涂膠顯影技術改進對光刻工藝的影響

馮 泉，周明祥，侯宗林

(南京電子器件研究所，江蘇南京210016)

涂膠顯影技術改進對光刻工藝的影響

馮 泉，周明祥，侯宗林

(南京電子器件研究所，江蘇南京210016)

影響光刻工藝的因素有很多，既有光刻機的因素，又有涂膠顯影技術因素，而通過改造光刻機來提高光刻工藝，往往價格非常高昂；所以改進涂膠顯影技術就成為了提高光刻工藝的一種低廉而有效的手段。介紹了對涂膠顯影技術改進，且分析了其對光刻工藝的影響。

涂膠顯影；光刻工藝；工藝改進

在半導體制造過程中，光刻技術是集成電路的關鍵技術之一，在整個產品制造中是重要的經濟影響因子，光刻成本占據了整個制造成本的35%。光刻也是決定了集成電路按照摩爾定律發展的一個重要原因，如果沒有光刻技術的進步，集成電路就不可能從微米進入深亞微米再進入納米時代。隨著IC技術向深亞微米方向發展，光學光刻的發展也進入了一個嶄新的階段。近幾年248 nm和193 nm技術的發展帶動了IC產業進一步的輝煌。

光刻技術要應用光刻膠，它們作為一種聚合可溶解物被涂在襯底表面，然后光刻膠被烘焙除去溶劑，下一步再將其用受控的光線曝光，最后完成圖形轉移后就要被去掉。而涂膠顯影技術的好壞對于光刻工藝來講也有著重要的影響。

1 涂膠顯影技術改進對光刻工藝的影響

1.1 光刻工藝

光刻工藝制程涵蓋非常廣，光學，物理，有機化學等非常多的基礎知識，本文僅從涂膠、曝光、顯影、量測、后烘、去膠等共14個工藝步驟進行簡述，如表1所示，可以了解光刻工藝的基本步驟。圖1為TEL公司的光刻膠涂布顯影機，能完成除了曝光之外的所有的光刻生產工藝。

2 涂膠顯影設備對光刻工藝的影響

2.1 上底材（Priming）

光刻膠的表面能較低。而其晶圓襯底表面上常覆蓋水分子，和硅晶圓作用產生極性很強的硅醇基（Si-OH），硅醇基需要600℃的高溫才能去除，而且當晶圓冷卻時，水分子即刻與硅晶圓發生反應生成硅醇基。

表1 光刻工藝的步驟

圖1 Tel公司的涂膠顯影設備

改善方法是先加熱去除晶圓表面水分，再加上一層底材。常用的底材為六甲基二硅胺烷（HMDS），它的結構式為（CH3）3SiNHSi（CH3）3。Si一端（無機端）與晶圓表面的硅醇基進行化學作用，形成-Si-O-Si-，含CH3一端（有機端）與光刻膠中的C、H、O原子產生凡德瓦引力，促進晶圓與光刻膠之間的附著力。以上步驟是在一個密封腔體中發生的，腔體的溫度在115℃，這樣有效地防止了硅醇基的形成。

圖2所示的是HMDS涂布的實現方式，圖3所示的是HMDS涂布時的化學反應式。HMDS覆蓋完成后，晶圓被送進高精度的冷板加以快速冷卻，使其快速達到23℃，為后續的光阻涂布作準備。

圖2 HMDS的實現方式

在涂布顯影機中，共有3個機械手臂，這3個機械手臂的設定是不一樣的。從熱的腔體中取晶圓的手臂是絕對不能用來傳送已經冷卻至23℃的晶圓。因為手臂上的溫度會傳導給晶圓，干擾晶圓的光阻涂布。而且這3個手臂之間有隔熱板擋開。

圖3 HMDS的化學反應方程式

圖4 涂膠示意圖

2.2 旋轉涂膠（Resist Coating）

晶圓從高精度冷板出來后，由專用的手臂傳送至光阻涂布腔體。光阻涂布可以分為兩個階段。第一步：靜態噴涂溶劑（Thinner Nozzle），靜態噴涂溶劑的作用是將襯底預濕，提高光刻膠的流動性，使得光刻膠旋涂的均勻性更好。第二步：光刻膠的旋涂。在其中的轉速分3個階段，開始在噴涂光刻膠的時候轉速為2 000 r/min左右，等光刻膠噴吐完成之后，進入高速旋轉階段，主要是借用離心力使光刻膠均勻的布滿整個晶圓，甩掉多余的光刻膠，在晶圓上得到均勻的光刻膠膠膜覆蓋層。這一階段的主轉速一般要達到2 000～4 000 r/min。最后，光刻膠完全覆蓋整個晶圓表面，進入停頓階段。如圖4，從式(1)來看，厚度與轉速（ω）、光刻膠濃度（C）、黏度（η）有關，除了ω其他都是常量，α一般為0.5，所以轉速的平方和膜厚成反比。晶圓上光阻膜厚的均勻性非常重要，因為關鍵尺寸和膜厚有直接的關系，如果膜厚的均勻性差的話，最后的關鍵尺寸的均勻性也會變差。一般膜厚的均勻性是膜厚的0.5%。

