芯片高分子材料涂覆硬件條件

［關(guān)鍵詞］涂膠顯影設(shè)備；硬件穩(wěn)定性；圖形化轉(zhuǎn)移；工藝技術(shù)

［中圖分類號］R318.08 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）11–0061–03

由于IC 設(shè)計與工藝技術(shù)水平不斷提高，集成電路規(guī)模越來越大，器件性能和精度要求也越來越高[1]。芯片制造的整個光刻工藝流程，大部分步驟是在涂膠顯影設(shè)備中制作完成的。涂膠顯影設(shè)備各單元的硬件條件，很大程度上決定了光刻工藝結(jié)果的好壞。每個器件的產(chǎn)出，都伴隨著大量的資金投入、半導(dǎo)體高分子材料的消耗、工藝技術(shù)人員的使用等諸多資源的傾注和花費(fèi)，從而造就了半導(dǎo)體器件生產(chǎn)的高昂成本。因此，穩(wěn)定的光刻工藝技術(shù)和高水平可靠性芯片的產(chǎn)出，是大部分芯片生產(chǎn)廠穩(wěn)定運(yùn)行和激烈競爭的關(guān)鍵。然而，工藝技術(shù)的穩(wěn)定性和高良率芯片的產(chǎn)出，都是建立在硬件結(jié)構(gòu)能夠穩(wěn)定運(yùn)行的光刻工藝設(shè)備的基礎(chǔ)之上。

1技術(shù)理論背景

為了能實現(xiàn)穩(wěn)定的光刻工藝技術(shù)，涂膠顯影設(shè)備各單元的硬件必須滿足必要的工藝技術(shù)條件，從而實現(xiàn)高精度、小尺寸芯片器件的輸出[2]。整個光刻工藝的流程為：表面清洗烘干、高分子材料涂覆、對準(zhǔn)曝光、圖形化顯影、刻蝕、檢測等工序。一個芯片器件的完成，需要多次涂覆不同厚度的高分子材料薄膜，然而，高質(zhì)量的工藝結(jié)果，需要涂膠顯影設(shè)備各單元硬件具有較高的穩(wěn)定性和兼容性。

微電子技術(shù)是以集成電路為核心，實現(xiàn)電子電路和電子系統(tǒng)超小型化及微型化的技術(shù)。由于IC 設(shè)計與工藝技術(shù)水平不斷提高，集成電路規(guī)模越來越大，復(fù)雜程度越來越高，使得晶圓尺寸不斷擴(kuò)大，同時關(guān)鍵尺寸不斷縮小。芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

在IC 芯片的整個制造過程中，光刻工藝是IC 芯片制造的關(guān)鍵工序，其中涂膠工藝是光刻工藝中最基礎(chǔ)的工序之一。因此，嚴(yán)格控制涂膠工藝技術(shù)指標(biāo)，保證光刻工藝技術(shù)質(zhì)量，是IC 芯片制造過程中的關(guān)鍵[3]。然而，工藝結(jié)果質(zhì)量的優(yōu)劣依托于穩(wěn)定的設(shè)備硬件條件和機(jī)械運(yùn)動狀態(tài)。

涂膠顯影設(shè)備主要涉及的單元有涂膠單元、顯影單元、烘烤單元、冷卻單元等其他輔助傳輸單元，高分子材料的涂覆是在涂膠單元中實現(xiàn)的，結(jié)構(gòu)如圖2所示。涂膠過程涉及涂膠臂的移動、晶圓的旋轉(zhuǎn)、軟件及控制邏輯等的相互配合。

2試驗及測量

文章以光阻在硅晶圓表面涂覆為例，探究涂膠單元內(nèi)硬件條件，如溫度、濕度、風(fēng)速、膠臂位置等參數(shù)變化，對光阻薄膜厚度變化的影響。為了控制單一變量，在試驗過程中的其他參數(shù)設(shè)定需要一致，如涂膠配方的參數(shù)設(shè)定、晶圓的測試工藝路徑、光阻的烘烤溫度、測量結(jié)果的要求標(biāo)準(zhǔn)、工藝結(jié)果的檢測方式等。

采用KSM–FT II涂膠顯影設(shè)備的涂膠單元進(jìn)行試驗，使用某國外高精度薄膜厚度檢測設(shè)備進(jìn)行光阻厚度變化測量。硬件條件變化參數(shù)測量使用TESTO測量儀，分別測試溫度、濕度、風(fēng)速等參數(shù)變化。位置變化可以通過軟件界面進(jìn)行參數(shù)更改和設(shè)定，并通過標(biāo)準(zhǔn)治具進(jìn)行校準(zhǔn)矯正。

工藝基本步驟為：①確認(rèn)涂膠單元機(jī)械部件運(yùn)動情況等是否正常；②設(shè)定涂膠單元環(huán)境條件；③將待涂膠晶圓經(jīng)機(jī)器人送入涂膠單元，放到真空吸附承載臺上，選擇預(yù)設(shè)配方，涂膠準(zhǔn)備開始；④完成涂覆后，經(jīng)機(jī)器人取出，經(jīng)過烘烤，將已工藝完畢的襯底傳送回緩存盒。步驟②設(shè)定的單元環(huán)境條件主要包括單元腔體內(nèi)溫度、濕度、排風(fēng)大小、膠臂工藝位置等。通過改變上述單元內(nèi)條件，觀察晶圓表面光阻薄膜變化：十字49 點方式測量厚度大?。▓D3）。

