熱敏BARC 顯影工藝時長影響因素研究

孫洪君，關 麗，張德強，黃 鵬，王俊陽

（沈陽芯源微電子設備股份有限公司，遼寧 沈陽 110168）

引言

微電子技術是建立在以集成電路為核心的各種半導體器件基礎上的高新電子技術，這種技術下的半導體產品器件，特點是體積小、重量輕、可靠性高、工作速度快，微電子技術對信息時代具有巨大的影響。隨著半導體微電子行業的發展迅猛，各類半導體器件層出不窮。制造半導體集成電路和器件技術不斷發展和進步，半導體光刻工藝也不斷地提升。圖形化工藝是半導體工藝過程中最重要的工序之一，也是一種基礎工藝操作。對于不同應用領域的半導體器件，使用的圖形工藝流程也不盡相同。從晶圓表面準備到對準曝光顯影，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品生產的基礎中的基礎，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，具有預防駐波效應的作用，還可以與其他PR 或PI光刻膠配合，進行曝光顯影工藝。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，它還對軟烘熱盤腔體環境內的氣流場變化也十分敏感，即軟烘熱盤的進氣量和排氣量，腔體內氣流的置換率變化，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氣量和排氣量的微小變化，對該種光刻膠的顯影工藝時間長短也有很大的影響，從而影響整個圖形化工藝流程。因此，對于熱敏BARC 光刻膠，晶圓表面準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，是一種能夠有效預防和消除光反射形成的駐波效應的光刻膠材料。其作用是：在晶圓涂覆光刻膠之前，先涂覆一層有機或無機抗反射物質，以達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，或光刻膠中的固態微粒的散射，而產生的側向光學、化學反應，對曝光顯影工藝后的CD 線條結果和特征尺寸大小，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構差異對CD 的均勻度產生的影響，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，經過顯影工藝后形成特殊的微觀結構圖形。這類熱敏BARC 光刻膠主要應用于AR（Augmented Reality 增強現實技術）、VR（Virtual Reality 虛擬現實）、LENSE 等高精尖技術器件制造方面，是一種前沿技術領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境內的氣流場變化也十分敏感，即軟烘熱盤的進氣量和排氣量，腔體內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間長短存在直接的影響。

1 實驗及測量

本實驗采用KSM勻膠-顯影設備。工藝實驗基本流程如下：

第一步，檢查設備環境狀況，如排風、溫濕度、機械部件運動情況等，確認是否可以正常運行。

第二步，確認工藝設備、工藝涉及單元硬件條件，確認工藝步驟。

第三步，晶圓圖形化工藝流程：晶圓表面準備，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，釋放光刻膠膜內應力，減少光刻膠薄膜內微小不可見氣泡或空洞等缺陷，防止光刻膠沾污設備。

3）對準和曝光：將晶圓對準掩膜版，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，將圖形顯現在晶圓表面。

5）硬烘：堅膜，使光刻膠里的溶劑完全蒸發掉，使得晶圓光刻膠所呈現的圖形更加清晰，增強光刻膠于晶圓之間的黏性。

6）檢測：顯影堅膜后，使用SEM等測量儀器，檢驗CD 線條結果，量測其大小，計算晶圓均勻性，并檢查確認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 數據，計算CD 均勻性，總結變化規律。

實驗預計，使用上述工藝流程，分別進行兩組不同的實驗，連續做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，為了達到spec CD 標準，其顯影工藝消耗時間長短變化，記錄數據并計算晶圓圖形CD 均勻性，總結變化規律；二是同一光阻薄膜厚度的情況下，軟烘熱盤的不同的進氣量和排氣量組合，即腔體內氣流的置換率變化，為了達到spec CD 標準，其顯影工藝消耗時間長短變化，記錄數據并計算其CD 均勻性，總結變化規律。

2 實驗結果與討論

根據熱敏BARC 光刻膠特性，從上述內容可知，熱敏BARC 顯影工藝消耗時間長短的影響因素，主要有以下兩個方面：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，即軟烘熱盤的進氣量和排氣量，腔體內氣流的置換率變化。

