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1、TRACK 工艺简介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（Sensi tizer）及溶剂（Solve nt） 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，以液态形式保存
2、。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
3、量相同时，不同光刻胶的感光效果不同。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。
4、在涂胶之前，常采用烘烤并用HMDS （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100C/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100C/55s。确认HMDS的效果用接触角计测量，一般要 求
5、大于65度.前处理须注意来片衬底必须是干净和干燥的，HMDS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（l.Oum 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
6、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
7、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；KHXJD-I9900-1Bscn P-b r I c-ha rv afip横如 Ef勒草世的 *.叭!fAinb L L Iebij rrjt lu r e 330 Hi h n E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
8、的变化大大影响了圆片表面的涂胶均匀性，如图（三）所/示o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1M5C2CfflV.qIGKChLCimAq(!lTLjP*zp：hicCeatef oliliErr -of uafer红缶3n凤辭压力的科在圆片中心较热的胶滴使其表面温度升高，那么圆片
9、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 均匀性的影响基本不变。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
10、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：MIR701 thick version swing curve辭9剧萨7屛褂9秽0代6潭5 f2潭5代6代6声护4潭1Thickness（A）图一、MIR701（厚型）的 SWING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HOTM1（5.5K AL + 350A TIN 结构）时，胶厚（18000A
11、） 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
12、的传导。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90C-120C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)
13、PEB即曝光后烘，可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。UUC=?CtZl El 3JXJT act 1 舞左图：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：(1)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 烘咼15-20度。2、冷却PEB之后,W
14、AFER须冷却，使WAFER的温度同显影液温度一致(23C)。常 用工艺条件为23C/45S。3、显影WAFER进冷却后，进入显影腔体，经过温度为23C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
15、(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100-130C之间。我 们目前采用112C/60S。HB的方式同SB 一样有三种，目前我们采用接近式。参考资料1超大规模集成电路技术基础 李兴主编，电子工业出版社2 Resist Process Bruce W.Smith RochesterInstitute of technology