光刻膠膠厚公式：

其中：T為膠厚，K為比例常數，C為光刻膠濃度，η為黏度，ω為轉速。

2.3 軟烤(Soft Bake)

晶圓在涂布腔體中完成光阻涂布后，被手臂送入軟烤腔體。軟烤主要目的：（1）去除光刻膠里的溶劑，90%的溶劑被蒸發掉，增加光刻膠對晶圓的附著力；（2）提升非照射區和照射區光刻膠的顯影速率比和對比度，從而提高解析度；（3）降低光刻膠內部應力，防止光刻膠的龜裂。內部應力是由于旋涂光刻膠時，溶劑在短時間內，因揮發或高速離心旋轉而去除，高分子被迫停留在高能態而導致的。

根據光刻膠特性不同，軟烤溫度在80℃～130℃，原則上軟烤溫度應該比光刻膠的玻璃轉移溫度低5～10℃，并不可破壞光刻膠的光活性。軟烤加熱的方法可以分為傳導、對流、輻射3種。傳導及對流都可以達到穩定的溫度，而且以傳導的方式較快。輻射法是以紅外線或微波加熱，優點是加熱速度快，缺點是由于加熱過于急劇，常有加熱過度的現象，不易控制恒溫，溫度不易達到穩定狀態。

目前的最常用的電熱板傳導加熱法。因為傳導法可以得到穩定的溫度，而且加熱速度介于輻射法和對流法之間，故最為廣泛使用。電熱板軟烤腔體的重要維護在于它的排氣管道，因為90%的溶劑會在烘烤中蒸發，如果排氣管道不順暢的話，會影響厚度的均勻性。另外手臂輸送的位置也極為重要，電熱板面上有定位柱，這些有著斜度的定位柱能夠幫助晶圓正確地停留在電熱板上，但是如果手臂輸送的位置不對，晶圓就會部分在電熱板上，部分搭在定位柱上，導致晶圓受熱不均勻，影響厚度。現在有通過加裝厚度傳感器，多區域調控裝置對厚度實行實時調整。

2.4 曝光前冷卻(Chilling)

軟烤之后的晶片發生膨脹和旋轉，使得曝光時對前層圖形的疊對造成影響，如圖5所示，冷卻可以消除膨脹和旋轉。另外冷卻可以減少自由體積，因而增進光刻膠的照射敏感度與關鍵尺寸的均勻性。

圖5 軟烘后晶圓對于前層的旋轉和膨脹

2.5 曝光(Exposure)

曝光是光刻工藝最重要的一步。利用透鏡將掩模板的圖形縮小4倍或5倍、通過激光聚焦、投影到晶圓表面。曝光光源的波長有365 nm(I-line)，248 nm(DUV)，193 nm(ARF)等，最終圖形的最小線寬是由光源的波長所決定。在曝光中，有一個重要的現象是駐波，當激光被投射到光阻，然后穿過光阻到達襯底，襯底的反射光會和入射光發生干涉，于是在光阻的不同深度形成了高低不同的強度，在光阻圖形的側墻上形成了波紋狀的形狀，這些形狀影響了關鍵尺寸的質量和量測質量，這是我們不愿意看到的。因此我們會在襯底上加防反射層，包括有機反射層和無機反射層，使干涉不產生或少產生，以保證關鍵尺寸的質量投影成像光束必須含有主極大、正第一極大和負第一極大三繞射光束以上。激光和被照射到的光阻發生化學反應，根據光阻的正、負特性，在后續的顯影工藝中或留存、或去除，以此得到所需要的圖形。

2.6 曝后烤(P.E.B.)

