熱敏BARC 顯影工藝時(shí)長影響因素研究

孫洪君，關(guān) 麗，張德強(qiáng)，黃 鵬，王俊陽

（沈陽芯源微電子設(shè)備股份有限公司，遼寧 沈陽 110168）

引言

微電子技術(shù)是建立在以集成電路為核心的各種半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)上的高新電子技術(shù)，這種技術(shù)下的半導(dǎo)體產(chǎn)品器件，特點(diǎn)是體積小、重量輕、可靠性高、工作速度快，微電子技術(shù)對信息時(shí)代具有巨大的影響。隨著半導(dǎo)體微電子行業(yè)的發(fā)展迅猛，各類半導(dǎo)體器件層出不窮。制造半導(dǎo)體集成電路和器件技術(shù)不斷發(fā)展和進(jìn)步，半導(dǎo)體光刻工藝也不斷地提升。圖形化工藝是半導(dǎo)體工藝過程中最重要的工序之一，也是一種基礎(chǔ)工藝操作。對于不同應(yīng)用領(lǐng)域的半導(dǎo)體器件，使用的圖形工藝流程也不盡相同。從晶圓表面準(zhǔn)備到對準(zhǔn)曝光顯影，再到刻蝕、剝離光刻膠，最后表面檢測、問題查找。其中，晶圓表面準(zhǔn)備還包括，晶圓清洗、增黏劑涂底、光刻膠旋涂。勻膠工藝，即光刻膠旋涂過程，作為圖形化工藝器件產(chǎn)品生產(chǎn)的基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)，使用的光刻膠也多種多樣。熱敏BARC 作為一種新型BARC 光刻膠，不僅可以作為抗反射層，具有預(yù)防駐波效應(yīng)的作用，還可以與其他PR 或PI光刻膠配合，進(jìn)行曝光顯影工藝。此外，熱敏BARC光刻膠是一種對勻膠后烘烤，即軟烘熱盤的溫度變化特別敏感的光刻膠，同時(shí)，它還對軟烘熱盤腔體環(huán)境內(nèi)的氣流場變化也十分敏感，即軟烘熱盤的進(jìn)氣量和排氣量，腔體內(nèi)氣流的置換率變化，這種敏感度對光刻膠的顯影工藝消耗時(shí)間長短存在直接的影響。該種光刻膠對于軟烘熱盤的溫度或腔體內(nèi)氣流場的變化敏感度，甚至可以精確到2～5℃或30～50 Pa，即便軟烘熱盤的溫度或進(jìn)氣量和排氣量的微小變化，對該種光刻膠的顯影工藝時(shí)間長短也有很大的影響，從而影響整個(gè)圖形化工藝流程。因此，對于熱敏BARC 光刻膠，晶圓表面準(zhǔn)備流程中的勻膠工藝的軟烘熱盤變化的精確控制，具有十分重要意義。

BARC 光刻膠，即底部抗反射涂層，是一種能夠有效預(yù)防和消除光反射形成的駐波效應(yīng)的光刻膠材料。其作用是：在晶圓涂覆光刻膠之前，先涂覆一層有機(jī)或無機(jī)抗反射物質(zhì)，以達(dá)到增大光刻工藝窗口、提高光刻條寬控制的目的。在勻膠工藝過程中，因晶圓表面光刻膠薄膜的凹凸曲線，或光刻膠中的固態(tài)微粒的散射，而產(chǎn)生的側(cè)向光學(xué)、化學(xué)反應(yīng)，對曝光顯影工藝后的CD 線條結(jié)果和特征尺寸大小，具有明顯的影響。在光刻膠之前，增加BARC 涂覆，能夠增加曝光能量范圍，降低由于基板幾何結(jié)構(gòu)差異對CD 的均勻度產(chǎn)生的影響，還能夠減少由于反射光的散射造成的圖形缺口。

