關于解決晶背污染的方法研究

孫洪君，關 麗，張德強，邢 栗，李慶斌

（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。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。隨著半導體技術的發展，圖形化制程工藝的精度大大提高，不僅晶面的制程技術逐漸純熟，晶背圖形化制程工藝也在逐步發展。因此，晶背的潔凈度也十分重要，對于晶背污染的控制也逐漸受到大家的重視。

隨著集成電路制程工藝的高速發展，控制晶背污染勢在必行，原因有兩方面：一方面是晶圓背部污染，有可能造成設備的宕機風險，例如晶背存在顆粒污染，使得真空吸附失敗，造成真空道堵塞，從而導致碎片；另一方面是晶背圖形化制程工藝的逐步發展，晶背的圖形化工藝與晶面圖形化工藝類似，所以要求上也幾近相同，若工藝過程中產生膠絲，使得晶背沾污，那么容易造成其他工藝單元的污染，導致圖形化工藝失效，影響后續制程工藝。因此，對于晶背污染的控制具有十分重要意義。

晶背污染，即圓背部被光刻膠沾污，主要發生在后道的圖形化工藝過程中，產生的原因主要與光刻膠的特性有關：一種是光刻膠黏度值比較大，在旋涂過程中，在晶圓邊緣由于旋轉線速度過大，容易產生膠絲，沾染晶背；還有一種是光刻膠特別容易揮發，在光刻膠攤開鋪滿整個晶圓的過程中，自然揮發產生大量霧狀顆粒，隨后慢慢凝聚產生膠絲，從而污染整個晶背。上述兩種是較為常見的晶背污染根源的產生方式，根據這兩種晶背污染的產生方式，本文提出了以下兩種解決晶背污染的實用辦法，適用于大多數勻膠顯影工藝生產過程中產生圓背部被光刻膠污染的情況，以供大家參考和解決問題。對于第一種晶背污染的產生，一般采取在旋涂過程中，增加晶背清洗（BSR）和晶圓邊緣清洗（EBR），兩種清洗疊加的方式，來消除晶圓背部被光刻膠沾污的問題。這種方法采用的是相似相溶的原理，通常情況下，BSR和EBR溶液使用的是與RRC相同的溶劑，能夠有效的消除晶圓邊緣及晶背上殘留的多余光刻膠。對于第二種晶背污染，采取的解決方式有兩種，一種是在BSR和EBR疊加的基礎上，增大腔體內的排風，作用是讓腔體環境內的污染顆粒更快的抽出，清空環境污染；另一種是在BSR和EBR疊加的基礎上，增加與晶圓真空吸盤等尺寸大小的氮氣環。氮氣環的作用是在晶圓真空吸盤接觸到晶背的部分，形成氣體保護屏障，防止污染顆粒進入，同時改變晶背空間形成的風流場，在排風的配合下，保證腔體環境的清潔干凈。這兩種方法是在上一種方法的相似相溶的原理的基礎上，改變了腔體內的氣流環境，即晶圓工藝時，改變了晶圓旋轉時背部空間的風流場。這兩種動作疊加在一起，對顆粒類的晶背污染，更加有效果。經過工藝實驗驗證，上述兩種方式，都能快速有效地解決圓背部被光刻膠沾污的問題。目前，這兩種解決圓背部被光刻膠沾污的方法已經被廣泛的應用到實際工藝生產當中。

1 實驗及測量

上述提出的兩種解決晶背污染的實用辦法，適用于大多數勻膠顯影工藝生產過程中產生晶圓背部被光刻膠污染的情況。由于這兩種方法的目的及結果相似，所以，我們以第一種晶背污染產生方式為例：光刻膠黏度值比較大，在旋涂過程中，在晶圓邊緣容易產生膠絲，沾染晶圓背部。其解決方法：采用相似相溶的原理，使用BSR和EBR兩種清洗疊加的方式為例，詳細闡述其基本實驗過程。

本實驗采用KSM勻膠-顯影設備，進行圖形化勻膠工藝步驟，完成后，采用宏觀觀測OM設備、微觀檢測AOI設備等，檢驗驗證實驗結果。晶圓一次圖形化勻膠工藝實驗，基本流程如下：

1）檢查設備勻膠腔環境狀況，如排風、溫濕度、機械部件運動情況等，確認是否正常；

2）將待涂膠晶圓進行表面清洗烘干，然后增粘劑涂底，接著將待涂膠晶圓送入勻膠單元，使用機器手把晶圓放到吸盤上，準備開始光刻膠涂覆，噴涂光刻膠的機械手臂，水平移動至所述晶圓中心正對位置，吸盤以較低的速度開始旋轉，噴淋頭吐出一定量的光刻膠；

3）光刻膠噴涂結束后，進行甩膠，以一個比滴膠轉速高的旋轉速度，將一定量的光刻膠快速甩開，平鋪滿至整個晶圓表面，然后再以另一轉速，旋轉20～30 s形成具有一定厚度的穩定薄膜，勻膠工藝完成；

4）經過軟烘、冷卻、回盒，一片晶圓完成整個圖形化勻膠工藝流程。

根據實驗結果以及經驗分析，晶背污染會在第3）步形成，所以消除晶圓背部被光刻膠污染的實驗改善措施，主要針對第3）步。將涂覆工藝完成后的晶圓，放置到宏觀觀測OM設備、微觀檢測AOI設備的測試平臺上，進行晶背潔凈度檢測，拍照并保存記錄。

實驗預計，使用上述工藝流程，分別進行兩組不同的實驗，分別做n片。

1）同一光刻膠，達到同一光刻膠薄膜厚度的情況下，在勻膠工藝第3）步過程中，不開BSR和EBR時，使用宏觀觀測OM設備、微觀檢測AOI設備，檢測晶圓背部被光刻膠污染的程度及范圍，拍照并記錄數據；

