光刻技術(shù)發(fā)展

大多數(shù)IC模型從電路功能的定義開始。如果一個電路的作用很多很復(fù)雜的話，就可以將它分為多個方面的子功能。二級功能塊放置在整體的布局和規(guī)劃之中，為芯片分配空間以供未來規(guī)劃。在這個階段，設(shè)計人員應(yīng)該建立芯片的高級功能作為模型，以執(zhí)行功能檢查和評估性能。然后，設(shè)計師使用客戶設(shè)計必要的軟件，并將預(yù)先設(shè)計的電路模塊組合成芯片。這些單元的布局是根據(jù)設(shè)計和之前的布局，所有的規(guī)則都具有相對應(yīng)的格式。這些規(guī)則是制造商和設(shè)計師之間的協(xié)議。對于每個布局層，布局設(shè)計規(guī)則指定了允許的最小特性大小、允許的最小空間、該層與其他層的最小覆蓋范圍以及下層圖形的最小間距。所以一定要遵守這樣的規(guī)則，制造商可以確保實現(xiàn)預(yù)期的芯片效果。設(shè)計完成后，遵循布局規(guī)則再次進(jìn)行檢查，以確保符合規(guī)則。最后，根據(jù)實際布局進(jìn)行仿真。如果不符合要求，有必要將設(shè)計按照約定的規(guī)則進(jìn)行修改，直至符合要求為止。

在微電子的生產(chǎn)制作的工藝中，光刻是非常繁瑣，相對較難的一道流程，同時也是最為重要的一個流程。而且要想做好光刻，就需要投入更多的成本，并且其份額繼續(xù)增長。市場上比較常見的硅片加工工藝都需要20塊以上，甚至更多不同的掩模版，一些復(fù)雜的工藝可以有多達(dá)30個掩模。通常根據(jù)生產(chǎn)非常細(xì)的管線的能力來預(yù)測工藝性能。但是，評估光刻工藝的性能非常困難。制造商要求嚴(yán)格控制數(shù)千個硅芯片和硅芯片中超過10億個晶體管的關(guān)鍵尺寸。根據(jù)設(shè)備研究人員的說法，50%的硅片性能在可接受范圍內(nèi)是可以接受的。

光刻過程基本可以分為兩個階段。第一階段為通過曝光機(jī)將所需圖形轉(zhuǎn)移到硅片或者掩模版的表層光刻膠上；第二階段為顯影階段，通過顯影液與光刻膠的化學(xué)反應(yīng)使第一階段所產(chǎn)生的圖形顯現(xiàn)出來。

光刻機(jī)是集成電路制造的核心裝備，評價光刻機(jī)性能主要有三個指標(biāo)。即分辨率（resolution）、套刻精度(overlay)和產(chǎn)率（throughput）。分辨率一般有兩種表示方式，分別為pitch分辨率（pitch resolution）和feature分辨率 (feature resolution)。pitch分辨率是指光刻工藝可以制作的最小周期的一半，即half-pitch(hp)。而feature分辨率是指光刻工藝可以制作的最小特征圖像的尺寸，即特征尺寸（feature size），又稱為關(guān)鍵尺寸（critical dimension，CD）.套刻精度一般指一套產(chǎn)品制定的對位坐標(biāo)的位置差異，對于光刻機(jī)而言，套刻精度主要受限于對準(zhǔn)系統(tǒng)的測量精度和工作臺/掩模臺的定位精度。產(chǎn)率一般指光刻機(jī)單位時間內(nèi)曝光的產(chǎn)品數(shù)量，通常使用每小時曝光產(chǎn)品數(shù)量（wph）表示。

光刻膠特性

光刻膠又叫光致抗蝕劑，它是由光敏化合物、基體樹脂和有機(jī)溶劑等混合而成的膠狀液體。光刻膠受到特定波長光線的作用后，導(dǎo)致其化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使光刻膠在某種特定溶液中的溶解特性改變，有正性和負(fù)性光刻膠之分。正性光刻膠曝光的部分可溶解于顯影液中，負(fù)性光刻膠膠未曝光的部分可溶于顯影液中。

光刻膠的兩個最重要的特性是靈敏度和分辨率。靈敏度是指單位面積上照射的是光刻膠全部發(fā)生反應(yīng)的最小光能量或最小電荷量（對電子束光刻膠）。分辨率是指在光刻膠中再現(xiàn)的最小特性的大小。分辨率在很大程度上取決于曝光設(shè)備和光刻膠本身。

