半导体 | 光刻工艺(上)：表面制备、涂胶、软烘培、曝光

一、表面制备

对于光刻工艺的一个很好的类比就是涂漆工艺。即使是一个业余的油漆匠也会很快学会，要想最终得到一个平滑而且结合很好的膜，表面必须干燥而且干净。这个道理在光刻工艺过程中同样也适用。为确保光刻胶能和晶圆表面很好地黏结，必须进行表面准备。这一步骤是由3个阶段完成的:微粒清除、脱水烘焙和晶圆涂底胶。

1） 微粒清除

2） 脱水烘培

亲水性表面与厌水性表面的对照

有两个重要的方法可以保持厌水性表面。一种方法是把室内湿度保持在50%以下,并且在晶圆完成前一步工艺之后尽可能快地对晶圆进行涂胶。另一种方法是把晶圆存储在用干燥并且干净的氮气净化过的干燥器中，或者存储在干燥的小环境中，例如前面开口标准匣(FOUP)。

1）静态涂胶工艺

晶圆在涂完底胶之后会停在针孔吸盘上面，这就为下一步涂胶工艺准备好了。几立方厘米(cm³)的光刻胶被堆积在晶圆的中心并且允许被涂成一个小的水洼，这个小的水洼被继续涂开直到光刻胶覆盖了晶圆的大部分。水洼的大小是一个工艺参数，它是由晶圆的大小和所用光刻胶的类型决定的。所涂光刻胶总量的大小是非常关键的。如果量少了会导致晶圆表面涂胶不均，如果量大了会导致晶圆边缘光刻胶的堆积或光刻胶流到晶圆背面。

2）动态喷洒

大直径晶圆对均匀光刻胶膜的需求促成了动态旋转喷洒技术的研发。对于这种技术，晶圆在以500弧度/分低速旋转的时候，光刻胶被喷洒在晶圆表面。低速旋转的作用是帮助光刻胶最初的扩散。用这种方法我们可以用少量光刻胶达到更均匀的光刻胶膜。光刻胶扩展开之后，旋转器加速至高速来完成最终的光刻胶扩展并得到了薄而均匀的光刻胶膜。

动态旋转喷洒

3）移动手臂喷洒

动态喷洒技术的一项提高是移动手臂喷酒。手臂从晶圆的中心向晶圆的边缘缓慢移动。这个动作会给最初和最后一层带来更好的表面均匀性。移动手臂喷洒，还能节省光刻胶，特别是对于大直径晶圆。

移动手臂喷洒

4）手动旋转器

手动旋转器是一个简单的器械，它包括1~4个真空吸盘(被称为“头”)、1台电机,1个转速计和1个用来连接真空的接口。每个头用一个捕获杯包围着，用来收集剩余的光刻胶,并且把那些光刻胶输送到一个收集容器中。捕获杯也是用来预防晶圆加速旋转时把光刻胶从晶圆表面甩走的。这个工艺是从用氮气枪来去除微粒开始的。晶圆被用镊子或是真空吸笔固定在探头上，吸盘的真空同时也被打开。接着HMDS从注射器或是压瓶中喷洒到晶圆表面，晶圆同时也在旋转和烘干。最后，光刻胶水注从另外的注射器或是压瓶中喷洒到品圆表面。大多数在手工旋转器上进行的涂胶工艺使用的是静态喷洒方法。

5）自动旋转器

一个半自动涂胶器增加了光刻胶自动吹气，光刻胶喷洒和旋转周期的功能。氮气吹气是通过真空吸盘上面一个单独的管子来完成的。这个管子连接着加压的氮气源。在喷洒反应室里面还有一个用来涂底胶的管子和一个光刻胶喷酒管。光刻胶管子是从加压氮气容器或通过隔膜泵来供给光刻胶的。由于氮气会被吸收到光刻胶里面，所以工业上基本上已经不再用氨气加压光刻胶喷洒系统了。在光刻胶洒周期完成之后，氮气会从光刻胶里面出来，这样会在光刻胶膜上留下小孔。而隔膜泵则不会出现这样的问题。

6）边缘堆积去除

高速转动的结果可以使光刻胶在晶圆边缘堆积，称为边缘珠子(edgebead)。可以采用溶剂直接喷洒到晶圆正面和背面的边缘附近的方法将其去除。

化学法去除边珠子

7）背面涂胶

软烘焙是一种以蒸发掉光刻胶中一部分溶剂为目的的加热过程。软烘焙完成之后，光刻胶还保持“软"状态，而不是被烘焙成像灰烬一样。蒸发溶剂有两个原因。溶剂的主要作用是能够让光刻胶在晶圆表面涂一薄层，在这个作用完成以后，溶剂的存在干扰余下的工艺过程。第一个干扰是在曝光的过程中发生的。光刻胶里面的溶剂会吸收光，进而干扰光敏感聚合物中正常的化学变化。第二个问题是和光刻胶黏附性有联系的。通过对涂漆工艺的理解我们可以知道光刻胶的烘干(溶剂的蒸发)会帮助光刻胶和晶圆表面更好地黏结。光刻胶增加黏结性是类似的。