2）同一光刻膠，達到同一光阻薄膜厚度的情況下，在勻膠工藝第3）步過程中，開BSR和EBR時，使用宏觀觀測OM設備、微觀檢測AOI設備，檢測晶圓背部被光刻膠污染的程度及范圍，拍照并記錄數據，拍照并記錄數據。

2 實驗結果與討論

本文將按照常見的晶背污染產生的兩種主要原因，做實驗分析與討論。由于版權及專利限制，硬件調整不做過多的詳細描述。

本次實驗1中，所用光刻膠為某PR1光刻膠，光刻膠黏度為10 000～15 000 cps，目標薄膜厚度為20～50μm，其特性為微黃透明光刻膠，不易揮發，但黏度較大，容易產生膠絲背污。根據上述晶圓一次圖形化勻膠工藝實驗的基本流程，將本次實驗分為以下兩個方向進行：

在勻膠工藝第3）步過程中，全程不開BSR和EBR，做n片實驗；在勻膠工藝第3）步過程中，全程開BSR，清洗范圍從晶圓真空吸盤邊緣至晶圓邊緣，且在光刻膠形成穩定薄膜后，開啟EBR，橫切寬度約2～5 mm，做n片實驗。上述完成實驗的n片晶圓，使用宏觀觀測OM設備、微觀檢測AOI設備，檢測晶圓背部被光刻膠污染的程度及范圍，拍照并記錄數據。

實驗1結果顯示，在勻膠工藝第3）步過程中，全程不開BSR和EBR，OM設備檢測觀察到，晶圓背部被光刻膠污染的程度較為嚴重，范圍在距離晶圓邊緣10～100 mm；全程開BSR，且在光刻膠形成穩定薄膜時，開啟EBR，橫切寬度約2～5 mm，OM設備檢測觀察到，晶背沒有宏觀可見光刻膠沾污；微觀AOI設備檢測，結果晶圓背部也沒有光刻膠沾污痕跡。

本次實驗2中，所用光刻膠為某PR2光刻膠，光刻膠黏度為500～800 cps，目標薄膜厚度為10～20μm，其特性為微橙透明光刻膠，易揮發，容易產生白色顆粒及“棉花糖”式膠絲背污。根據上述晶圓一次圖形化勻膠工藝實驗的基本流程，將本次實驗分為以下兩個方向進行：在勻膠工藝第3）步過程中，全程不開BSR和EBR，做n片實驗；在勻膠工藝第3）步過程中，全程開BSR，清洗范圍從chuck邊緣至晶圓邊緣，且在光刻膠形成穩定薄膜時，開啟EBR，橫切寬度約1～3 mm，同時增加與晶圓真空吸盤等尺寸大小的氮氣環，氮氣流量約25～50 L/min，做n片實驗。上述完成實驗的n片晶圓，使用宏觀觀測OM設備、微觀檢測AOI設備，檢測晶圓背部被光刻膠污染的程度及范圍，拍照并記錄數據。

實驗2結果顯示，在勻膠工藝第3）步過程中，全程不開BSR和EBR，OM設備檢測觀察到，晶圓背部被光刻膠污染的程度較為嚴重，LED強光掃視存在明顯白色顆粒環污染，范圍在距離晶圓邊緣80～95 mm，同時在距離晶圓邊緣10～150 mm范圍，存在明顯的“棉花糖”式膠絲沾污；全程開BSR，且在光刻膠形成穩定薄膜后，開啟EBR，橫切寬度約1～3 mm，同時增加氮氣流量約25～50 L/min的氮氣環，OM設備檢測觀察到，晶背沒有宏觀可見沾污，LED強光掃視也沒有白色顆粒；微觀AOI設備檢測，結果晶圓背部也沒有光刻膠沾污痕跡。

從實驗結果來看，這兩種方法，都能快速有效地解決圖形化工藝制程中晶圓背部被光刻膠沾污的問題。上述兩種方法，適用于大多數勻膠顯影工藝生產過程中產生晶背污染的情況。目前，已經在設備客戶現場得到了廣泛應用，而且利用上述兩種工藝方法，使得晶背的圖形化制程工藝結果更加優秀。

3 結論

隨著圖形化工藝制程的快速發展，晶背污染控制具有十分重要的意義。晶背污染產生的根源在于光刻膠的特性為黏度值大、易揮發等。根據光刻膠特性，本文提出了以下兩種解決晶背污染的實用辦法，適用于大多數勻膠顯影工藝生產過程中產生晶圓背部被光刻膠污染的情況。第一種采用相似相溶的原理，使用BSR和EBR兩種清洗疊加的方式，能夠有效的消除由于光刻膠黏度值比較大，在旋涂過程中，晶圓邊緣及晶背上殘留的多余光刻膠，產生膠絲，沾染晶背的情況。第二種是在第一種相似相溶的原理的基礎上，加大排風或增加與晶圓真空吸盤等尺寸大小的氮氣環。這種方法的原理是，改變了腔體內的氣流環境，即晶圓勻膠工藝時，改變了晶圓旋轉時背部空間的風流場。兩種動作疊加在一起，對特別容易揮發，并揮發過程中產生大量霧狀顆粒，隨后慢慢凝聚產生膠絲的這種顆粒類的晶背污染，更加有效果。本文提出的上述兩種解決晶背污染的實用辦法，適用于大多數勻膠顯影工藝生產過程中產生晶圓背部被光刻膠污染的情況，經過工藝實驗驗證，都能快速有效地解決晶圓背部被光刻膠污染的問題。目前，這兩種解決圓背部被光刻膠沾污的方法已經被廣泛地應用到實際工藝生產當中。