就光刻膠的性能而言，分辨率是一個很重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)，但它在很大程度上取決于曝光設(shè)備。因此，對比度通常用于描述光刻膠的特性[3]。測量光刻膠對比度的方法是：要先在相對應(yīng)的硅片上進(jìn)行光刻膠的工藝，這樣能更方便地看出光刻膠的厚度是否均一，給光刻膠一個短暫的均一曝光，然后將硅盤浸入顯影劑中固定時間，最后取硅盤，清洗并干燥，測量剩余的光刻膠厚度。如果光強(qiáng)度不太強(qiáng)，則光刻膠的厚度基本不變，光強(qiáng)度的劑量不斷增加，并進(jìn)行重復(fù)試驗。然后，繪制出曝光能量與光刻膠厚度之間的對數(shù)曲線。該曲線有3個區(qū)域：非曝光區(qū)域，這里所有的光刻膠都基本能夠保留下來；曝光區(qū)域，在這里光刻膠都會被顯影液反應(yīng)剝離掉；在這兩個極端區(qū)域的中間區(qū)域是所謂的過渡區(qū)域。

對比度：

式中，Y為直線的斜率；

D100為所有光刻膠都被去掉時的曝光能量；

D0為開始化學(xué)反應(yīng)時曝光的最低能量。

如圖1所示，對比度是對數(shù)坐標(biāo)下對比度曲線的斜率，標(biāo)識光刻膠區(qū)分掩模上兩區(qū)和暗區(qū)能力的大小。即對能量變化的敏感程度。對比度曲線越陡，D0與D100的間距就越小，則Y就越大，這樣有助于得到圖形輪廓清晰和分辨率高。一般光刻膠的對比度在0.9～2.0，對于亞微米圖形，要求對比度大于1，同時正性膠的對比度高于負(fù)性膠。

圖1 對比度曲線

光刻工藝流程

光刻技術(shù)是一種將掩模圖案轉(zhuǎn)換為硅光盤表面光阻的技術(shù)。因為元件和電路設(shè)計都通過蝕刻和離子注入將光敏電阻中定義的圖案轉(zhuǎn)移到硅片表面，而光敏電阻的圖案是通過光刻技術(shù)確定的。因此，光刻在IC制造中起著非常重要的作用，如圖2所示。

圖2典型的工藝流程

圖2 顯示光刻是IC制造的核心。從硅片到芯片成品，即便最基本的芯片也需要5次光刻過程，而高端芯片更是多達(dá)30多個光刻過程。制造集成電路非常耗時。通常，用硅片制作成品芯片需要至少6～8周的時間，而光刻在整個生產(chǎn)過程中基本占據(jù)40%～50%的生產(chǎn)時間。

光刻技術(shù)的主要評價因素是高靈敏度，高分辨率，低故障率和精確對準(zhǔn)。隨著光刻分辨率的增加，光刻的最小尺寸減小，同時硅芯片中的芯片數(shù)量增加。

光刻工藝可分為3個主要階段：耐光涂層、對準(zhǔn)和曝光以及顯影。為了獲得高分辨率，光刻技術(shù)還使用了一些烘烤和冷卻步驟。從光刻工藝的流程來看，它主要包括幾個工藝步驟，如圖3所示。

圖3 光刻工藝的基本流程

氣相成膜

氣相成膜階段又分為產(chǎn)品清洗，烘干及成膜3個階段：

清洗主要是為了去除產(chǎn)品表面的有機(jī)和無機(jī)污染物、顆粒等。通過濕法的清洗來提高產(chǎn)品表面的潔凈度來增加光刻膠涂布的附著力。去除有機(jī)和無機(jī)化合物。硅片表面上的顆粒會導(dǎo)致光敏電阻出現(xiàn)孔洞，有機(jī)和無機(jī)雜質(zhì)會導(dǎo)致光阻粘附問題以及元件和電路故障。

烘干為了去除產(chǎn)品清洗后表面的水汽來增加光刻膠在產(chǎn)品表面的附著力。

成膜是在硅片表面涂上了一層六甲基二硅氮烷（HMDS）提高光刻膠與硅片表面的附著力。

旋轉(zhuǎn)涂膠

在產(chǎn)品表面涂上光刻膠，光刻膠涂布主要有旋涂和刮涂兩種涂膠方式。

軟烤

軟烤是指在90～120℃的溫度下，在熱板加熱烘烤2～3 min。它用于去除耐光性中的溶劑，并固定耐光性的特性。顯影劑耐光性的溶解速度主要取決于耐光性中溶劑的濃度。通常，短烘烤時間或低溫會增加膠水在顯影劑中的溶解速度，并增加靈敏度。然而，這會降低曝光的對比度。