一般BARC 光刻膠是不能夠顯影的，而且經(jīng)過軟烘后的BARC 光刻膠，也不能夠像其他類PR 或PI 光刻膠，可以簡單地使用OK73 等溶劑，進(jìn)行晶圓清洗或去膠。然而，熱敏BARC 光刻膠不僅可以作為抗反射層作用，還能夠參與正常顯影，與其上層涂覆的PR 或PI 光刻膠疊加組合，經(jīng)過顯影工藝后形成特殊的微觀結(jié)構(gòu)圖形。這類熱敏BARC 光刻膠主要應(yīng)用于AR（Augmented Reality 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)）、VR（Virtual Reality 虛擬現(xiàn)實(shí)）、LENSE 等高精尖技術(shù)器件制造方面，是一種前沿技術(shù)領(lǐng)域不可或缺的工藝需求。本論文旨在探究熱敏BARC 光刻膠的顯影工藝時(shí)長影響因素，尤其是勻膠工藝過程中，該光刻膠對于軟烘熱盤的溫度變化特別敏感，還對軟烘熱盤腔體環(huán)境內(nèi)的氣流場變化也十分敏感，即軟烘熱盤的進(jìn)氣量和排氣量，腔體內(nèi)氣流的置換率的變化，這種敏感度對光刻膠的顯影工藝消耗時(shí)間長短存在直接的影響。

1 實(shí)驗(yàn)及測量

本實(shí)驗(yàn)采用KSM勻膠-顯影設(shè)備。工藝實(shí)驗(yàn)基本流程如下：

第一步，檢查設(shè)備環(huán)境狀況，如排風(fēng)、溫濕度、機(jī)械部件運(yùn)動情況等，確認(rèn)是否可以正常運(yùn)行。

第二步，確認(rèn)工藝設(shè)備、工藝涉及單元硬件條件，確認(rèn)工藝步驟。

第三步，晶圓圖形化工藝流程：晶圓表面準(zhǔn)備，清洗，去除晶圓上多余顆粒物及沾污物，并烘甩干燥。具體步驟如下所述。

1）涂膠：將光刻膠進(jìn)行旋涂，至晶圓表面均勻鋪開。

2）軟烘：勻膠后熱盤烘烤，去除光刻膠中的部分溶劑，釋放光刻膠膜內(nèi)應(yīng)力，減少光刻膠薄膜內(nèi)微小不可見氣泡或空洞等缺陷，防止光刻膠沾污設(shè)備。

3）對準(zhǔn)和曝光：將晶圓對準(zhǔn)掩膜版，光刻膠曝光，并將掩膜版上的圖形刻畫在晶圓表面。

4）顯影：去除未刻畫圖形的光刻膠，將圖形顯現(xiàn)在晶圓表面。

5）硬烘：堅(jiān)膜，使光刻膠里的溶劑完全蒸發(fā)掉，使得晶圓光刻膠所呈現(xiàn)的圖形更加清晰，增強(qiáng)光刻膠于晶圓之間的黏性。

6）檢測：顯影堅(jiān)膜后，使用SEM等測量儀器，檢驗(yàn)CD 線條結(jié)果，量測其大小，計(jì)算晶圓均勻性，并檢查確認(rèn)晶圓表面光刻膠圖形是否存在微觀缺陷。

第四步，更改軟烘熱盤工藝條件，重復(fù)上述圖形化工藝流程，記錄并檢測顯影完成后晶圓圖形化表面CD 數(shù)據(jù)，計(jì)算CD 均勻性，總結(jié)變化規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)預(yù)計(jì)，使用上述工藝流程，分別進(jìn)行兩組不同的實(shí)驗(yàn)，連續(xù)做n 片：一是同一光阻薄膜厚度的情況下，軟烘熱盤的不同的工藝烘烤溫度時(shí)，為了達(dá)到spec CD 標(biāo)準(zhǔn)，其顯影工藝消耗時(shí)間長短變化，記錄數(shù)據(jù)并計(jì)算晶圓圖形CD 均勻性，總結(jié)變化規(guī)律；二是同一光阻薄膜厚度的情況下，軟烘熱盤的不同的進(jìn)氣量和排氣量組合，即腔體內(nèi)氣流的置換率變化，為了達(dá)到spec CD 標(biāo)準(zhǔn)，其顯影工藝消耗時(shí)間長短變化，記錄數(shù)據(jù)并計(jì)算其CD 均勻性，總結(jié)變化規(guī)律。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

