光刻圖形轉移技術

張永平,程 越,盧吳越,談嘉慧,趙高杰,劉益宏,孫玉俊,陳之戰,石旺舟,李萬榮,陸逸楓

(上海師范大學 數理學院,上海 200234)

0 引 言

光刻機是微電機系統(MEMS)與微光學器件(MOD)的完美結合,引發了一場微型化革命,從而使半導體芯片、電子器件和集成電路向著更高集成度方向發展.而光刻技術是芯片制造的關鍵,決定了芯片的最小尺寸[1].IC制造具有復雜的工藝鏈:晶圓制備、電路制造、封裝等,其中電路制造過程最為復雜,包括氣相沉積、光刻、刻蝕、離子注入、擴散和引線等.決定IC特征尺寸大小的關鍵和瓶頸技術就是其中的光刻環節.IC特征尺寸的變化與光刻技術的發展關系遵從著著名的摩爾定理[2-3].隨著IC特征尺寸的減小,采用的曝光方式從接觸式、接近式到投影式;光源從436、365、248 nm到193 nm;數值孔徑從0.35、0.45、0.55、0.60到0.70[4].當特征尺寸小于100 nm時,現有的工藝和光源都必須再次更新,如離軸照明技術、相移掩模技術、浸沒透鏡技術等作為目前提高光刻分辨率的新技術正被研究和應用,但提高仍然有限.為了更進一步提高光刻分辨率,延長光學光刻壽命,一系列下一代的光學光刻技術,包括x射線、離子束投影、無掩模、電子束投影和電子束直寫等已被提出和研究[5-7].這些技術的共同特點是:尋求波長更短的光源;依舊采用光學光刻機理;阻撓光刻分辨率的半波長效應仍然存在;使用這些光源不僅本身具有相當大的技術難度和基礎理論問題,而且在光學透鏡系統的研制、掩模制造工藝、光刻工藝及資金投入等方面都在難度和數量上呈指數上升.因而,如何提高光刻工藝技術,探索更加優良的工藝方法成為了當前優化光刻圖形、提高最小分辨率的研究趨勢.光刻圖形轉移過程中,參數選取稍有不同,將引起光刻圖形質量的嚴重變化,因而必須通過科學合理的設計實驗,獲得最佳光刻參數.

1 實 驗

實驗中使用的光刻膠為陶氏化學SPR995,正膠;光刻機是中國科學院光電技術研究所設計的I線接觸式光刻機.選用2英寸藍寶石襯底,經過劃片、清洗、烘干后,進行光刻圖形轉移技術研究.首先在藍寶石襯底上外延SiO2保護層或金屬蒸發層,再利用勻膠機旋涂一層均勻的光刻膠.其中,勻膠6 s,甩膠20 s,勻膠機轉速分別為500 r/min和2 500 r/min,膠膜層均勻,粘附良好,表面無顆粒無劃痕.前烘,將襯底放在90℃的加熱板上烘焙,前烘15 s,使膠膜內溶劑充分地揮發掉,使膠膜干燥,增加膠膜與SiO2或金屬膜之間的粘附性和提高膠膜的耐磨性,不沾污掩模板,只有干燥的光刻膠才能充分進行光化學反應.接下來就是曝光,接觸式曝光法,在專用的光刻機上,它包括“定位”和“曝光”兩部分.預熱紫外光燈(高壓汞燈)使光源穩定,將光刻掩模板安裝在支架上,使有圖形的玻璃面向下,并把涂有光刻膠的藍寶石襯底片放在可微調的工作臺上,膠面朝上,在顯微鏡下仔細調節微動裝置,使掩模板上的圖形與樣片相應的位置準確套合,復查是否對準,按下曝光,曝光15 s,取出已曝光的樣品.在90℃條件下后烘15 s,然后顯影,將曝光后的樣品放進準備好的顯影液中,將未感光部分的光刻膠溶除,以獲得腐蝕時所需要的、有抗蝕劑保護的圖形;顯影40 s后,取出來漂洗,氮氣吹干;接下來進行轉移后的圖形檢查,保證光刻質量.堅膜,顯影時光刻膠膠膜易發生軟化、膨脹,顯影后必須進行堅固膠膜的工作,堅固后可以使膠膜與SiO2層或金屬蒸發層之間粘貼得更牢,以增強膠膜本身的抗蝕能力.堅膜后進行化學腐蝕或是干法刻蝕,將無光刻膠復蓋的氧化層或金屬蒸發層刻蝕掉,而有光刻膠覆蓋的區域保存下來;得到理想的圖形以后,去除覆蓋在襯底表面的保護膠膜,一般使用化學試劑使其膠膜碳化脫落.用濃硫酸煮兩遍使膠膜碳化脫落、冷卻、用去離子水沖洗凈. 最后檢查光刻轉移圖形質量.