时间和温度是软烘焙的主要参数。在光刻过程中，两大主要目标是正确的图形定义和在刻蚀过程中光刻胶和晶圆表面良好的黏结。这两个目标都会受软烘焙温度的影响。在极端情况下，不充分的烘焙会在曝光过程中造成图像成形不完整和在刻蚀过程中造成多余的光刻胶剥落(黏附性差)。过分烘焙会造成光刻胶中的聚合物产生聚合反应，并且不与曝光射线反应。

光刻胶供应商会提供软烘焙温度和时间的范围，之后光刻工艺师再把这些参数优化。负胶必须要在氮气中进行烘焙，而正胶可以在空气中烘焙。软烘焙的方法很多，它们是通过设备和三种热传递方法组合来完成的。

1）对流烘箱

对流烘箱是非自动化生产线的主要烘焙设备。它是一个在隔热封闭环境中的不锈钢反应室。环绕反应室的管道提供氮气或空气，气体在被导入反应室前先经过一个加热器加热。反应室内配有放置品圆承片器的搁架。承片器要在烘箱中停留预先设定的一段时间，这时加热气体会把它们的温度升高。在超大规模集成电路( VLSI)应用中使用的对流烘箱有比例调节器和高效过滤器(HEPA)，用以保持洁净的烘焙环境。

对流烘箱

使用对流烘箱做软烘焙有几个缺点，其中之一是批与批之间的温度变异。这些变异来自:装载晶圆时门打开时间的长短,装载量,烘箱中所有部件达到恒定温度的不同时间。一个与对流加热相关联的工艺问题是光刻胶层的顶部有“结壳"的趋势，使溶剂存留在光刻胶中。

2）手工热板

在手工和实验室操作中,软烘焙经常使用一种简易的热板。把晶圆放在一个铝制夹具上，夹具有一个钻孔,里面装有一个刻盘温度计。晶圆被安装在热板的夹具上。操作员监控温度计上温度的升高，当达到适当的温度时,将夹具移开。用一个控制良好的热板可得到有效的软烘焙。热板的一个工艺优势是它的背面先被加热。这样就允许溶剂从上面蒸发出来，还可以使表面的“结壳化"减到最小。热板加工依赖于操作员，且生产效率低下。

(a)手工热板:(b)内置连续式热板:(c)内置式单片晶圆热板

3）内置式单片晶圆热板

4）移动带式热板

5）移动带式红外烘箱

对快速、均匀和不结壳的软烘焙方法的渴望，使得红外(IR)辐射源得以发展。红外烘焙比传导式烘焙要快得多,而且是“由内至外"加热的。由外至内烘焙就是利用传导式热板烘焙的原理。红外波穿过光刻胶涂层，但并不将其加热。很像是日光穿过一扇窗，但并不给窗加热。然而，晶圆吸收了能量，变热，继而从底部加热光刻胶涂层。

移动带式红外(IR)加热

6）微波烘焙

作为软烘焙加热源，微波具有红外线加热的优点，而且由于微波所带的能量更高，因此加热速度更快。软烘焙温度在1分钟内就完全可以达到。简短的时间适用于“载片器”软烘焙。旋转后，立刻将微波源导向晶圆，从而完成软烘焙。

7）真空烘焙

对于一定数量的工艺步骤，真空烘焙提供了几大优点。真空烘箱与对流烘箱的构造相似，只不过是连接到一个真空源。真空对于蒸发过程特别有效,这是因为减小的压力有助于溶剂的蒸发，于是就减少了对温度的依赖。然而，对于软烘焙，晶圆必须加热到一个均衡的温度。由于在真空烘箱中加热是靠热反应室内壁向晶圆辐射，由此就会产生一个问题。这种热传递方式有时被称为瞄准线式(line-of-sight)，为了得到均匀性，每片晶圆都必须有各自对热源明确的瞄准线。在一个箱型真空烘箱中,排满了竖直夹持晶圆的承片器，这个条件就不能满足了，大多数真空烘箱所得到的温度均匀性都很差。真空和均匀热板加热的益处可以通过内置式,单片晶圆热板系统来获得。下图总结了各种不同的软烘焙方式。

1）对准系统的性能

直到20世纪70年代中期，可供光刻胶工艺师选择的光刻和曝光设备只有两种:它们是接触式光刻机和接近式光刻机。这两种使用掩模图形系统。所需层的图形首先产生在玻璃基板上的铬层中。这种图形又被转移到光刻胶层。光源照射穿过掩模，并在光刻胶层中将图形编码为聚合和未聚合区域。一个具有掩模的对准系统需要将掩模版定位到空白晶圆(第一掩模版)或定位到晶圆表面上已有的图形。A&E系统包括使用完整的掩模版，或只是图形在一步一步的过程(stepper)中覆盖晶圆的放大掩模版。

