第九章基本光刻工艺流程显影到最终检验.docx

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第九章基本光刻工艺流程显影到最终检验

第九章基本光刻工艺流程-曝光到最终检验

概述

在本章，将解释从光刻胶的显影到最终检验所使用的基本方法。

本章末尾将涉及膜版工艺的使用和定位错误的讨论。

目的

完成本章后您将能够：

1.划出晶圆在显影之前及之后的剖面图。

2.列出显影的方法。

3.解释硬烘焙的方法和作用。

4.列出晶圆在显影检验时被拒绝的至少五个原因。

5.划出显影-检验-重做工作过程的示意图。

6.解释湿法刻蚀和干法刻蚀的方法和优缺点。

7.列出从氧化膜和金属膜上去除光刻胶的机器

8.解释最终检验的方法和作用。

显影

晶圆完成定位和曝光后，器件或电路的图案被以曝光和未曝光区域的形式记录在光刻胶上（图9.1）。

通过对未聚合光刻胶的化学分解来使图案显影。

显影技术被设计成使之把完全一样的膜版上图案复制到光刻胶上。

不良的显影工艺造成的问题是不完全显影，它会导致开孔的不正确尺寸，或使开孔的侧面内凹。

在某些情况下，显影不够深而在开孔内留下一层光刻胶。

第三个问题是过显影它会过多地从图形边缘或表面上去除光刻胶。

要在保证开孔的直径一致和由于清洗深孔时液体不易进入而造成的清洗困难的情况下保持具有良好形状的开孔是一个特殊的挑战。

负和正的光刻胶有不同的显影性质并要求不同的化学品和工艺。

负光刻胶显影

在光刻胶上成功地使图案显影要依靠光刻胶的曝光机理。

负光刻胶暴露在光时会有一个聚合的过程它会导致光刻胶聚合在显影液中分解。

在两个区域间有足够高的分解率以使聚合的区域只失去很小部分光刻胶。

对于大多数的负光刻胶显影二甲苯是受欢迎的化学品。

它也在作负光刻胶中作溶液使用。

显影完成前还要进行冲洗。

对于负光刻胶，通常使用n-丁基醋酸盐作为冲洗化学品，因为它既不会使光刻胶膨胀也不会使之收缩，从而不会导致图案尺寸的改变。

用光刻机刻图案的晶圆，可能使用一种性质较温和的STODDART溶剂。

俯视

表层光刻胶

曝光后显影后

正确曝光曝光不足

不完全曝光严重过曝光

（a）（b）

图9.1光刻胶显影（a）过程（b）问题

正光刻胶负光刻胶

显影剂NaOHXylene

TMAHStoddard溶剂

冲洗水n-醋酸丁酯

图9.2光刻胶显影剂和冲洗用化学品

冲洗的作用是双重的。

第一，它快速地稀释显影液。

虽然聚合的光刻胶不会被显影液分解，但在曝光的边缘总会有一个过度区其中包含部分聚合的分子。

如果显影液留在表面上便会溶解这部分区域而改变图案尺寸。

第二，冲洗可去除在开孔区少量部分聚合的光刻胶。

开发全部为水成分的负光刻胶显影系统一直是半导体工业的一个目标。

从工厂中消除有机溶剂减少安全系统和减少处理或排放化学品的费用。

到目前，只取得了很小的可接受的成功。

正光刻胶显影

正光刻胶有不同的显影条件。

两个区域，聚合的和未聚合的区域，有不同的溶解率约1:

4。

这意味着在显影中总会从聚合的区域失去一些光刻胶。

使用过度的显影液或显影时间过长可以导致光刻胶太薄而不能使用。

结果有可能导致在刻蚀中翘起或断裂。

有两种类型的化学显影液用于正光刻胶，碱-水溶液和非离子溶液。

碱-水溶液可以是氢氧化钠或氢氧化钾。

因为这两种溶液都含有离子污染物，所以在制造敏感的电路时不被使用。

大多数用正光刻胶的制造厂使用叠氮化四甲基铵氢氧化物的溶液（TMAH）。

有时要添加表面活性剂来去除表面张力使溶液更易亲合晶圆表面。

正光刻胶水的性质使它们在环保上比有机溶液的负光刻胶更具吸引力。

掩膜版

反光刻胶层

晶圆

聚合的光刻胶

部分聚合的光刻胶

未聚合的光刻胶

图9.3在光刻胶图案边缘的过度区

正光刻胶的显影工艺比负光刻胶更为敏感。

1影响结果的因素是软烘焙时间和温度、曝光度、显影液浓度、时间、温度、及显影方法。

显影工艺参数由所有变量的测试决定。

图9.4显示了对于一个特定的工艺参数对线宽的影响。

湿法显影

有几个方法用于光刻胶显影（图9.5）。

方法的选择依据光刻胶极性、特征图形尺寸、缺陷密度的考虑、要刻蚀层的厚度及产能。

20-S曝光

16-S曝光

12-S曝光

8-S曝光

光刻胶厚度

持续曝光时间:

