光掩膜缺陷和清洗：一種新環(huán)境

鄢紅軍

摘 要：以往清洗光掩膜時采用的清洗技術用到了濃硫酸、SC-1等溶劑，會在一定程度上導致硫酸根以及銨根離子殘留在膜表面。隨著微影技術時代的到來，光掩膜在使用一段時間后，能夠從殘留的離子中析出部分硫酸鹽晶體，被業(yè)界稱為光掩膜“Haze”。受到大量結晶的影響，光掩膜的穿透率會降低，無法保持薄膜晶體管（TFT）的完整性，進而對TFT生產(chǎn)廠家造成極大的影響。因此，在實際生產(chǎn)階段，采用新興的臭氧水與深紫外曝光清洗技術，取代以往的硫酸清洗技術，并以批量生產(chǎn)為基礎，優(yōu)化相關工藝、設備的設計以及日常維護程序，以供參考。

關鍵詞：光掩膜;清洗技術;結晶生長;深紫外光照射

光掩膜的概念比薄膜晶體管（Thin Film Transistor，TFT）簡單，層次較少，工藝步驟也較為簡單，主要特征較為明顯。然而，掩膜的光學補償（Optical Compensation，OPC）特征等同于印刷階段的TFT尺寸特征。如果單個TFT產(chǎn)生了缺陷，就會對相應的圖形顯示造成影響。然而，如果單個掩膜產(chǎn)生了缺陷，所有的圖形顯示就會受到影響。采用光學技術對掩膜缺陷進行檢測，掩膜上只要產(chǎn)生光波動，就會導致缺陷被忽略。所以，本研究闡述了掩膜存在的缺陷以及檢測方法和消除方法。

1?光掩膜的缺陷

光掩膜的缺陷可以分為軟、硬兩種。硬缺陷通常需要采用檢查設備進行圖形檢測，以掩膜為基礎，對比圖形、設計數(shù)據(jù)庫或其他表面同一圖形。此類缺陷通常能夠被修復，需要采用各種化學物質對其局部進行激發(fā)，或采用相關技術進行加工，添加缺失的材料或去除不必要的物質。

軟缺陷指的是污染缺陷，由于顆粒通常較小，雖然不會對圖形造成損害，但是會導致光刻線條在TFT上無法保持完整。在清洗掩膜的過程中，通常能夠去除軟缺陷。霧狀缺陷（Haze）也是一種軟缺陷[1]。

2?光掩膜的傳統(tǒng)清洗技術

以往清洗光掩膜時采用的美國RCA實驗室洗凈技術，是美國為了清洗TFT發(fā)明的，能夠去除各種TFT和光掩膜的污染物，通常也叫標準清洗。RCA采用SC-1和SC-2這兩種溶液，在wafer表面去除污染微粒以及金屬碎屑，而光掩膜對微粒污染的移除僅采用了SC-1。

傳統(tǒng)清洗機器的架構如圖1所示，進料、出料區(qū)域分別在設備的前端、后端，槽中首先工作的是一堆硫酸槽，隨后通過清洗槽去除水中的離子，然后進入SC-1溶液槽，再由清洗槽去除水中的離子，最后在含有異丙醇的槽中干燥。

以往在清洗的過程中，光掩膜首先進入硫酸槽，主要是為了氧化污染物。在硫酸溶液中，按照特定比例加入雙氧水，加強氧化作用，反應式為：

H2SO4+H2O2←→H2SO5+H2O（1）

硫酸槽完成工作后，通常需要用大量清水沖洗[2]，然后進入含有SC-1溶液的槽。SC-1在去除物理污染物方面有著顯著的效果，反應式為：

Si+2H2O2→SiO2+2H2O（2）

NH3+H2O←→NH4OH（3）

SiO2+NH4OH←→Si（OH）4+NH3（4）

同時，在SC-1溶液中增加了超聲波振蕩，極大地提高了微粒污染物的去除率。經(jīng)過SC-1溶液處理后，仍需用大量去離子水進行沖洗，以去除殘留的各種化學物質。最后在IPA槽中提拉光掩膜，使其表面干燥。