2）曝光光源

虽然光刻机是非常复杂的设备，但它的工作原理却建立在几个基本的光学理论上。可以把它理解为在离墙面很近的地方用手拿着一把叉子,用闪光灯照射叉子,这时墙面上就形成了一个叉子的图像。用半导体行业的标准衡量，这个叉子的图像很不精确。我们可以通过几种方法来对图像进行改进。一种方法是用波长更狭窄的光来代替闪光灯发出的光。闪光灯所发出的白光是多种不同波长(颜色)的混合。在叉子的边缘处，产生了一种现象叫做衍射(difraetion)。衍射就是光线在不透明的边缘区域发生弯折(或穿过狭缝)，弯折量由波长决定。由于白光有多个波长，因此多条光线会在边缘发散，从而图像变得模糊。使用较短波长或单一波长的光源可以减少衍射。另一种改进图像的方法是使所有光线通过同一光路。在普通白光中，光线由灯泡从各个方向发出，而后又以不同的方向从叉子边缘离开,使得影像模糊。通过反射镜和透镜,可以把光线转化成一束平行光,这样就改善了图像质量。图像的清晰度和尺寸也受到光源到叉子以及叉子与墙面之间距离的影响。缩小这两个距离会使图像更清晰。为得到所需的图像，使用狭波或单一波长曝光光源,准直平行光，以及对上述距离严格控制的方法都被运用到光刻机中。

选择曝光光源配以特定的光刻胶可以得到所需的图形尺寸。使用最广泛的曝光光源是高压汞灯，它所产生的光为紫外线(UV)。为减小特征图形尺寸,起初使用的灯泡和光刻胶不断地发展和改进。为获得更高的清晰度，光刻胶被设计成只与汞灯光谱中很窄一段波长的光反应。这种需求使得在光谱更短波长中使用的灯泡和光刻胶得以发展。光谱中的这一部分称为深紫外(deepultraviolet)区或 DUV。

3）对准法则

第一个掩模版的对准是把掩模版上的y轴与晶圆上的主定位边成90°角放置。接下来的掩膜都用对准标记(又称“靶”)与上一层带有图形的掩膜对准。这是一些特殊的图形。它们分布在每个芯片图形的边缘或在晶圆上的每个芯片周围的划片线上，很容易找到。

光刻胶上图形衍射缩小

对准标记种类

对准由操作员把掩模版上的标记放在晶圆图形上相应的标记上来完成。对于自动系统。对准标记也起着相同的作用。经过刻蚀工艺后，对准标记就永远成为了芯片表面的一部分。于是它们就可以在下一层对准时使用了。

被称为未对准( misalignment)的对准错误分为几种不同类型。常见的一种就是简单的x-y方向位置错误。另一种常见的未对准是转动的，也就是说,晶圆的一边是对准的，然而在通过晶圆的方向上，图形会逐渐变得不对准。如果芯片图形在掩模版上有旋转第3个转动的未对准就会产生。

未对准种类。(a)x方向;(b)转动;(e)伸出

其他与掩模版和分步式光刻机有关的未对准问题还有伸人和伸出。当芯片图形没有在掩模版的恒定中心形成，或偏心放置时，这样的问题就会出现它的结果就是只有一部分掩模版上的芯片图形可以准确地和晶圆上的图形对准。而在通过晶圆的方向上，图形会逐渐变得对不准。一种由经验得来的方法是，对于具有微米或亚微米特征图形尺寸的电路，必须满足最小特征图形尺寸1/3的套准容差。计算得到整个电路的套准预算(overlaybudget),它是整套掩膜允许对准误差的累加。对于0.35um的产品，允许的套准预算大约是 0.1um。

4）曝光后烘焙

驻波是使用光学曝光和正光刻胶时出现的问题。一种减小驻波效应的方法是在曝光后烘焙晶圆。烘焙的方法可以是前述方法的任何一种。曝光后烘焙(PEB)的时间和温度的规范是由烘焙方法、曝光条件，以及光刻胶化学所决定的。

电子東光刻机:电子東光刻是一项成熟的技术，用于制造高精度掩模版。该系统包括一个电子发射源，它能产生小直径束斑和一个能够开关电子束的快门。为防止空气分子对电子束的影响，曝光必须在真空环境中进行。束流通过具有定向(或转向)能力的静电板，可以导向掩模版或晶圆的x-y方向。该系统在功能上类似于电视机的束流控制系统。为得到精确的束流方向,束流需要在真空反应室中穿行,该反应室中有电子束发射源，支撑结构以及可以曝光的衬底。

电子束扫描。(a)光栅扫描;(b)矢量扫描

由于所需图形从计算机中生成，因此没有掩模版。束流通过偏转子系统对准表面特定位置，然后在将要曝光的光刻胶上开启电子束。较大的衬底则被放置在x-y承片台上，并在电子束下移动，从而得到整个表面的曝光。这种对准和曝光技术称为直写(direct writing)。图形在光刻胶上的曝光是通过光栅扫描或矢量扫描完成的。光栅扫描就是电子東由一边移动到另一边，再向下逐行扫描。计算机控制扫描的运动过程，并在将要被曝光区域的光刻胶上开启快门。光栅扫描的一个缺点是由于电子束必须经过整个表面，因此扫描所需的时间较长。对于矢量扫描，电子束直接移动到需要曝光的区域。在每一个位置上，对小正方形或矩形面积的曝光构成了想要得到的整个曝光区域的形状。

参考文献：

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