track光刻膠顯影工藝.doc

1、TRACK工藝簡(jiǎn)介潘川 2002/1/28摘要本文簡(jiǎn)要介紹關(guān)于涂膠、顯影工藝的一些相關(guān)內(nèi)容。引言超大規(guī)模IC對(duì)光刻有五個(gè)基本要求，即：高分辨率、高靈敏度、精密的套刻 對(duì)準(zhǔn)、低缺陷和大尺寸上的加工問(wèn)題（如溫度變化引起晶圓的脹縮等）。這五個(gè) 基本要求中，高分辨率、高靈敏度和低缺陷與涂膠、顯影工藝有很密切的關(guān)系。第一節(jié)涂膠工藝1 光刻膠光刻膠主要由樹(shù)脂（Resin）、感光劑（Sensitizer）及溶劑（Solvent）等不 同材料混合而成的，其中樹(shù)脂是粘合劑（ Binder）,感光劑是一種光活性 （Photoactivity）極強(qiáng)的化合物，它在光刻膠內(nèi)的含量和樹(shù)脂相當(dāng)，兩者同時(shí)溶解 在溶劑中，以液

2、態(tài)形式保存。除了以上三種主要成分以外，光刻膠還包含一些 其它的添加劑（如穩(wěn)定劑，染色劑，表面活性劑）。光刻膠分為正膠和負(fù)膠。負(fù)膠在曝光后會(huì)產(chǎn)生交聯(lián)（Cross Linking）反應(yīng)，使其結(jié)構(gòu)加強(qiáng)而不溶解于顯影液。正膠曝光后會(huì)產(chǎn)生分解反應(yīng),被分解的分子在顯影液中很容易被溶解，從而與未曝光部分形成很強(qiáng)的反差。因負(fù)膠經(jīng)曝光后，顯影 液會(huì)浸入已交聯(lián)的負(fù)性光刻膠分子內(nèi)，使膠體積增加，導(dǎo)致顯影后光刻膠圖形和掩 膜版上圖形誤差增加，故負(fù)膠一般不用于特征尺寸小于的制造。典型的正膠材料是 鄰位醍疊氮基化合物，常用的負(fù)膠材料是聚乙稀醇肉桂酸酯。CSMC-HJ用的是正 性光刻膠。在相同的光刻膠膜厚和曝光能量相同時(shí)，

3、不同光刻膠的感光效果不同。在一定的曝光波長(zhǎng)范圍內(nèi),能量低而感光好的膠稱為靈敏度，反之則認(rèn)為不靈敏。我們希望在能滿足光刻工藝要求的情況下，靈敏度越大越好，這樣可減少曝光時(shí)間，從 而提高產(chǎn)量。2 涂股涂膠是在結(jié)凈干燥的圓片表面均勻的涂一層光刻膠。常用的方法是把膠滴在 圓片上，然后使圓片高速旋轉(zhuǎn)，液態(tài)膠在旋轉(zhuǎn)中因離心力的作用由軸心沿徑向飛 濺出去，受附著力的作用，一部分光刻膠會(huì)留在圓片表面。在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中膠中所 含溶劑不斷揮發(fā)，故可得到一層分布均勻的膠膜。涂膠過(guò)程有以下幾個(gè)步驟：1.1 涂膠前處理（Priming）：要使光刻膠精確地轉(zhuǎn)移淹膜版上的圖形，光刻膠與圓片之間必須要有 良好的粘附。在涂膠之前，

4、常采用烘烤并用 HMDS （六甲基二硅胺）處理 的方法來(lái)提高附著能力。因圓片表面通常含有來(lái)自空氣中的水分子，在涂膠之前，通常將圓片 進(jìn)行去水烘烤以蒸除水分子。我們一般采用100C/5s.經(jīng)過(guò)烘烤的片子，涂 一層增粘劑HMDS。涂HMDS的方法通常有兩種，一種是旋轉(zhuǎn)涂布法，這種方法的原理同光 刻膠的涂布方法。另一種是汽相涂底法（Vapor Priming），是將氣態(tài)的 HMDS在圓片表面形成一層薄膜。汽相涂底法效率高，受顆粒影響小，目前生產(chǎn)中大多采用此法，并與去水烘烤在同一容器中完成。CSMC-HJ的HMDS處理工藝為100/55so確認(rèn)HMDS的效果用接觸角計(jì)測(cè)量，一般要求大于65度.前處理須

5、注意來(lái)片襯底必須是干凈和干燥的，HMDS處理后應(yīng)及時(shí)涂 膠，HMDS處理不能過(guò)度，安全使用HMDS1.2 涂膠（COATING）：涂膠主要控制膠厚及膠厚的均勻性。膠厚主要與光刻膠的粘度和涂膠時(shí)的轉(zhuǎn)速有關(guān)。一般較薄的膠（左右 厚度/400。轉(zhuǎn)速）其粘度在24cp左右，而較厚的膠（左右厚度/4000轉(zhuǎn)速） 其粘度在48cp左右。對(duì)于同一種光刻膠，其膜厚主要受涂膠時(shí)的轉(zhuǎn)速影響，轉(zhuǎn)速越大，膠厚越薄，一般工藝上常用MOTOR轉(zhuǎn)速在3000到5500之 間，這時(shí)膜厚的穩(wěn)定性較好。影響膜厚均勻性的因素主要有：環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、排風(fēng)凈壓力、光 刻膠溫度、旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的精度和重復(fù)性、預(yù)旋轉(zhuǎn)速度、預(yù)旋轉(zhuǎn)時(shí)間、最終旋

