關于光刻膠涂膠中球狀缺陷的研究

孫會權，王延明，楊 悅，韓 禹

（沈陽芯源微電子設備股份有限公司 遼寧 沈陽 110000）

0 引言

在整個光刻工序中，需要用到很多種不同類型的光刻膠，包括底部抗反射涂層（bottom anti-reflection coating，BARC）類、頂部抗反射涂層（top anti-reflection coating，TARC）類以及光刻膠（photoresist，PR）［1－2］；不同的光刻膠具有不同的化學特性，例如某些光刻膠具有極強的揮發性，它們在涂膠過程中很容易產生球狀缺陷，導致涂膠不良，影響顯影結果，進而影響產品的良率。本文選用了兩種高揮發性光刻膠，對涂膠過程中球狀缺陷的產生過程進行了研究，并針對不同的原因提出不同的解決辦法。

1 涂膠的過程與實驗平臺介紹

1.1 涂膠的工藝流程

涂膠工藝流程如下：首先在晶圓上進行六甲基二硅胺（hexamethyl disiloxane，HMDS）的涂布，由于晶圓表面呈親水性，直接涂布光刻膠會造成光刻膠與晶圓黏附性差，在后續顯影過程中容易出現PR 塌陷的現象［3］，HMDS 可以改變晶圓表面性質，將親水性改變為疏水性，提高光刻膠與晶圓的黏附性；HMDS 涂布腔體為高溫環境，故涂布結束后需將晶圓冷卻，然后進行光刻膠的涂覆，以旋轉涂膠的方式將光刻膠涂覆均勻，經過熱板進行軟烘，使光刻膠中的溶劑揮發，起到固化的作用，最后再經過冷卻，涂膠完成［4］。

1.2 實驗平臺與檢測儀器介紹

本文實驗采用沈陽芯源公司自主研發的TRACK 機臺，該機型可完成涂膠與顯影工藝。

實驗采用如下檢測儀器進行量測：①顆粒檢測儀，用于檢測環境中的顆粒變化情況。②顆粒掃描儀，用于檢測晶圓表面顆粒增加情況。③成分分析儀器，用于分析晶圓表面新增加顆粒成分，判斷新增顆粒是否為球狀缺陷。

2 球狀缺陷的成因

2.1 球狀缺陷的成因分析

在光刻膠涂膠整個過程中，主要工藝影響腔體為HMDS 涂布腔體、旋轉涂膠腔體以及熱板烘烤腔體；冷板主要起到冷卻作用，將晶圓控制在工藝要求溫度范圍內，故對球狀缺陷影響不大，而HMDS 涂布在光刻膠涂膠之前，也對球狀缺陷的影響不大［5］。所以，球狀缺陷主要成因來自旋轉涂膠腔體以及熱板烘烤腔體。

首先，由于涂膠方式為旋轉涂膠，晶圓在一個很高的轉速下旋轉將光刻膠攤開，由于光刻膠揮發性較強，在較高的轉速下，會伴隨著光刻膠的揮發，如果此時揮發物未被及時排走，就容易回落至晶圓表面，形成球狀缺陷；其次，在涂膠結束后進行軟烘，光刻膠中的溶劑在高溫下加熱烘烤時會迅速揮發，產生大量的揮發物，如果過程中揮發物沒有被及時排走，也很容易回落至晶圓表面，形成球狀缺陷。

下面將采用兩款不同黏度且揮發性均較高的光刻膠分別進行實驗，驗證球狀缺陷形成的步驟與時間，并找到合理的解決辦法。

2.2 球狀缺陷形成驗證

在涂膠完成后，球狀缺陷可以采用顆粒掃描儀進行涂膠之后晶圓表面增加顆粒數測量，新增加的顆粒分為以下三種情況：①為機臺環境中的顆粒落在晶圓上；②為光刻膠管路自身帶來的顆粒；③為涂膠過程中產生的球狀缺陷。通過成分分析儀可以看到新增加顆粒的形貌與成分。圖1 為涂膠之后顆粒掃描儀檢測的結果圖，將部分新增加顆粒通過分析儀觀察形貌并分析成分，結果顯示，新增加顆粒形貌為球狀，成分為C、O 元素，可證明該球狀缺陷為球狀缺陷［6］。如圖2 所示。