50S

（基于68华氏度的8秒曝光）

显影剂浓度:

50%

曝光后烘焙：

无

线宽变化

显影剂温度（华氏）

图9.4显影剂温度和曝光关系与线宽变化的比较

**沉浸

**喷射

**PUDDLE

图9.5显影方法

沉浸。

沉浸是最古老的显影方法。

在耐化学腐蚀的传输器中的晶圆被放进盛有显影液的池中呆上一定的时间然后再被放入加有化学冲洗液的池中进行冲洗（图9.6）。

这种方法的问题如下：

1.液体的表面张力阻止了化学液体进入微小开孔区。

2.部分溶解的光刻胶块儿会粘在晶圆表面。

3.很多晶圆处理过后化学液池会被污染

4.当晶圆被提出化学液面时会被污染

5.显影液（特别是正显影液）随着使用会被稀释

6.为了消除1，2，3的问题需要经常更换化学液从而增加了成本。

7.室温的拨动改变溶液的显影率

8.晶圆必须迅速地送到下一步进行干燥这就增加了一个工艺步骤。

经常在化学液池上增加附属方法来提高显影工艺。

用通过使用机械搅动的办法来辅助增加均匀性和对微小开孔区的渗透。

一种流行的系统是使用置于池内的TEFLON密封的磁体与池外可产生旋转磁场的装置构成。

显影剂冲洗烘干

图9.6沉浸显影步骤

搅动也可用向液体施加超声波或磁声波的方法实现。

超声波可产生气穴现象。

波中的能量使液体分离成微小的空洞随即空洞会破裂。

成千上万个微小空洞的快速产生和破裂会产生均匀显影并有助于液体渗透进微小的开孔区。

在磁声波范围的声波能量会减小粘在晶圆表面的STAGNENT界线层。

2另外也通过对液体池进行加热和温度控制来增强显影率。

喷射显影。

受欢迎的化学显影方法是用喷射。

事实上，通常有很多原因使喷射工艺对于任何湿法工艺（清洁、显影、刻蚀）来讲比沉浸工艺更受欢迎。

例如，用喷射系统可很大地降低化学品的使用。

工艺的提高包括由于因喷射压力的机械动作而限定光刻胶边缘和去除部分光刻胶块儿而带来较好的图案清晰度。

因为每个晶圆都是用新的化学显影液所以喷射系统总是较沉浸系统清洁。

喷射工艺可在单一或批量系统完成。

在单一晶圆配置中（图9.7），晶圆被真空吸在吸盘上并旋转同时显影液和冲洗液依次地喷射到晶圆表面。

冲洗之后晶圆吸盘高速旋转使晶圆被甩干。

在外观和设计上，单晶圆喷射系统和点胶机一样只是通入不同的化学品。

单晶圆喷射系统具有可集成显影和硬烘焙工艺而实现自动化的优点。

这个工艺的一个主要优点是均匀性的提高。

冲洗

显影剂

真空

图9.7喷射显影和冲洗

许多年来喷射显影一直是对负光刻胶的一个标准工艺因为负光刻胶对显影液的温度不算敏感。

对于温度敏感的正光刻胶来说，喷射系统不是很有效。

问题在于液体在压力下从喷嘴喷出后便很快冷却。

称为隔热冷却（adiabaticcooling），用于正光刻胶的喷射显影系统通常由加热的晶圆吸盘或加热的喷嘴来控制温度。

用于正光刻胶的喷射显影所遇到的其它问题是当使用碱显影液和水基的显影液喷出时产生的泡沫而造成机器的老化。

批量显影系统有两种形式，单批和多批。

这些机器是甩-冲洗-干燥这在第7章有所描述。

显影系统要求额外的管道来供应显影化学品。

多批显影系统一般上较直喷射，单晶圆系统的均匀性低因为它不是喷射到晶圆表面上并且在正光刻胶的工艺上温度控制更复杂。

混凝显影。

喷射显影因其均匀性和产能而非常有吸引力。

混凝显影是用以获得正光刻胶喷射显影工艺优点的一种工艺的变化。

该系统使用一个标准的单晶圆喷射装置。

正常的喷射显影和混凝显影的区别是用于晶圆的显影化学品的不同。

工艺开始时在静止的晶圆表面上覆盖一层显影液。

（图9.8）。

表面张力使显影液在晶圆表面上不会流散到晶圆外。