根據(jù)熱敏BARC 光刻膠特性，從上述內(nèi)容可知，熱敏BARC 顯影工藝消耗時(shí)間長短的影響因素，主要有以下兩個(gè)方面：一是軟烘熱盤的工藝烘烤溫度變化；二是軟烘熱盤氣流場變化，即軟烘熱盤的進(jìn)氣量和排氣量，腔體內(nèi)氣流的置換率變化。

本次實(shí)驗(yàn)中，所用光刻膠為某熱敏BARC光刻膠，光刻膠黏度為15 cP，目標(biāo)薄膜厚度為0.15～0.17 μm。根據(jù)上述晶圓圖形化工藝流程，以及其顯影工藝消耗時(shí)間長短的影響因素，將本次實(shí)驗(yàn)分為以下兩個(gè)方向進(jìn)行：一是更改軟烘熱盤的工藝烘烤溫度，重復(fù)上述圖形化工藝步驟流程，按照規(guī)律變化，記錄顯影消耗時(shí)長，總結(jié)變化規(guī)律；二是更改軟烘熱盤腔體內(nèi)的氣流場，即改變烘烤熱盤的進(jìn)氣量和排氣量，調(diào)整腔體內(nèi)氣流的置換率，重復(fù)上述圖形化工藝步驟流程，按照規(guī)律變化，記錄顯影消耗時(shí)長，總結(jié)變化規(guī)律。具體實(shí)驗(yàn)過程如下。

第一步是更改軟烘熱盤工藝烘烤溫度：同一光阻薄膜厚度的情況下，不同軟烘熱盤的工藝烘烤溫度時(shí)，為了達(dá)到spec CD 標(biāo)準(zhǔn)，其顯影工藝消耗時(shí)間長短變化。

重復(fù)上述圖形化工藝流程，先將晶圓清洗甩干，去除表面污物顆粒。再進(jìn)行光刻膠涂覆工藝，光刻膠從膠嘴定量噴出，晶圓隨著真空吸盤旋轉(zhuǎn)使光刻膠均勻平鋪至整個(gè)晶圓表面。接下來進(jìn)行熱盤軟烘工藝，該熱敏BARC 光阻特性溫度為150～190 ℃，以每2 ℃溫度變化，重復(fù)上述晶圓圖形化工藝流程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到，同一光阻薄膜厚度的情況下，軟烘熱盤工藝烘烤溫度為150～190 ℃，每2 ℃變化，達(dá)到spec CD標(biāo)準(zhǔn)，其顯影工藝消耗時(shí)長在30～200 s 之前變化。記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并總結(jié)歸納其規(guī)律，發(fā)現(xiàn)顯影工藝消耗時(shí)長的變化如下：首先，顯影時(shí)長隨著溫度的升高而增加，達(dá)到某定值后，顯影工藝消耗時(shí)長隨著溫度的增加而降低，歸一化整理后，發(fā)現(xiàn)，顯影消耗時(shí)長與溫度變化，呈現(xiàn)正態(tài)分布變化。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得到最優(yōu)條件為：同一光阻薄膜厚度的情況下，軟烘熱盤工藝烘烤溫度165～170 ℃，顯影工藝消耗時(shí)長40～50 s。

第二步是更改軟烘熱盤腔體內(nèi)氣流場，即改變烘烤熱盤的進(jìn)氣量和排氣量，調(diào)整腔體內(nèi)氣流的置換率，同一光阻薄膜厚度的情況下，軟烘熱盤的不同的進(jìn)氣量和排氣量組合，為了達(dá)到spec CD 標(biāo)準(zhǔn)，其顯影工藝消耗時(shí)間長短變化。