圖1 顆粒掃描儀結果

驗證球狀缺陷形成的步驟與時間，采用顆粒檢測儀實時采集工藝單元周邊粒子變化情況，若工藝過程中揮發出來的顆粒未被及時抽走，則會溢出至周圍環境中，顆粒檢測儀會以顆粒的形式捕捉到。

采用光刻膠1 和光刻膠2 兩種光刻膠進行涂膠實驗：

（1）在一個涂膠腔體進行涂膠，測試該腔體周圍的粒子變化情況，同時在相鄰腔體分別放置晶圓做靜置實驗，測試周圍單元是否會被揮發出來的顆粒影響。

（2）在整個烘烤過程中監測熱板單元周圍環境粒子變化情況。

（3）對晶圓進行顆粒掃描儀測試，并用成分分析儀觀察形貌，確定成分。

結果顯示：光刻膠1 在涂膠過程中，在涂膠配方主要控制成膜厚度步驟前，存在一段短時間的高轉速（轉速＞2 000 r/min）。在該步驟時，腔體周圍粒子數量迅速增加，瞬時可達數十萬顆，其余時間數量無明顯變化；而在熱板中烘烤時，當盤蓋升起的那一瞬間，熱板周圍環境粒子數量會增加約幾千顆，其余時間無明顯變化；顆粒增加數量級明顯小于涂膠過程。可見造成光刻膠1 球狀缺陷的主要原因在于涂膠步驟，烘烤過程中也會有影響，但遠小于涂膠所帶來的顆粒揮發。

顆粒掃描儀測試結果顯示，實驗相鄰腔體所靜置的晶圓，均有數十顆以及上百顆的粒子增加，缺陷結果為球狀，且成分為C、O 元素，故新增加顆粒為球狀缺陷，可見光刻膠1 在涂膠過程中，產生的球狀缺陷還會影響到相鄰單元。

光刻膠2 在涂膠過程中，腔體周圍粒子數量無明顯變化；在熱板中烘烤時，腔體周圍粒子數量無明顯變化；而在熱板烘烤結束、盤蓋升起的那一瞬間，熱板周圍環境粒子數量有百萬以上增加，此后隨著時間的增加顆粒數量會逐漸減少。可見造成光刻膠2 球狀缺陷的主要原因在于烘烤，烘烤過程中揮發物未被及時排走，盤蓋開啟瞬間大量揮發物溢出，此時環境排風也未及時排走溢出揮發物，導致揮發物回落至晶圓表面，形成球狀缺陷。

顆粒檢測儀測試結果顯示，相鄰腔體所靜置的晶圓無明顯粒子增加，可見光刻膠在涂膠過程中不會有揮發物溢出從而影響到相鄰單元。

3 球狀缺陷的控制

確定了球狀缺陷的形成步驟與時間后，尋求進一步解決該問題的方案。球狀缺陷產生的根本原因就是在揮發物大量溢出時，沒有被及時排走。那么如果在揮發物溢出時，通過合理的涂膠配方優化以及供排風的參數優化，理論上就可以控制或解決球狀缺陷。

3.1 涂膠過程中產生球狀缺陷的控制

對于光刻膠1，球狀缺陷產生的步驟在于在涂膠過程中高轉速下，揮發物迅速產生、沒有被及時排走而溢出，有兩種方案進行控制：第一，降低高甩步驟的轉速，降低揮發量，在原有腔體排風基礎上，揮發物可被及時抽走；第二，加大CUP 排風，使揮發物及時被抽走。下面將分別對兩種方法進行實驗。

（1）降低高甩轉速。將大于2 000 r/min（2 000～3 400 r/min）的高轉速依次降低至2 000 r/min 以下，分別測試腔體周圍粒子變化情況。

當轉速降至2 000 ～2 500 r/min 時，粒子數量可明顯降低，當轉速降至2 000 r/min 以下時，腔體周圍粒子基本沒有增加，顆粒掃描儀測試結果顆粒數量也符合要求，可見，降低高轉速可有效解決該光刻膠球狀缺陷問題。但對于轉速的改變會引起膜厚變化的情況，可根據實際情況進行轉速調整。