显影液会在晶圆表面上停留一定的时间，通常是在以吸盘加热的晶圆上，这时绝大部分的显影会发生。

混凝显影是单晶圆只有晶圆表面沉浸的工艺。

要求的时间过后，更多的显影液被喷到晶圆表面上并冲洗，干燥，然后送去下一个工序。

等离子体去除浮渣。

不完全显影造成的一个特殊的困难是叫做浮渣（scumming）的情形。

浮渣可以是留在晶圆表面上的未溶解的光刻胶块儿或是干燥后的显影液3。

膜很薄并很难直观检验。

为解决这问题，在微米和微米以下的ULSI生产线中，在化学显影后用氧等离子体来去除（descum）这种薄膜。

干法（或等离子）显影

液体工艺的消除一直是一个长期目标。

它们难于集成到自动生产线并且化学品的采购、储存、控制和处理费用高。

取代液体化学显影液的途径是使用等离子体刻蚀工艺。

干法等离子体刻蚀对于刻蚀晶圆表面层已经是完善的工艺。

（参见“干法刻蚀”）。

在离子体刻蚀中，离子，由离子体场而得到能量，以化学形式分解暴露的晶圆表面层。

干法光刻胶显影要求光刻胶化学物的曝光或未曝光的部分二者之一易于被氧等离子体去除。

换句话说，图案的部分从晶圆表面上氧化掉。

一种干法显影叫做DESIRE的工艺将在第10章中描述，它使用甲基硅烷和氧等离子体。

硬烘焙

硬烘焙是在掩膜工艺中的第二个热处理操作。

它的作用是实质上和软烘焙是一样的：

通过溶液的蒸发来固化光刻胶。

而硬烘焙的目的是使光刻胶和晶圆表面有良好的粘贴。

这个步骤有时称为刻蚀前烘焙。

硬烘焙的方法

硬烘焙在设备和方法上与软烘焙相似。

对流炉、在线及手动热盘，红外线隧道炉，移动带传导炉，真空炉都用于硬烘焙中。

对于自动生产线，轨道系统受到青睐。

参见第8章软烘焙一段。

硬烘焙工艺

硬烘焙的时间和温度的决定与在软烘焙工艺是一样的。

起始点是由光刻胶制造商推荐的工艺。

之后，工艺在被精确调整来达到粘贴和尺寸控制的要求。

一般使用对流炉的硬烘焙的温度是从130到200度进行30分钟。

对于用其它的方法时间和温度都有所不同。

设定最低温度使光刻胶图案边缘和晶圆表面达到良好粘贴。

热烘焙增强粘贴的机理是脱水和聚合。

加热使水份脱离光刻胶，同时使之进一步聚合，从而增强了其耐刻蚀性。

硬烘焙温度的上限以光刻胶流动点而定。

光刻胶有象塑料的性质当加热时会变软并可流动（图9.9）。

当光刻胶流动时，图案尺寸便会改变。

当在显微镜下观察光刻胶流动是明显的增厚的光刻胶边缘。

极度的流动会在沿图案边缘处显示出边缘线。

边缘线是自光刻胶流动后在光刻胶中留下的斜坡来的光学影响。

正常温度高温

图9.9光刻胶在高温下流动

硬烘焙工艺流程

显影显影/烘焙显影/烘焙

检验检验检验

硬烘焙刻蚀重新烘焙

刻蚀刻蚀

图9.10硬烘焙工艺流程的几个选择

硬烘焙是立即在显影后或是马上在开始刻蚀前来进行的，如图9.10所示。

在大多数生产情况中，硬烘焙是由和显影机并排在一起的隧道炉来完成的。

当使用此种操作规程时，把晶圆存放在氮气中或是立即完成检验步骤以防止水份重新被吸收到光刻胶中，这一点非常重要。

显影检验

在显影和烘焙之后就是要完成光刻掩膜工艺的第一个质检。

适当地来说应叫显影检验（developinspect）或DI。

检验的目的是区分那些有很低可能性通过最终掩膜检验的晶圆；提供工艺性能和工艺控制数据；及分拣出需要重做的晶圆。

这时的检验良品率，也就是通过这第一个质检的晶圆数量，不会计入最终良品率的计算。

但是有两个主要原因使之成为很受关注的良品率。

光刻掩膜工艺对于电路性能的的关键性会在本文点强调。

在显影检验工艺，工程师有第一个判断工艺的性能机会。

显影检验步骤的第二个重要性