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1、TRACK工艺简介潘川 2002/1/28摘要本文简要介绍关于涂胶、显影工艺的一些相关内容。引言超大规模IC对光刻有五个基本要求,即:高分辨率、高灵敏度、精密的套刻对准、低缺陷和大尺寸上的加工问题(如温度变化引起晶圆的胀缩等)。这五个基本要求中,高分辨率、高灵敏度和低缺陷与涂胶、显影工艺有很密切的关系。第一节 涂胶工艺1 光刻胶光刻胶主要由树脂(Resin)、感光剂(Sensitizer)及溶剂(Solvent)等不同材料混合而成的,其中树脂是粘合剂(Binder), 感光剂是一种光活性(Photoactivity)极强的化合物,它在光刻胶内的含量和树脂相当,两者同时溶解在溶剂中,以液态形式保
2、存。除了以上三种主要成分以外,光刻胶还包含一些其它的添加剂(如稳定剂,染色剂,表面活性剂)。光刻胶分为正胶和负胶。负胶在曝光后会产生交联(Cross Linking)反应,使其结构加强而不溶解于显影液。正胶曝光后会产生分解反应,被分解的分子在显影液中很容易被溶解,从而与未曝光部分形成很强的反差。因负胶经曝光后,显影液会浸入已交联的负性光刻胶分子内,使胶体积增加,导致显影后光刻胶图形和掩膜版上图形误差增加,故负胶一般不用于特征尺寸小于0.3um的制造。典型的正胶材料是邻位醌叠氮基化合物,常用的负胶材料是聚乙稀醇肉桂酸酯。CSMC-HJ用的是正性光刻胶。在相同的光刻胶膜厚和曝光能量相同时,不同光刻
3、胶的感光效果不同。在一定的曝光波长范围内,能量低而感光好的胶称为灵敏度,反之则认为不灵敏。我们希望在能满足光刻工艺要求的情况下,灵敏度越大越好,这样可减少曝光时间,从而提高产量。2 涂胶涂胶是在结净干燥的圆片表面均匀的涂一层光刻胶。常用的方法是把胶滴在圆片上,然后使圆片高速旋转,液态胶在旋转中因离心力的作用由轴心沿径向飞溅出去,受附着力的作用,一部分光刻胶会留在圆片表面。在旋转过程中胶中所含溶剂不断挥发,故可得到一层分布均匀的胶膜。涂胶过程有以下几个步骤:1.1 涂胶前处理(Priming):要使光刻胶精确地转移淹膜版上的图形,光刻胶与圆片之间必须要有良好的粘附。在涂胶之前,常采用烘烤并用HM
4、DS(六甲基二硅胺)处理的方法来提高附着能力。因圆片表面通常含有来自空气中的水分子,在涂胶之前,通常将圆片进行去水烘烤以蒸除水分子。我们一般采用100/5s.经过烘烤的片子,涂一层增粘剂HMDS。涂HMDS的方法通常有两种,一种是旋转涂布法,这种方法的原理同光刻胶的涂布方法。另一种是汽相涂底法(Vapor Priming),是将气态的HMDS在圆片表面形成一层薄膜。汽相涂底法效率高,受颗粒影响小,目前生产中大多采用此法,并与去水烘烤在同一容器中完成。CSMC-HJ的HMDS处理工艺为100/55s。确认HMDS的效果用接触角计测量,一般要求大于65度.前处理须注意来片衬底必须是干净和干燥的,H
5、MDS处理后应及时涂胶,HMDS处理不能过度,安全使用HMDS1.2 涂胶(COATING):涂胶主要控制胶厚及胶厚的均匀性。胶厚主要与光刻胶的粘度和涂胶时的转速有关。一般较薄的胶(1.0um左右厚度/4000转速)其粘度在24CP左右,而较厚的胶(2.0um左右厚度/4000转速)其粘度在48CP左右。对于同一种光刻胶,其膜厚主要受涂胶时的转速影响,转速越大,胶厚越薄,一般工艺上常用MOTOR转速在3000到5500之间,这时膜厚的稳定性较好。影响膜厚均匀性的因素主要有:环境温度、环境湿度、排风净压力、光刻胶温度、旋转马达的精度和重复性、预旋转速度、预旋转时间、最终旋转速度、最终旋转时间和最
6、终旋转加速度、喷胶状况和回吸量等因素。环境温度的变化大大影响了圆片表面的涂胶均匀性,如图(一)所示。将环境温度设定于摄氏23度,当环境温度变化而其它条件基本不变时,溶剂的挥发随温度的升高而加快。环境温度一旦超过23度就会引起圆片边缘的膜厚的增长,从而影响圆片表面涂胶的均匀性,另外,当环境温度低于23度时,由于溶剂的挥发相对比较慢,胶的流动性稍好。因此膜厚在圆片半径中间减少,在旋转的过程中,溶剂也在不停地挥发,造成中间比边缘的粘性要小,因此,无论在何种温度下,边缘的胶厚都会有所增长。环境湿度的变化也影响了圆片表面的涂覆均匀性,如图(二)所示。在其它条件基本恒定的情况下,溶剂的挥发随着环境湿度的降
7、低而加快,平均膜厚对湿度的变化是:每1%的湿度降低会引起9%的膜厚增长;旋转腔周围空气的干燥引起圆片边缘的溶剂挥发加快,从而影响了圆片表面的膜厚均匀性。另一方面当环境湿度小于40%时,溶剂的挥发被抑制,会出现圆片中心比边缘厚的不均匀现象。一般情况下,环境湿度对圆片表面涂胶均匀性影响远不如环境温度那么强烈。排风静压力的变化大大影响了圆片表面的涂胶均匀性,如图(三)所示。随着排风风速(静压力)的增长,腔内不均匀的蒸气浓度造成圆片中心和边缘之间失去平衡,从而影响圆片表面的涂胶均匀性,根据估算的结果告诉我们,对于被测试的旋转涂胶机,5mmAq的排风静压力是最合适的。光刻胶温度自环境温度的升高影响了圆片
