培養(yǎng)皿對槽體內(nèi)水進(jìn)行抽樣、培養(yǎng)，可有效監(jiān)測槽體內(nèi)的細(xì)菌情況，如圖4所示。直接從清洗機(jī)中取出來的液體經(jīng)過恒溫恒濕箱中培養(yǎng)24 h有明顯的菌落存在；經(jīng)過3%H2O2泡槽4 h之后取出的液體在同樣培養(yǎng)條件下未產(chǎn)生細(xì)菌。

圖4 從清洗機(jī)取液的細(xì)菌培養(yǎng)對比圖

汗液、唾液等的管控措施：針對每個獨(dú)立凈房人數(shù)、行為規(guī)范、穿戴規(guī)范等制定更加科學(xué)規(guī)范的凈房管理制度，如將潔凈服樣式由前開式改為側(cè)開式，避免拉鏈損壞或工作過程中的無意扯開，造成鼻孔、口腔甚至下巴露出的情況發(fā)生，并將潔凈服清洗頻率由4天1次改為2天1次。

另外，在長期濺射環(huán)境下，靶周邊位置及夾治具會沉積較多的鉻膜，當(dāng)積累到一定厚度時(shí)會因應(yīng)力影響而脫落，所以需要定期進(jìn)行噴砂處理。因靶周邊的防著板及夾治具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其部分位置易藏污納垢，噴砂后若清理不到位，白玉剛砂則會在整個濺射過程中不停掉落，成為針孔缺陷的來源。因此，在噴砂后應(yīng)及時(shí)清洗防著板及夾治具，特別要重點(diǎn)清洗無法拆卸且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部件，并對即將裝上鍍膜機(jī)的防著板及夾治具進(jìn)行嚴(yán)格檢查，根據(jù)膜層脫落時(shí)間制定合理的噴砂周期，避免掉落顆粒影響膜層質(zhì)量。

2.3.2 管控效果

嚴(yán)格按照以上措施進(jìn)行管控后，連續(xù)跟蹤4個月生產(chǎn)的鉻膜質(zhì)量，其良率變化如表3所示。從表3可以看出，經(jīng)過4個月的管控后鍍膜良率提升約10%，取得良好效果。

表3 實(shí)施管控后連續(xù)4個月的針孔良率情況

表4 為石英玻璃5009光掩模管控前后的缺陷密度統(tǒng)計(jì)表。從表4可看出，實(shí)施一系列鉻膜針孔管控措施后，生產(chǎn)的光掩?；静淮嬖诖笥?0μm的針孔，小尺寸針孔數(shù)量大幅降低。

表4 鉻膜針孔管控前后石英玻璃5009光掩模的平均缺陷密度

圖5 為鉻膜針孔管控措施實(shí)施前后制備的光掩模對比圖。未實(shí)施針孔管控措施前存在一處針孔（2.78 μm）；實(shí)施針孔管控措施4個月后視野內(nèi)無針孔，表明管控效果良好，光掩模的質(zhì)量得到改善。

圖5 鉻膜針孔管控前后制備的光掩模對比圖

3 結(jié) 論

1）在GB／T 15870—1995標(biāo)準(zhǔn)A級別下，對鉻膜和低反鉻膜的膜層針孔分析得知：膜系對此等級針孔的影響不大。

2）在鉻膜生產(chǎn)過程中針孔缺陷的宏觀影響因素主要有：清洗機(jī)內(nèi)細(xì)菌黏附，操作人員的汗液、唾液黏附和鍍膜過程中腔體內(nèi)防著板及夾治具金剛砂脫落。

3）對清洗機(jī)進(jìn)行H2O2泡槽處理、規(guī)范操作流程、加強(qiáng)鍍膜設(shè)備的腔體衛(wèi)生維護(hù)，連續(xù)4個月實(shí)施管控措施后，鍍膜針孔平均密度由7.04個／片減少到3.36個／片，鍍膜良率提升10%，該管控措施大幅減少了光掩模成品的缺陷，提高了光掩模質(zhì)量。