曝光

曝光是光刻工藝中最關(guān)鍵的步驟，曝光決定了掩模的集成電路設(shè)計模型能否成功地轉(zhuǎn)換到產(chǎn)品表面的光刻膠上。

曝光后烘烤

曝光后烘烤可降低耐光性的駐波效應(yīng)，并激活化學(xué)強(qiáng)化效應(yīng)，并激活化學(xué)強(qiáng)化效應(yīng)，使化學(xué)反應(yīng)更加的充分。典型烘烤條件為110~130℃，烘烤時間為幾十秒到兩分鐘不等。

顯影

顯像出光刻在硅片/掩模版上的圖形。

堅膜烘烤

堅膜烘烤可以去除光刻膠中殘留的顯影液和水分，堅固光刻膠，進(jìn)一步提高光刻膠在產(chǎn)品表面的附著力。

顯影檢查

顯影檢查為了在該階段找出光刻及顯影不合格品，避免后續(xù)蝕刻對原材料造成報廢，檢查中的合格品將進(jìn)行蝕刻等處理，不合格品將進(jìn)行去膠清洗繼續(xù)進(jìn)行氣相成底膜加工。

掩模版光刻膠涂布膠厚均勻性影響因素

涂膠機(jī)主軸的旋轉(zhuǎn)速度對膠厚均勻性的影響

涂膠機(jī)的主軸轉(zhuǎn)速與薄膠厚度的形狀密切相關(guān)。一般來說轉(zhuǎn)速越高，產(chǎn)品中心光刻膠越薄，邊緣光刻膠越厚。圖4所示，在3 000 r/min轉(zhuǎn)速下，整個產(chǎn)品表面光刻膠厚度相對均一。在實際生產(chǎn)中，我們還根據(jù)產(chǎn)品實際測量的光刻膠厚度分布的形狀調(diào)整速度。然而，涂膠機(jī)轉(zhuǎn)速也有一個上限，通常不能夠高于5 000 r/min。由于高速旋轉(zhuǎn)，向下位移增加。當(dāng)速度足夠高，排氣量超過CUP設(shè)備設(shè)置的排氣量時，氣流反向流動，反而不利于得到預(yù)期的光刻膠厚度。

圖4 膠厚形狀與轉(zhuǎn)速關(guān)系

光刻膠溫度對膠厚均勻性的影響

如圖5所示，光刻膠的溫度對光刻膠涂布的厚度均勻性也存在影響，溫度越高產(chǎn)品中心的膠厚越厚，溫度越低產(chǎn)品中心膠厚越薄。因此在生產(chǎn)過程中需要將光刻膠進(jìn)行回溫處理，使其溫度基本與凈化房的室溫保持一致（23℃左右），因為此時，光刻膠厚度均勻性也是最佳的。但在實際生產(chǎn)中還要依據(jù)做出的膠厚分布形狀來調(diào)整溫度。

圖5 光刻膠溫度與膠厚形狀關(guān)系

排氣壓力對膠厚均勻性的影響

排氣壓力也是光刻膠涂布厚度的均勻性重要的影響因素，尤其是在產(chǎn)品邊緣。必須選擇正確的排氣壓力，以獲得具有高均勻性和較小的缺陷。排氣壓力太小會造成邊緣去除劑在產(chǎn)品上的噴霧形成針孔，從而導(dǎo)致光刻膠粘附缺陷，最終導(dǎo)致產(chǎn)品光刻出的圖形存在缺陷。排氣壓力大會使旋轉(zhuǎn)盤邊緣氣流太大而影響光刻膠的厚度。這主要是由于在涂膠粘合過程中是從涂膠設(shè)備腔體邊緣排風(fēng)口進(jìn)行排風(fēng)，導(dǎo)致產(chǎn)品邊緣排氣壓力較大。當(dāng)排氣壓力到達(dá)一定程度后產(chǎn)品邊緣光刻膠表面的溶劑迅速揮發(fā)并干燥，產(chǎn)品邊緣光刻膠內(nèi)部溶劑未能夠充分揮發(fā)，然而產(chǎn)品中心區(qū)域光刻膠表面和內(nèi)部溶劑含量變化較小，從而形成了產(chǎn)品邊緣膠厚、中心膠薄的分布形態(tài)，這種形態(tài)在日常生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)，如圖6所示。

圖6 排風(fēng)結(jié)構(gòu)圖

涂膠機(jī)冷板溫度對膠厚均勻性的影響

冷板的溫度對產(chǎn)品上的膠厚均勻性的影響也是非常明顯的。如圖7所示，當(dāng)溫度越高整個產(chǎn)品邊緣的膠厚就越厚，但相對于邊緣的膠厚來說，中心區(qū)域的膠厚相對比較薄。因此涂膠機(jī)的產(chǎn)品冷板盡量使其與光刻膠溫度保持一致，這樣在實際的生產(chǎn)過程中才能夠涂布出理想的膠厚。