8、表面的涂胶均匀性,如图(四)所示。随着光刻胶温度的升高,使溶剂挥发加快,引起光刻胶流动性降低,膜厚增加,特别在圆片中心较热的胶滴使其表面温度升高,那么圆片中心的膜厚远大于边缘的膜厚,使圆片表面胶厚不均匀。当然,这一个光刻胶温度升高依赖于其它参数(环境温度、环境湿度、旋转速度等),在一些情况下,圆片表面涂胶均匀性可能在光刻胶温度稍高于环境温度下得以改善。旋转时间、旋转速度、旋转滴胶量等如图(五)、(六)、(七)所示。这些因素也会影响表面涂胶的均匀性,而这些因素与旋转涂胶机的设置有关,其影响的程度在旋转涂胶机的设置中应加以考虑。旋转时间、旋转速度、滴胶量这些参数在达到某一数值之后,对胶厚均匀性的影
9、响基本不变。 目前,我们DNSC的膜厚极差一般小于80,小于20,SVG因其设备设计的原因,其极差和标准偏差(约35)都较DNSC大。1.3 膜厚的选择当曝光量一定时,条宽大小和光刻胶膜厚呈周期性的波动状态,即我们常说的SWING CURVE,如下图所示:图一、MIR701(厚型)的SWING CURVE在确定光刻胶的膜厚时,我们一般选择SWING CURVE中波谷所对应的膜厚,以使条宽随膜厚的变化值为最小(不选波峰的原因是为了避免因膜厚的变化而出现欠曝光的现象)。在考虑膜厚时,还必须考虑该膜厚的抗腐蚀效果,右图是MIR701用于HOT M1(5.5K AL + 350A TIN结构)时,胶厚
10、(18000A)较少而使腐蚀后台阶上AL上胶呈三角形,此时抗腐蚀处于临界状态,易出现AL过腐蚀,引起高台阶处断AL。为避免此问题,我们将膜厚顺延了一个周期采用19000A膜厚。1.4 前烘(SOFT BAKE)曝光前烘也称为软烘(SB:SOFT BAKE),是使光刻胶中的溶剂挥发,从而使胶层成为固态的薄膜,并使光刻胶与圆片表面粘附力增强的工序。光刻胶中溶剂的含量会影响曝光的精度和显影的选择比。SB的关键是控制温度和时间。温度太低,胶中溶剂挥发时间加长,影响产出;温度过高,胶表层溶剂挥发比内部快,会使胶表面粗糙。进行SB的方式主要有三种:1)利用热空气对流;2)利用红外线辐射;及3)利用热板的传
11、导。热传导方式是将圆片放在热板上(一般采用接近式,圆片离热板约2cm),光刻胶被来自热板的能量加温,因此,胶内部获得的能量比表面高,促使内部溶剂往表面移动而离开光刻胶。这种方法可避免前述表面溶剂挥发太快所导致的问题,且设计简单,所以在生产中应用广泛。SB常用工艺温度为90-120之间,时间约60s。SB之后,内部溶剂含量约5%-20%,胶厚约减少10%-20%.第二节 显影工艺简单地讲,显影就是去处已曝光光刻胶的工艺过程。为了避免光刻胶因其他可能的副反应而改变其化学结构,曝光后应尽快进行显影。显影的主要步骤如下:1、 曝光后烘(PEB:POST EXPOSURE BAKE)PEB即曝光后烘,可
12、以有效降低驻波效应的影响。曝光时,会产生一种驻波现象(STANDING WAVE)。由于入射光与反射光产生干涉,使沿胶厚方向的光强形成波峰和波谷,从而产生驻波。左图:无PEB 右图:PEB之后驻波效应会影响对光刻的分辩率和CD控制。降低或消除驻波效应常采用的几种方法为:PEB,如上两图所示。用带染色剂(dye)的光刻胶。采用多层光刻胶技术。加抗反射层:用有机(TARC和BARC)或无机材料(SION)PEB温度一般在110到120度,时间在1到2分钟。PEB温度一般比软烘高15-20度。2、 冷却PEB之后,WAFER须冷却,使WAFER的温度同显影液温度一致(23)。常用工艺条件为23/45
13、s。3、 显影WAFER进冷却后,进入显影腔体,经过温度为23的显影液处理约60S左右,将已曝过光的那部分光刻胶显现出来。严格地说,曝过光和未曝过光的光刻胶在显影液中都不同程度地被溶解。为了得到好的显影图象,希望溶解速率差越大越好,即所谓的反差越大越好。显影的方法主要有三种:浸润显影(IMMESESEION)、喷雾显影(SPRAY)和静态显影(PUDDLE)。我们目前用PUDDLE的方式。影响显影的因素主要有:显影液的成分、温度;环境温度和湿度;显影液量;显影方式和显影程序。4、 坚膜坚膜又称硬烘(HB HARDBAKE)。光刻胶显影后留下的图形,是作为后步工序对WAFER进行加工的保护膜。因此,要求光刻胶和WAFER粘附牢固,并且保持没有形变。光刻胶在显影后,必须再经过一次烘烤,进一步将胶内残余的溶剂蒸发,使其硬化,即坚膜。通常坚膜温度比SB温度要高,所以也将此工序称做硬烘。HB温度过高,光刻胶内溶剂含量越少。但另一方面,最后去胶时会比较困难。所以必须控制HB的温度,一般HB的温度控制在100-130之间。我们目前采用112/60S。HB的方式同SB一样有三种,目前我们采用接近式。