圖1 光刻圖形轉移步驟

2 結果與分析

根據光源的強弱、光源與襯底的距離、光刻膠性能和光刻圖形尺寸大小選擇曝光時間.一般情況下,先試曝光一片,顯影后檢查一下表面,看其圖形是否清晰.(a) 曝光不足:光刻膠反應不充分,顯影時部分膠膜被溶解,顯微鏡下觀察膠膜發黑,如圖2所示;(b) 而圖3是由于曝光時間過長:使不感光部分的邊緣微弱感光,產生“暈光”現象,邊界模糊,出現皺紋.光強為9 MW時,曝光時間選擇8～15 s[8]得到的圖形質量最高.

圖2 曝光不足

圖3 曝光時間過長

如圖4,曝光時間的不合理同樣影響光刻轉移的圖形質量.曝光時間短,使顯影困難;曝光時間過長,顯影后圖形輪廓粗糙甚至脫膠.在曝光之后要對樣品進行后烘處理,如果后烘的溫度變化大且溫區不均勻,容易使膠膜產生“熱斑”造成曝光、顯影不徹底而出現小島之類的缺陷或者使膠膜的抗蝕性變差.顯影過后,對樣品沖洗不徹底還會使圖形邊緣出現鋸齒缺陷.此外,試驗工作人員的凈化服處理不干凈、工作環境凈化條件差等,也會引入點缺陷.實驗環境濕度太大,前烘不足,顯影時間太長,很容易出現浮膠,引起膠膜脫落,如圖5所示.

圖4 曝光不合理

圖5 脫膠現象

圖6是在光學顯微鏡下放大2 000倍的照片,觀察到的光刻損傷主要是駐波效應(stand wave effect).在光刻膠曝光的過程中,透射光與反射光(在基底或者表面)之間會發生干涉.這種相同頻率的光波之間的干涉,在光刻膠的曝光區域內出現相長相消的條紋.光刻膠在顯影后,在側壁會產生波浪狀的不平整.經過反復試驗,得到了解決方案:(a) 在光刻膠內加入染色劑,降低干涉現象;(b) 在光刻膠的上下表面增加抗反射涂層(ARC,Anti-Reflective Coating);(c) 延長后烘(PEB,Post Exposure Baking)和硬烘(HB,Hard Baking)時間.

由于光刻掩模膠由高分子材料組成,當將其由液態的膠旋涂在樣片上,加工形成薄膜后,使用臺階儀測量其厚度在100 nm左右,而且膠膜中會經常產生針孔,如圖7所示.在工藝過程中它會使光刻掩模膠覆蓋下的材料在不該腐蝕掉的地方留下針孔,影響器件整體結構的完整性,從而引起器件的漏電、短路、特性變壞等不良后果.它的分布通常也是隨機的,其密度與膠的品種、粘度、涂層厚度以及顯影、沖洗時間和樣片表面狀況有關.膠膜越薄、粘度越小、顯影沖洗時間越長或襯底片表面沾污越嚴重,針孔密度就越大,掩模膠的抗蝕能力也越差.需要通過基片清洗、掩模板清洗和增加膠膜厚度等方法解決[9].

圖6 駐波現象

圖7 針孔現象

如圖8所示,曝光處理后的圖形質量很差,部分區域顯影過度.這與涂敷光刻膠的均勻性、平整度以及光刻機曝光的均勻性都有很大的關系.解決這一工藝問題,先調整光刻膠的旋涂方法,再調節曝光時間、顯影液濃度及顯影時間來避免光刻轉移圖形質量差的問題.

圖8 過顯影現象

圖9 合理光刻工藝的圓柱圖形

從圖10的電子顯微鏡圖片和圖11的AFM圖片來看,可以知道衍射條紋的深度(膜厚)、寬度,亦表征了光刻膠表面的平整度以及光刻切面立度.光刻膠的黏度比較大,也會導致表面的不平整[10].

圖10 合理光刻工藝的光柵圖形

圖11 合理光刻工藝的光柵AFM圖形

3 結 論

光刻圖形轉移技術是未來發展納米電子器件、納米芯片的關鍵技術,是一種圖形技術與圖形刻蝕工藝相結合的綜合性工藝,是平面工藝中至關重要的一步,其工藝質量是影響器件穩定性、可靠性及成品率的關鍵因素之一.所以,穩定可靠的光刻工藝是當前亟需技術,本研究針對當前存在的普遍技術難題給出了解決方案.

參考文獻:

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