以往用來清洗光掩膜的技術已經(jīng)得到了穩(wěn)定、成熟的應用，對各種污染微粒物質都有顯著的去除效果，并且產(chǎn)出速度非?？?，只需對設備進行簡單的維護保養(yǎng)即可，制程良率較高，能夠超過99%。由于此清洗工藝使用了大量硫酸和氨水，經(jīng)過所有流程的處理后，光掩膜表面會殘留硫酸根離子和氨根離子，在使用一段時間后就會產(chǎn)生Haze缺陷。

目前，除了傳統(tǒng)的槽式清洗外，Spin清洗已經(jīng)成了清洗光掩膜的主流方式，如圖2所示。

Spin清洗是把槽式清洗集中在一臺清洗設備內，把清洗功能分到各個手臂上，光掩膜置于Chuck上旋轉，硫酸雙氧水手臂旋轉到光掩膜上部，噴出硫酸雙氧水的混合液到光掩膜上，氧化去除有機物。Spin清洗增加了一個刷洗功能：手臂上有一個自旋的刷子，可以去除光掩膜上的大顆粒臟物。首先，SC-1加超聲波，去除光掩膜上的微小顆粒，同時防止臟物返粘到光掩膜上。其次，將冷熱水交替使用，進一步去除表面殘留的化學物質。最后，快速旋轉甩干。但由于Spin清洗使用了硫酸和氨水，光掩膜上也會殘留硫酸根離子和氨根離子，使用一段時間后也會產(chǎn)生Haze缺陷。

3?光掩膜的先進清洗技術

為了避免光掩膜表面出現(xiàn)Haze缺陷，相關行業(yè)在剝離和清洗階段，開始采用新清洗工藝來代替以往清洗光掩膜所采用的Piranha化學藥液，該清洗工藝中不含硫酸鹽，其所包含的物質有臭氧水、氧化水以及氧離子等，并且采用了172 nm波長的紫外線進行曝光。

3.1? 臭氧清洗技術

以臭氧水取代硫酸溶液，能夠減少殘留的硫酸根，那么就需要臭氧水有較強的氧化作用。電勢能較強的臭氧能夠氧化和腐蝕大量有機物和金屬。污染光掩膜的金屬顆粒在氧化作用下會變成金屬離子，進而從膜表面脫離，然后與清洗溶液共同排出。有機物不論是否飽和，都能夠通過與臭氧的反應生成CO2、H2O。臭氧濃度在反應階段逐漸降低，同時會產(chǎn)生特定的氫氧離子，其活性較強，且電勢能和氧化性比臭氧高，隨著氫氧離子參與反應，能夠更快地氧化有機物，使其成為CO2和H2O。臭氧水與金屬、有機物的反應流程分別如圖3～4所示。

3.2? 紫外光照技術

紫外光（Ultraviolet，UV）曝光的主要目的有：（1）在長鏈化合物中，通過UV打斷化學鍵，變成更易去除殘留的化合物。（2）能量光子提供高能量，能夠在光掩膜表面激發(fā)殘留在晶格中的晶狀化合物，并且能夠加快反應速度，在清洗階段通過照射實現(xiàn)殘留離子的萃取。（3）使光掩膜表面具備更強的活性，實現(xiàn)光掩膜表面由疏水性向親水性的轉變，從而使化學藥液在膜表面分布得更均勻。（4）在化學清洗過程中進行照射，能夠使化學反應更快。例如，波長為172 nm的深紫外線，光子的能量達到了7.21l eV，大于有機化合物的大量化學鍵，所以在有機化合物中能夠打斷大部分化學鍵[3]。