6、 轉(zhuǎn)速度、最終旋轉(zhuǎn)時(shí)間和最終旋轉(zhuǎn)加速度、噴膠狀況和回吸量等因素。環(huán)境溫度的變化大大影響了圓片表面的涂膠均勻性，如圖（一） 所示。將環(huán)境溫度設(shè)定于攝氏23度，當(dāng)環(huán)境溫度變化而其 它條件基本不變時(shí)，溶劑的揮發(fā)隨溫度的升高而加快。環(huán)境溫度一旦超過(guò)23度就會(huì) 引起圓片邊緣的膜厚的增 長(zhǎng)，從而影響圓片表面涂膠 的均勻性，另外，當(dāng)環(huán)境溫度低于23度時(shí)，由于溶劑的揮發(fā)相對(duì)比較慢，膠的流動(dòng)性稍好。因此膜 厚在圓片半徑中間減少，在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，溶劑也在不停地?fù)]發(fā)，造成中 間比邊緣的粘性要小，因此，無(wú)論在何種溫度下，邊緣的膠厚都會(huì)有所增 長(zhǎng)。環(huán)境濕度的變化也影響了圓片表面的涂覆均勻性，如圖（二）所示。在其它條件基

7、本恒定的情況下，溶劑的揮發(fā)隨著環(huán)境濕度的降低而加99OQ-快，平均膜厚對(duì)濕度的變化是：每1%的濕度降低會(huì)引起9%的膜厚增長(zhǎng)；旋 轉(zhuǎn)腔周?chē)諝獾母稍镆?圓片邊緣的溶劑揮發(fā)加快， 從而影響了圓片表面的膜厚 均勻性。另一方面當(dāng)環(huán)境濕 度小于40%時(shí)，溶劑的揮發(fā) 被抑制，會(huì)出現(xiàn)圓片中心比 邊緣厚的不均勻現(xiàn)象。一般情況下，環(huán)境濕度對(duì)圓片表面涂膠均勻性影響遠(yuǎn)不如環(huán)境溫度那么強(qiáng)烈。排風(fēng)靜壓力的變化大大影響了圓片表面的涂膠均勻性，如圖（三）所zj o隨著排風(fēng)風(fēng)速（靜壓力）的增長(zhǎng)，腔內(nèi)不均勻的蒸氣濃度造成圓片中心和邊緣之間失去平衡，從而影響圓片表面的涂膠均勻性，根據(jù)估算的結(jié)果告訴我們，對(duì)于被測(cè)試的旋 轉(zhuǎn)涂膠機(jī)

8、，5mmAq的排風(fēng)靜 壓力是最合適的。光刻膠溫度自環(huán)境溫度 的升高影響了圓片表面的涂 膠均勻性，如圖（四）所示。隨著光刻膠溫度的升高， 使溶劑揮發(fā)加快，引起光刻膠 流動(dòng)性降低，膜厚增加，特別在圓片中心較熱的膠滴使其表面溫度升高，那么圓片中心的膜厚遠(yuǎn)大于邊 緣的膜厚，使圓片表面膠厚不均勻。當(dāng)然，這一個(gè)光刻膠溫度升高依賴于 其它參數(shù)（環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、旋轉(zhuǎn)速度等），在一些情況下，圓片表面涂膠均勻性可能在光刻膠 溫度稍高于環(huán)境溫度下得以 改善。旋轉(zhuǎn)時(shí)間、旋轉(zhuǎn)速度、旋 轉(zhuǎn)滴膠量等如圖（五）、旋轉(zhuǎn)時(shí)間、旋轉(zhuǎn)速度、滴膠量這些參數(shù)在達(dá)到某一數(shù)值之后，對(duì)膠厚均勻性的影響基本不變。N S C 的 膜 厚 極

9、差（六）、（七）所示。這些 因素也會(huì)影響表面涂膠的均 勻性，而這些因素與旋轉(zhuǎn)涂 膠機(jī)的設(shè)置有關(guān)，其影響的 程度在旋轉(zhuǎn)涂膠機(jī)的設(shè)置中 應(yīng)加以考慮。般小于80,。小于20, SVG因其設(shè)備設(shè)計(jì)的原因，其極差和標(biāo)準(zhǔn)偏差（約35）都較DNSC大。1.3 膜厚的選擇當(dāng)曝光量一定時(shí)，條寬大小和光刻膠膜厚呈周期性的波動(dòng)狀態(tài)，即我們常說(shuō)的SWING CURVE,如下圖所示:MIR701 thick vers ion swing curveThickncss(A)圖一、MIR701 (厚型)的 SWING CURVE在確定光刻膠的膜厚時(shí)，我們一般選擇SWING CURVE中波谷所對(duì)應(yīng)的 膜厚，以使條寬隨膜厚的變