本次實驗中，所用光刻膠為某熱敏BARC光刻膠，光刻膠黏度為15 cP，目標薄膜厚度為0.15～0.17 μm。根據上述晶圓圖形化工藝流程，以及其顯影工藝消耗時間長短的影響因素，將本次實驗分為以下兩個方向進行：一是更改軟烘熱盤的工藝烘烤溫度，重復上述圖形化工藝步驟流程，按照規律變化，記錄顯影消耗時長，總結變化規律；二是更改軟烘熱盤腔體內的氣流場，即改變烘烤熱盤的進氣量和排氣量，調整腔體內氣流的置換率，重復上述圖形化工藝步驟流程，按照規律變化，記錄顯影消耗時長，總結變化規律。具體實驗過程如下。

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，為了達到spec CD 標準，其顯影工藝消耗時間長短變化。

重復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使光刻膠均勻平鋪至整個晶圓表面。接下來進行熱盤軟烘工藝，該熱敏BARC 光阻特性溫度為150～190 ℃，以每2 ℃溫度變化，重復上述晶圓圖形化工藝流程。實驗結果得到，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，達到spec CD標準，其顯影工藝消耗時長在30～200 s 之前變化。記錄實驗數據并總結歸納其規律，發現顯影工藝消耗時長的變化如下：首先，顯影時長隨著溫度的升高而增加，達到某定值后，顯影工藝消耗時長隨著溫度的增加而降低，歸一化整理后，發現，顯影消耗時長與溫度變化，呈現正態分布變化。根據實驗結果，可以得到最優條件為：同一光阻薄膜厚度的情況下，軟烘熱盤工藝烘烤溫度165～170 ℃，顯影工藝消耗時長40～50 s。

第二步是更改軟烘熱盤腔體內氣流場，即改變烘烤熱盤的進氣量和排氣量，調整腔體內氣流的置換率，同一光阻薄膜厚度的情況下，軟烘熱盤的不同的進氣量和排氣量組合，為了達到spec CD 標準，其顯影工藝消耗時間長短變化。

重復上述圖形化工藝流程，先將晶圓清洗甩干，再進行光刻膠涂覆工藝，接下來進行熱盤軟烘工藝。將軟烘熱盤腔體內進氣量與排氣進行調整變化組合，改變腔體內氣流的置換率，進氣量變化范圍0～5 Pa，每0.5 Pa 變化，排氣變化范圍100～240 Pa，每30 Pa變化，記錄實驗數據并總結歸納其規律。實驗發現，同一光阻薄膜厚度，同一軟烘熱盤工藝烘烤溫度的情況下，達到spec CD 標準，其顯影工藝消耗時長變化如下：首先，顯影時長隨著軟烘熱盤的進氣量與排氣量的增大而增加，在達到某個特定值時，其顯影工藝消耗時長，隨進氣量與排氣量增大而降低，當再次達到另一個特殊值后，最終趨于平穩。根據實驗結果，可以得到最優條件：排氣量范圍在150～200 Pa，顯影工藝消耗時長40～50 s。

實驗數據結果表明，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，為了達到spec CD標準，熱敏BARC 光刻膠的顯影工藝消耗時長，呈正態分布變化，其最優條件為：烘烤溫度165～170 ℃，顯影工藝消耗時長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，調整腔體內氣流的置換率，軟烘熱盤不同進氣量與排氣量變化組合，為了達到spec CD 標準，熱敏BARC 光刻膠的顯影工藝消耗時長，呈現先增長后下降再趨于平穩的變化，其最優條件為：軟烘熱盤排氣量范圍在150～200 Pa，顯影消耗時長40～50 s。

3 結論

BARC（Bottom Anti-reflective Coating）即底部抗反射涂層，是一種能夠有效預防和消除光反射形成的駐波效應的抗反射層材料。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，具有預防駐波效應的作用，還可以與其他PR 或PI 光刻膠配合進行顯影工藝。根據實驗發現，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間長短，軟烘熱盤的腔體中的氣流場變化，即腔體內氣流的置換率的改變，軟烘熱盤的進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，經過顯影工藝后形成特殊的微觀結構圖形。這類熱敏BARC 光刻膠主要應用于AR（Augmented Reality 增強現實技術）、VR（Virtual Reality 虛擬現實）、LENSE 等高精尖技術器件制造方面，是一種前沿技術領域不可或缺的工藝需求材料。這使得半導體微電子工藝更進一步發展，同時，也更進一步推動了半導體設備的國產化發展，具有很高的技術價值和商業前景。