圖7 冷板溫度與膠厚圖

膠厚均勻性問題的分析

1 片內(nèi)均勻性

單張產(chǎn)品片內(nèi)膠厚均勻性不良主要有3個原因。

（1）在產(chǎn)品邊緣極端的變薄。掩模版邊緣極度變薄的一個可能原因是，后沖洗產(chǎn)生的后濺導(dǎo)致大量溶劑積聚在設(shè)備腔體（CUP）底，從而冷卻掩模版的背面。因為溫度對膠厚的影響是非常大的。掩模版邊緣極度變薄的另一種情況是襯底邊緣未進(jìn)行光刻膠的涂抹工藝。這主要是由于HMDS過多，會導(dǎo)致掩模版表面上的應(yīng)力過大，并導(dǎo)致光阻向掩模版中心收縮[7]。

（2）產(chǎn)品中心的膠厚不均一。有時，掩模版中心的薄膠厚度狀況不佳，這通常可能是由于噴嘴前端光刻膠硬化或噴嘴不在中心。由于噴嘴不在掩模版中心，光刻膠不會落入掩模版中心就旋轉(zhuǎn)離開。這個問題可以根據(jù)膠厚的程度將光刻膠噴嘴的位置進(jìn)行校正或者清潔，這樣可以減輕膠厚不均的現(xiàn)象。

（3）膠厚成平滑的單邊下降型。出現(xiàn)此問題的原因通常是掩模版在預(yù)烘烤時有異物導(dǎo)致加熱不均一。有時，這種現(xiàn)象也是由于放置掩模版的支撐臂位置不佳造成的。對于一些溫度敏感的光刻膠，雖然薄膠厚度沒有很大的影響，但它會影響光刻膠的靈敏度。最后，光刻精度會受到影響。因此，必須調(diào)整或清潔預(yù)烘烤烤盤。

2 批生產(chǎn)片間均勻性

除了實現(xiàn)單個產(chǎn)品片內(nèi)涂膠厚度均一的目標(biāo)外，還要求批生產(chǎn)片間的涂膠厚度均一。

（1）膠厚逐步減少。當(dāng)觀察到一批產(chǎn)品中的膠厚在涂布后逐漸減小時，設(shè)備腔體（CUP）溫度和濕度控制器的風(fēng)量可能不足，或者反沖洗（BACK RINSE）-吸收的溶劑將流回涂膠（COATER）模塊。使用高揮發(fā)性溶劑時有時會出現(xiàn)此問題。隨著制造更多的掩模版，廢氣減少或設(shè)備腔體（CUP）中溶劑的成分增加，從而影響膠膜的厚度。此時我們需要檢查風(fēng)速，如果風(fēng)速相對較低，則必須再次調(diào)整，或者減少反沖洗（BACK RINSE）流量并調(diào)整反沖洗（BACK RINSE）的位置。

（2）膠厚循環(huán)性的波動。有時在生產(chǎn)中片間的膠厚出現(xiàn)循環(huán)的波動，這很可能是由設(shè)備腔體（CUP）濕度波動引起。這就要求在生產(chǎn)工藝過程中不斷的對設(shè)備腔體（CUP）濕度進(jìn)行測量，如果膠厚的變化和濕度的變化一致，就可以明確是因為涂膠腔體（CUP）的濕度變化引起的光刻膠厚的變化。

（3）第一張或前面兩張的產(chǎn)品膠厚比較厚。在一個批次生產(chǎn)中常常是第一張或前兩張產(chǎn)品的膠厚要比后面產(chǎn)品的厚，此時就需檢查涂膠機(jī)冷板。往往是涂膠前的冷板運行的時間太短。造成了產(chǎn)品冷卻不充分，使得產(chǎn)品在涂布時溫度偏高影響到膠厚。而后面的產(chǎn)品因為冷板運行時間充分，溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，這樣徒步的光刻膠厚度較前兩張均勻性好。正常生產(chǎn)中等到冷板的溫度穩(wěn)定后方可對產(chǎn)品進(jìn)行涂布。因此只要增加設(shè)定的工藝時間就可以很好的解決問題。

結(jié)束語

為獲得表面平坦且厚度均勻的光刻膠涂層，需要管控好各種影響因素。通過對影響光刻膠涂膠厚度均勻性的4個關(guān)鍵因素的測試和分析，對每個因素造成膠厚不均勻的原因有了一定的了解和認(rèn)知，同時對造成片內(nèi)厚度均勻性和片間厚度均勻性低劣的原因進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，對于以后在涂膠生產(chǎn)過程中出現(xiàn)膠厚不均勻問題的解決提供了很好的幫助及指導(dǎo)意義。

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