對于曝光波長為365 nm的I線光源，光刻膠的作用是消除駐波效應。入射光在光刻膠中的光束（無π相位差）與到達晶圓表面再反射的光束（疏介質到密介質的反射產生π相位差）產生干涉現象，形成駐波效應，顯影后光刻膠的輪廓成為左右擺動狀，而非垂直。以DAQ/Novolak光刻膠為例，曝后烤使茚羧基酸（ICA）因熱擴散使其縱向分布較均勻，減少駐波效應的形成，有利于解析度的提升。如圖6所示。

圖6 曝后烤對于I-Line光刻膠的駐波消除作用

對于DUV（曝光波長為248 nm深層紫外光源）的化學放大型光刻膠的作用是提供反應所需的能量。化學放大型光刻膠被照射后，質子酸（H+）并不立刻催化相關化學反應，因為尚未到達其反應活化能。必須經過曝后烤，提供反應所需能量，使到達反應活化能的能量，才可在短時間內完成化學反應。帶有光刻膠的晶圓從曝光機器出來后，應立即送入曝后烤，因為DUV的質子酸會和空氣中的氨離子發生反應，這樣就減少了質子酸的數量，影響了后續的化學反應，形成T-Top的缺陷。曝后烤的溫度、時間對化學放大性光刻膠的感度、解析度有重大影響。

此時光刻膠對于堿性的污染物非常敏感，因為堿性污染物能夠中和掉質子酸，會減少活化能，所以環境中堿性物的控制對于CD影響非常大。

2.7 顯影(Develop)

以正型光刻膠為例，經過照射后，照射區發生極性變化、斷鍵等作用，易溶于顯影液中，使得照射區及非照射區在顯影液中的溶解速率產生極大的差別（達到10∶1以上），顯影液將易溶解的區域溶解，達到顯影的目的。

目前最常用的顯影方法是覆液法（puddle），覆液法的操作分為兩個階段。第一階段是利用顯影液的表面張力，將顯影液均勻覆蓋在靜止的晶圓的光刻膠表面上，形成液面，并靜置一段時間，或按照經驗作少許擾動，以期達到均勻的關鍵尺寸，此覆液時間（puddle time）使顯影液擴散進入光刻膠，完成大部分的顯影作用，此覆液時間在40～60 s。第二階段，光阻是酸性的，顯影液是堿性的，經過覆液時間的酸堿中和反應生成的反應物將會在第二階段去除，晶圓在第二階段作高速旋轉，且噴嘴同時噴灑去離子水清洗液（De-ionized Water Rinse），去除反應物和殘留的顯影液，并將殘余的光刻膠內的溶解物移出。涂布顯影機的顯影腔體中有各種噴嘴，噴嘴的噴涂條件對于缺陷的控制極為重要，因此每次定期保養中，檢查噴嘴的狀態是不可缺少的。

2.8 硬烤(Hard Bake)

顯影完成以后要進行硬烤。一般進行的硬烤溫度比軟烤溫度高一些。而硬烤的方法和軟烤一樣，分為傳導、對流及輻射3種。以電熱板傳導法最常用，理由同軟烤。

硬烤的主要目的：除殘余的顯影液和清洗液，硬化光刻膠，提高抗蝕刻能力，增加黏性附著力，減少針孔（pin hole）效應的發生，增加平坦度。

2.9 關鍵尺寸（CD）量測

關鍵尺寸是衡量光刻技術的一個重要指標，所以關鍵尺寸的量測顯得至關重要。現行商用主流的量測機臺一般是Hitachi S-92X0。如圖7所示。稱作CD-SEM（Secondary Electron Microscope）關鍵尺寸的二次電子顯微鏡。

它是通過電子束打擊在光刻膠表面，利用二次電子反射來測量。一般情況下是量測位于切割道的CD-BAR來監測圖形里面的尺寸。有時候為了更精確的檢測，也會量測圖形里面設計的關鍵尺寸（如圖8所示）。量測一般分為線寬（Line Width）、空間寬(Space)、洞(Hole)、斜度(Slope)。斜度的測量對于55 nm以下的節點技術是必須的。另外光罩也是影響關鍵尺寸的重要因素。

值得一提的是，由于ArF（曝光波長為193 nm的光源）光刻膠的特性，電子束打擊時間過長就會造成光刻膠分子的飛離，關鍵尺寸會發生變化，其CD-SEM的程式需要特別設定，避免同一個地方受電子束轟擊時間過長。曝光場和曝光場之間的尺寸差異是關鍵尺寸差異的重要來源。

圖7 Hitachi S-9200 CD-SEM

圖8 CD-SEM量測示意圖

2.10 套刻對準量測（Overlay）

套刻對準的量測系統是測量對準系統把版圖套準到晶圓上的能力。套準容差描述要形成的圖形和前層的最大相對位移。一般而言，套準容差大約是關鍵尺寸的1/3。對于0.11 μm的設計規則，套準容差預計為30～40 nm。對準量測同樣也會面對很多技術上的挑戰，例如對準記號的受損，帶來量測的不穩定性以及誤差，怎樣又快又準地量測出當層對前層的套準誤差等。

2.11 缺陷檢查（Defect Inspection）

在曝光顯影后總會發現很多不同的缺陷，由于光刻工藝是為數不多的可以返工的工序之一。所以缺陷的檢測可以及時地發現缺陷，返工重做光刻工藝。因此缺陷檢查是光刻工藝中最后一道把關的步驟。