4?新興清洗技術的提升策略

在部分制程中采用的先進光掩膜，在生產(chǎn)TFT階段采用的曝光波長都是413 nm。采用以往的清洗技術對光掩膜進行清洗，如果進行大量曝光，會在6個月后產(chǎn)生Haze缺陷。在導入臭氧水并且清洗技術由硫酸作用轉變?yōu)?65 nm的UV曝光后，如果進行大量曝光，也會在18個月后產(chǎn)生Haze缺陷。因此，需要在新技術的基礎上，優(yōu)化相關參數(shù)和其他流程，以進一步控制結晶生長。

目前的生長時間對設備及其清洗流程造成了影響，因此，需要全面分析光掩膜結晶的形成因素。影響因素較多，并且會相互作用。影響結晶周期的因素有清洗階段臭氧水的使用技術、所設定的備用程序以及清洗階段的應急措施等。本研究在此類因素中挑選了有效、可行的因素，對其進行改善，優(yōu)先對清洗程序的臭氧水使用技術和清洗參數(shù)進行了優(yōu)化。

4.1? 優(yōu)化清洗程序

根據(jù)相關測定，萃取殘留離子的效果與365 nm UV曝光效果以及高溫熱水作用效果的累計時間有關，作用時間越長，萃取效果越好。然而，為了使光掩膜表面及其相位保持完整，不能按照我國的標準來設定單個程序的清洗時間。同時由試驗可知，殘留硫酸根離子的質量分數(shù)與是否頻繁使用新程序進行清洗有較大的關系。因此，通過設定特定的量化指標，經(jīng)過硫酸程序的多次清洗，減少臭氧水程序需要清洗的次數(shù)。在減少這個指標后，殘留硫酸根離子的質量分數(shù)并沒有改變。如果這個指標較小，殘留離子的質量分數(shù)就會比1×10-9更小。所以，只需要在清洗程序中盡可能地采用臭氧水來代替硫酸，就能夠使殘留離子的質量分數(shù)減小。在剛引入清洗技術時，只有兩個清洗步驟用到臭氧水，也就是Bef-mount clean和final clean。根據(jù)驗證，只有1st strip、Bef-mosi dry clean和2nd strip這3個清洗步驟不用臭氧水。程序的其他清洗步驟中都可以用臭氧水。采用部分清洗步驟替代臭氧水后，根據(jù)指標，清洗次數(shù)下降了，殘留離子的質量分數(shù)也會快速下降。因此，在硫酸清洗程序中，通過減少以往硫酸程序的清洗次數(shù)，增加臭氧水程序的清洗次數(shù)，能夠減少殘留的離子，改善結晶問題[4]。

4.2? 優(yōu)化清洗參數(shù)

在設定清洗程序的過程中，主要涉及各步驟清洗作用所需的時間、清洗的物理功率等。為了使清洗良率達標，需要盡可能地延長4個清洗步驟所需的時間。為了控制相位損耗、延長各步驟所需時間，要有針對性地調整化學溶液的溫度和濃度。當收集的實際數(shù)據(jù)大于50片時，根據(jù)各項參數(shù)確定所需設定的數(shù)值。對清洗程序進行完整的測定后可知，所有清洗指標都符合標準規(guī)格，并且該清洗程序不僅保持了清洗良率，還在單次清洗完成后，將光掩膜表面殘留的硫酸根離子由3.8×10-9降到了2.6×10-9。

5?結語

受到大量結晶的影響，光掩膜的穿透率會降低，進而無法保持TFT的完整性，給TFT生產(chǎn)廠家造成極大的影響。因此，需要在引入新興清洗技術的基礎上，優(yōu)化清洗程序和清洗參數(shù)。

[參考文獻]

[1]李德建.基于Haze缺陷降低的新型光掩膜清洗技術的工藝設定[D].上海：上海交通大學，2009.

[2]張式軍.光污染—一種新型的環(huán)境污染[J].城市問題，2004（6）：31-34.

[3]JAMES S.掩膜版清洗和光刻膠去除面臨的挑戰(zhàn)[J].集成電路應用，2007，3（6）：28.

[4]陳堯.光掩膜霧狀缺陷改善與光刻良率提升[D].上海：上海交通大學，2008.