（2）增加CUP 排風。在前道半導體領域，TRACK 涂膠單元排風通常分為單元排風（低排風）與CUP 排風（高排風），腔體默認環境下，CUP 一直處于低排環境中，在涂膠配方中可根據需要開啟高排風。為了膜厚的穩定性，通常在涂膠動作開始時開啟高排，在回流步驟之后關閉。對于CUP 排風，低排與高排的硬件參數基本是固定的，因為在同一機臺上不可能只進行一款光刻膠的工藝，改變整體排風參數，勢必會影響其他光刻膠工藝。因此，可以針對高轉速步驟，通過配方優化嘗試解決該問題。通常在配方中的該步驟高轉速時，高排風已經關閉；若在高轉速的同時開啟高排風，高轉速結束時關閉，必定會對揮發物的溢出有所改善。

對以上方法進行驗證：修改涂膠配方，在高甩步驟開啟高排風，并采用該配方進行涂膠測試。結果表示，在高轉速步驟時腔體周圍粒子數量基本沒有增加，顆粒掃描儀測試結果顯示涂膠之后晶圓表面增加顆料數量也符合要求。可見，在高轉速步驟開啟高排風可有效解決該光刻膠球狀缺陷問題。

3.2 軟烘過程中產生球狀缺陷的控制

對于光刻膠2，球狀缺陷產生的步驟在于軟烘結束后，盤蓋打開瞬間揮發物溢出并且沒有被及時排走，回落至晶圓表面。熱板腔體的排風，分為盤蓋排風和環境排風兩種，假設盤蓋排風足夠大，在烘烤時可以將揮發物全部排走，在開蓋瞬間也不會有揮發物溢出；若盤蓋排風有限，盤蓋開啟后存在揮發物溢出，但熱板環境排風足夠大，也可及時將揮發物排走。下面將進行兩方面的實驗：

（1）增加盤蓋排風：對于該類型光刻膠，通常盤蓋排風的設定值為30～70 Pa，因排風數值對膜厚有很大影響，故不能一味地加大，在有限的范圍內，將盤蓋排風的設定值增加至80～100 Pa 進行測試，結果在盤蓋打開瞬間熱板周圍粒子數量仍然為百萬級，在有限范圍內增加盤蓋排風無改善。

（2）增加環境排風：環境排風設定值為30 ～60 Pa，將環境排風設定值增大至70～200 Pa 進行測試，結果在盤蓋打開瞬間熱板周圍粒子數量有所下降，降低至幾十萬顆。可見增加熱板環境排風可以將揮發物在溢出后排走一部分，但由于硬件結構原因與廠務能力有限，無法繼續提升環境排風。

通過以上實驗可以證實，在原有熱板結構基礎上且不影響工藝指標的前提下，無法完全解決球狀缺陷問題。下面將通過對熱板單元結構改造，設計新結構，增加熱板盤體內排風能力，控制揮發物溢出。

原有熱板結構為加熱盤體與盤蓋為分體式，盤蓋中心連接排風管路，熱板烘烤結束后盤蓋升起，如圖3 所示。新結構考慮取消分體式盤蓋，設計一體式盤體，從盤體一側排風，并增大排風管尺寸，增大排風能力，如圖4 所示。力求將揮發物及時排走，不會溢出至環境中。

圖3 原結構盤體示意圖

圖4 新結構盤體示意圖

采用新結構熱板，將熱板排風值設定為10 ～70 Pa，分別進行實驗。在進片口位置進行顆粒檢測數據采集，測試取片瞬間粒子增長數量。實驗結果為：當排風從10 Pa 升至80 Pa 時，進片口位置顆粒數量由百萬級降低至幾百顆，可見新結構熱板對于控制粒子溢出有明顯效果。如圖5 所示。

圖5 不同排風條件下，進片口位置揮發物溢出數量曲線圖

采用顆粒掃描儀對實驗晶圓進行測試，增加顆粒數在要求范圍內，所增加顆粒經分析不是球狀缺陷。可見，新結構熱板在有限的排風條件下，對揮發物的溢出與球狀缺陷的控制有明顯的效果［7－8］。

4 結語

綜上所述，針對球狀缺陷的產生，不同的光刻膠可能原因不同。在發現問題后，需確定球狀缺陷產生的過程與時間，根據實際情況與調整的難易程度，選擇相應的方法去控制其數量，減少缺陷，提高良率。