一般的缺陷檢查我們可以通過顯影后檢查（After Develop Inspection，ADI）來發現。但是，ADI是由人工肉眼來檢查，所以如果一些細微的殺傷性缺陷未能及時檢查出來的話，對產品最終良率會產生一定的影響，甚至報廢整片產品。

所以，在比較關鍵的層后面，我們會加設一個站點為光學掃描檢測站，通過光學描檢來檢測原片表面的缺陷。

通過11個光刻工藝步驟之后掩模板的圖形成功地轉移到了晶圓表面，然后再經過對準量測、關鍵線寬量測、顯影后檢查、缺陷光學檢查，篩選出不合格的晶片進行返工（rework），最后通過蝕刻就完成了圖形。

2.12 等離子體去渣（Plasma Descumming）

顯影時，光刻膠和基材界面常形成一層薄的膠質（Gel），無法完全溶解與去除，而有殘渣存留在硅晶圓表面。施加UV處理及隨之產生的臭氧可以幫助去除殘渣。隨著半導體制程圖案線寬的逐步縮小，圖案的深寬比增加，使得顯影液無法將光刻膠完全溶解，因此去渣是除去會妨礙后續制程的殘留光刻膠，以得到準確的光刻膠線寬。

通常以電漿除渣排除此困擾。將硅晶圓置于異向蝕刻性較強的活性離子蝕刻（RIE）電漿反應器中，如氧活性離子蝕刻（O2RIE），可以將光刻膠殘渣去除，而不影響光刻膠的垂直側壁輪廓，但光刻膠厚度會略有損失。

2.13 圖案轉移（Pattern Transfer）

光刻膠經硬烤、等離子體去渣后，即可將掩模板上設計的圖案轉移到晶圓，稱之為圖案轉移。主要分離子注入、薄膜沉積和蝕刻三部分。

2.14 光刻膠清除（Resist Strip）

光刻膠在經過照射、顯影、硬烤、離子植入或蝕刻等制程后，已經功成身退需予以清除。光刻膠中分子自身相互附著力很低，易利用溶液溶解清除，但在光刻膠與晶圓界面處，附著力較高，不易于溶液清洗，常留殘渣，此時就必須以物理灰化（Ashing）或化學反應的方法清除。

常用清除方法：

（1）濕式：使用HF、TCE（Trichloroethane）等溶液。

（2）氧電漿：與光刻膠中C、H等作用，生成CO、CO2等揮發性小分子。

（3）氫電漿預處理+氧電漿：經離子植入后光刻膠常不易于清除，氫電漿預處理可產生BH3、PH3、GaH3等揮發性氫化物，再以氧電漿清除。

（4）紫外光（UV）+臭氧（O3）：易打斷光刻膠中C、H、O鍵結。

3 結 論

隨著IC制造業的迅猛發展，光刻成像技術越來越復雜，而影響光刻工藝的因素有很多，既有光刻機設備因素，又有涂膠顯影技術等因素。而通過改造光刻機來提高光刻工藝，往往價格非常高昂。所以改進涂膠顯影技術就成為了提高光刻工藝的一種低廉而有效的手段。

本文通過對涂膠顯影技術改進的詳細介紹，研究了其對光刻工藝的重要影響。

[1] Michael Quirk，JulianSerda，韓鄭生.半導體制造技術[M].北京：電子工業出版社，2004.

[2] 闕端麟，陳修治.硅材料科學與技術[M].杭州：杭州大學出版社，2000.

[3] 趙樹武，朱踐知，于世恩，等.芯片制造-半導體工藝制程實用教程[M].北京：電子工業出版社，2004.

Coating and Developing Technology Introduction Affects Lithography Process

FENG Quan，ZHOU Mingxiang，HOU Zonglin
(Nanjing Electronic Devices Institute，Nanjing 210016，China)

There are many factors that affect lithography process，such as lithography machine，coasting and developing technology.It is very expensive to improve lithography process by improvement to lithography machine.Therefore，improvement of coating and developing technology has become a cheap and effective means to improve lithography process.This paper gives a detail introduction of the improvement of coating developing technology and analyzes its important impact on lithography process.

Coating and developing;Lithography process;Process improvement.

TN307

B

1004-4507(2017)02-0019-07

馮泉(1984-)，男，陽泉人，碩士，工程師，主要從事半導體設備維護與維修。

2017-03-27

周明祥(1993-)，男，泰州人，本科，工程師，主要從事半導體設備維護與維修。

侯宗林(1985-)，男，南京人，本科，工程師，主要從事半導體設備維護與維修。