試驗測試過程中，采用某種粘度值＜5cP的光阻作為試驗對象，正常工藝要求其目標(biāo)膜厚范圍在600～900 A，每次涂覆工藝所需的光阻消耗量為2 mL。試驗中使用單一的工藝路徑，工藝烘烤溫度為150℃、60 s。試驗過程中，所用的對比試驗晶圓都經(jīng)過同樣的前期處理，避免由于晶圓表面狀態(tài)差異造成的試驗結(jié)果偏差：硫酸和過氧化氫可以去除任何殘留的有機(jī)或無機(jī)污染物，將晶圓進(jìn)行等離子體灰化，使得晶圓表面不會發(fā)生多余的氧化反應(yīng)[4]。

3結(jié)果與討論

（1）試驗測試1：試驗中分別改變涂覆單元腔體內(nèi)的溫度大小和濕度大小，使用相同配方完成晶圓表面光阻的涂覆工藝。半導(dǎo)體晶圓廠常規(guī)使用的標(biāo)準(zhǔn)工藝環(huán)境要求為：溫度23±0.1℃，濕度45±0.5%[5]。溫度與濕度變化對晶圓膜厚的影響如圖4 所示，當(dāng)濕度不變溫度變化時，光阻薄膜的厚度隨著溫度的升高而增厚；當(dāng)溫度不變濕度變化時，光阻薄膜的厚度隨著濕度的增加而減薄。光阻薄膜厚度減薄是因為環(huán)境濕度的增加，增加了晶圓表面的液體含量，提升了光阻在晶圓表面的流動性，從而導(dǎo)致同等光阻使用量的情況下，會有更少的光阻留存在晶圓表面，使得光阻薄膜厚度降低。

（2）試驗測試2 ：光阻薄膜工藝一般采用的是旋涂法，即滴膠的過程中，晶圓以一定速度旋轉(zhuǎn)，涉及在涂覆過程中的風(fēng)流的控制。試驗中使用TESTO設(shè)備測量，改變腔體內(nèi)排風(fēng)大小，測量晶圓表面光阻薄膜厚度變化。從圖5 中可看出，排風(fēng)開的越大，光阻薄膜邊緣越厚。光阻薄膜厚度變化的原因是風(fēng)速的大小，在光阻涂覆過程中作用于晶圓表面，影響光阻中溶劑的揮發(fā)快慢。光阻中溶劑揮發(fā)的快慢，會影響光阻在晶圓表面的流動性及光阻薄膜在晶圓表面固化的速度。因此，涂膠單元的排風(fēng)要設(shè)定在某一定范圍內(nèi)，如40～70 Pa，以保證涂膠單元內(nèi)的風(fēng)流在涂膠過程中穩(wěn)定運(yùn)行，從而得到較好的工藝結(jié)果。此外，對于不同尺寸的硅晶圓襯底，排風(fēng)大小不是固定的，需要根據(jù)工藝結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。同時，對于某些對于風(fēng)流敏感的光阻，涂膠單元內(nèi)風(fēng)流的大小也是需要特別關(guān)注的。

（3）試驗測試3 ：改變膠臂垂直方向距離晶圓表面的工藝位置，與使用標(biāo)準(zhǔn)治具校準(zhǔn)的膠臂位置對比，完成相同涂膠工藝配方，測量光阻薄膜厚度變化。由圖6 可知，當(dāng)膠臂位置高于標(biāo)準(zhǔn)位置時，薄膜中心區(qū)域厚度會高于邊緣區(qū)域薄膜厚度，呈現(xiàn)類似拱形；低于標(biāo)準(zhǔn)位置時，中心膜厚會低于邊緣區(qū)域厚度，呈現(xiàn)類似碗形。因此，膠臂與晶圓表面的垂直距離應(yīng)處于某一固定高度，以保證晶圓表面光阻膜厚曲線中心區(qū)域與邊緣區(qū)域的平衡。需要注意的是，調(diào)整膠臂位置時，要注意膠臂與晶圓表面的距離，避免膠嘴插入到晶圓表面形成的光阻液面，從而避免導(dǎo)致膠嘴沾污或光阻薄膜表面出現(xiàn)色差等工藝問題。

試驗測試4：改變膠臂水平方向距離晶圓中心的工藝位置，與使用標(biāo)準(zhǔn)治具校準(zhǔn)的膠臂位置對比。試驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)膠臂位置向左或向右偏于標(biāo)準(zhǔn)中心位置時，晶圓表面光阻薄膜邊緣區(qū)域都會出現(xiàn)不同程度的色差問題。測量晶圓表面光阻薄膜厚度時發(fā)現(xiàn)，色差區(qū)域的薄膜厚度曲線出現(xiàn)不固定位置的跳點。因此，膠臂必須與晶圓同心，以保證光阻均勻的平涂在晶圓表面。

4結(jié)束語

涂膠單元內(nèi)硬件條件的變化（如溫度、濕度、風(fēng)速、膠臂位置），對光阻薄膜厚度的影響較大。所以，要想實現(xiàn)穩(wěn)定的光刻工藝技術(shù)，涂膠顯影設(shè)備各單元的硬件必須滿足必要的工藝技術(shù)條件。