10、化值為最?。ú贿x波峰的原因是為了避免因膜厚 的變化而出現(xiàn)欠曝光的現(xiàn)象）。在考慮膜厚時(shí)，還必須考慮該膜厚的抗 腐蝕效果，右圖是MIR701用于HOTM1（+ 350ATIN結(jié)構(gòu)）時(shí)，膠厚（18000A）較 少而使腐蝕后臺(tái)階上AL上膠呈三角形，此 時(shí)抗腐蝕處于臨界狀態(tài)，易出現(xiàn)AL過(guò)腐蝕， 引起高臺(tái)階處斷AL。為避免此問(wèn)題，我們將 膜厚順延了一個(gè)周期采用19000A膜厚。1.4 前烘(SOFT BAKE)曝光前烘也稱為軟烘（SB:SOFTBAKE）是使光刻膠中的溶劑揮發(fā),SB的關(guān)鍵是控制溫從而使膠層成為固態(tài)的薄膜，并使光刻膠與圓片表面粘附力增強(qiáng)的工序。光刻膠中溶劑的含量會(huì)影響曝光的精度和顯影的選擇比

11、。度和時(shí)間。溫度太低，膠中溶劑揮發(fā)時(shí)間加長(zhǎng)，影響產(chǎn)出；溫度過(guò)高，膠表 層溶劑揮發(fā)比內(nèi)部快，會(huì)使膠表面粗糙。進(jìn)行SB的方式主要有三種：1）利用熱空氣對(duì)流；2）利用紅外線輻 射；及3）利用熱板的傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)方式是將圓片放在熱板上（一般采用接近 式，圓片離熱板約2cm）,光刻膠被來(lái)自熱板的能量加溫，因此，膠內(nèi)部獲 得的能量比表面高，促使內(nèi)部溶劑往表面移動(dòng)而離開(kāi)光刻膠。這種方法可 避免前述表面溶劑揮發(fā)太快所導(dǎo)致的問(wèn)題，且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，所以在生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。SB常用工藝溫度為90-120C之間，時(shí)間約60s。SB之后, 內(nèi)部溶劑含量約5%-20%,膠厚約減少10%-20%.第二節(jié)顯影工藝簡(jiǎn)單地講，顯影就是去

12、處已曝光光刻膠的工藝過(guò)程。為了避免光刻膠因其他可能的副反應(yīng)而改變其化學(xué)結(jié)構(gòu), 下：曝光后應(yīng)盡快進(jìn)行顯影。顯影的主要步驟如1、 曝光后烘(PEB： POST EXPOSURE BAKE)PEB即曝光后烘，可以有效降低駐波效應(yīng)的影響。曝光時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一種駐波現(xiàn)象(STANDING WAVE)。由于入射光與反射 光產(chǎn)生干涉，使沿膠厚方向的光強(qiáng)形成波峰和波谷，從而產(chǎn)生駐波。左圖：無(wú)PEB 右圖：PEB之后駐波效應(yīng)會(huì)影響對(duì)光刻的分辯率和CD控制。降低或消除駐波效應(yīng)常采用的幾種方法為：PEB,如上兩圖所示。用 帶染色劑(dye)的光刻膠。采用多層光刻膠技術(shù)。加抗反射層：用有機(jī)(TARC和BARC)或無(wú)機(jī)材料

13、(SION)PEB溫度一般在110到120度，時(shí)間在1到2分鐘。PEB溫度一般比軟 烘高15-20度。2、 冷卻PEB之后,WAFER須冷卻，使WAFER的溫度同顯影液溫度一致(23 )。 常用工藝條件為23/45s。3、 顯影WAFER進(jìn)冷卻后，進(jìn)入顯影腔體，經(jīng)過(guò)溫度為23的顯影液處理約60s 左右，將已曝過(guò)光的那部分光刻膠顯現(xiàn)出來(lái)。嚴(yán)格地說(shuō),曝過(guò)光和未曝過(guò)光的光刻膠在顯影液中都不同程度地被溶解。為了得到好的顯影圖象，希望溶解速率差越大越好，即所謂的反差越 大越好。顯影的方法主要有三種：浸潤(rùn)顯影(IMMESESEION),噴霧顯影(SPRAY)和靜態(tài)顯影(PUDDLE) o我們目前用PUDDLE的方式。影響顯影的因素主要有：顯影液的成分、溫度；環(huán)境溫度和濕度；顯影 液量；顯影方式和顯影程序。4、 堅(jiān)膜堅(jiān)膜又稱硬烘(HB HARDBAKE)。光刻膠顯影后留下的圖形，是作為后步 工序?qū)AFER進(jìn)行加工的