重復(fù)上述圖形化工藝流程，先將晶圓清洗甩干，再進(jìn)行光刻膠涂覆工藝，接下來進(jìn)行熱盤軟烘工藝。將軟烘熱盤腔體內(nèi)進(jìn)氣量與排氣進(jìn)行調(diào)整變化組合，改變腔體內(nèi)氣流的置換率，進(jìn)氣量變化范圍0～5 Pa，每0.5 Pa 變化，排氣變化范圍100～240 Pa，每30 Pa變化，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并總結(jié)歸納其規(guī)律。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，同一光阻薄膜厚度，同一軟烘熱盤工藝烘烤溫度的情況下，達(dá)到spec CD 標(biāo)準(zhǔn)，其顯影工藝消耗時(shí)長變化如下：首先，顯影時(shí)長隨著軟烘熱盤的進(jìn)氣量與排氣量的增大而增加，在達(dá)到某個(gè)特定值時(shí)，其顯影工藝消耗時(shí)長，隨進(jìn)氣量與排氣量增大而降低，當(dāng)再次達(dá)到另一個(gè)特殊值后，最終趨于平穩(wěn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得到最優(yōu)條件：排氣量范圍在150～200 Pa，顯影工藝消耗時(shí)長40～50 s。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，同一光阻薄膜厚度的情況下，不同軟烘熱盤工藝烘烤溫度時(shí)，為了達(dá)到spec CD標(biāo)準(zhǔn)，熱敏BARC 光刻膠的顯影工藝消耗時(shí)長，呈正態(tài)分布變化，其最優(yōu)條件為：烘烤溫度165～170 ℃，顯影工藝消耗時(shí)長40～50 s；同一光阻薄膜厚度，同一軟烘熱盤工藝烘烤溫度的情況下，調(diào)整腔體內(nèi)氣流的置換率，軟烘熱盤不同進(jìn)氣量與排氣量變化組合，為了達(dá)到spec CD 標(biāo)準(zhǔn)，熱敏BARC 光刻膠的顯影工藝消耗時(shí)長，呈現(xiàn)先增長后下降再趨于平穩(wěn)的變化，其最優(yōu)條件為：軟烘熱盤排氣量范圍在150～200 Pa，顯影消耗時(shí)長40～50 s。

3 結(jié)論

BARC（Bottom Anti-reflective Coating）即底部抗反射涂層，是一種能夠有效預(yù)防和消除光反射形成的駐波效應(yīng)的抗反射層材料。熱敏BARC 光刻膠作為一種新型光刻膠，不僅可以作為抗反射層，具有預(yù)防駐波效應(yīng)的作用，還可以與其他PR 或PI 光刻膠配合進(jìn)行顯影工藝。根據(jù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不僅軟烘熱盤的工藝烘烤溫度的變化可以影響熱敏BARC 光刻膠的顯影工藝消耗時(shí)間長短，軟烘熱盤的腔體中的氣流場變化，即腔體內(nèi)氣流的置換率的改變，軟烘熱盤的進(jìn)氣量和排氣量的變化，同樣也可以影響熱敏BARC 光刻膠的顯影工藝消耗時(shí)長，這種變化敏感度甚至可以精確到2～5 ℃或30-50 Pa。這種熱敏BARC 光刻膠不僅可以作為抗反射層作用，還能夠參與正常顯影，與其上層涂覆的PR 或PI 光刻膠疊加組合，經(jīng)過顯影工藝后形成特殊的微觀結(jié)構(gòu)圖形。這類熱敏BARC 光刻膠主要應(yīng)用于AR（Augmented Reality 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)）、VR（Virtual Reality 虛擬現(xiàn)實(shí)）、LENSE 等高精尖技術(shù)器件制造方面，是一種前沿技術(shù)領(lǐng)域不可或缺的工藝需求材料。這使得半導(dǎo)體微電子工藝更進(jìn)一步發(fā)展，同時(shí)，也更進(jìn)一步推動了半導(dǎo)體設(shè)備的國產(chǎn)化發(fā)展，具有很高的技術(shù)價(jià)值和商業(yè)前景。