track光刻胶显影工艺

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（Se nsitizer）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

2、溶剂中，以液态形式保存。 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-H用 的是正性光刻胶。在相同

3、的光刻胶膜厚和曝光能量相同时，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

4、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 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 Prim in g），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

5、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，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（左右 厚度/4000转速）其粘度在24CP左右，而较厚的胶（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

6、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

7、度的变化也影响了圆片表面的涂覆均匀性，如图（二）所示。'2 if IIt Tnflarifl. Bi-« JLhB Ii«h t H an i ril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； 旋转腔周围空气的干燥引起 圆片边缘的溶剂挥发加快，側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。j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

8、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taoco-iPieriptterCeattr wife： j of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

9、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旋转时间、旋转速度、旋 转滴胶量等如图（五）、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。般小于80，c小于20，SVG因其设备设计的原因，其极差和标准偏差（约（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。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 CURV，如下图所示：MIR701 thick versi

10、on swing curveThickness(A)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 CURVED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 （ AL + 350A TIN结构）时，胶厚（18000A）较少 而使腐蚀后台阶上ALh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（S

11、OFT BAKE曝光前烘也称为软烘（SB:SOFTBAKE，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

12、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 BAKEPEB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。左图：无PEB右图

13、：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（TAR（和BARC或无机材料（SIONPEB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（23C ）。常 用工艺条件为23 C /45s。3、显影WAFER®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 （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