1　引言

隨著IC工藝的高速發(fā)展對(duì)CD（Critical Dimension，關(guān)鍵尺寸、特征尺寸或線寬，是衡量一個(gè)企業(yè)IC工藝技術(shù)水準(zhǔn)高低的技術(shù)指標(biāo)）的要求不斷減小，工藝水平已經(jīng)進(jìn)入亞微米級(jí)別，并且仍然不斷減小級(jí)別。IC制造對(duì)光刻工藝的技術(shù)要求也隨之更高。光刻工藝中的顯影工藝也經(jīng)歷了幾個(gè)世代的發(fā)展。在顯影設(shè)備中，關(guān)鍵改進(jìn)主要體現(xiàn)為顯影噴嘴的改進(jìn)。

圖1　顯影噴嘴的發(fā)展歷程

通過(guò)圖1可見(jiàn)，顯影設(shè)備噴嘴的發(fā)展隨著顯影工藝的發(fā)展而不斷改良，使其適應(yīng)新的工藝需要。集成電路圖形是通過(guò)顯影后顯現(xiàn)，顯影質(zhì)量的好壞決定了CD值是否能達(dá)到工藝要求。在其顯影過(guò)程中，不只晶圓在顯影工藝腔中做動(dòng)，還會(huì)在顯影之前與顯影之后進(jìn)行烘烤處理。因此，顯影過(guò)程中對(duì)CD值產(chǎn)生影響的原因有多種。主要影響因素如下：顯影腔體中down flow的大小、腔體中的溫濕度控制、顯影液流量的大小及顯影液溫度、顯影噴嘴的高度及顯影液時(shí)間等。

顯影噴嘴是顯影液供應(yīng)噴灑系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵組件，是在該系統(tǒng)的終端負(fù)責(zé)將顯影液均勻涂灑在晶圓表面，在該過(guò)程中出現(xiàn)顯影缺陷的概率最大，因此顯影噴嘴的設(shè)計(jì)尤為重要。本文將對(duì)IC制造過(guò)程中顯影工藝及顯影液供應(yīng)系統(tǒng)中顯影噴嘴的發(fā)展進(jìn)行論述。

2　顯影工藝及顯影噴嘴的發(fā)展

2.1　顯影工藝的發(fā)展

圖2　光刻工藝的8個(gè)步驟

圖3　正光阻顯影成像示意圖

        如圖2和圖3所示，顯影工藝在光刻工藝過(guò)程中的中后期工序，以去除光刻膠形成工藝需求的圖形為目的，使掩膜版的圖形能夠精確的投射到晶圓的光刻膠上。顯影工藝過(guò)程中，顯影液與光刻膠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，顯影后通過(guò)去離子水沖洗去除化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的殘留雜質(zhì)。所有顯影工藝的步驟都是保證CD值的工藝要求。CD值達(dá)到工藝要求，則認(rèn)為光刻工藝加工過(guò)程的所有CD值都是符合工藝要求。

圖4　顯影缺陷示意圖

在顯影過(guò)程中，不成熟的工藝或顯影機(jī)臺(tái)本身問(wèn)題都會(huì)造成芯片發(fā)生顯影缺陷。顯影缺陷有欠顯影、過(guò)度顯影等。欠顯影的原因是由于顯影液的量不足以與光刻膠發(fā)生完全的化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致線寬兩側(cè)有坡面，且會(huì)使不完全反應(yīng)的光刻膠殘留在晶圓表面，從而導(dǎo)致產(chǎn)品良率降低。過(guò)度顯影的原因是由于顯影液的量太大或顯影液停留在晶圓太久導(dǎo)致線寬變大等，如圖4顯影缺陷示意圖。

隨著IC工藝的高速發(fā)展對(duì)CD（Critical Dimension，關(guān)鍵尺寸、特征尺寸或線寬）的要求不斷減小，晶圓尺寸越來(lái)越大，電路結(jié)構(gòu)越發(fā)復(fù)雜，原有老式的顯影方法已經(jīng)無(wú)法滿足工藝要求。現(xiàn)有主流顯影工藝為旋轉(zhuǎn)噴涂與直線掃描。旋轉(zhuǎn)噴涂是將顯影液通過(guò)顯影噴嘴在晶圓上方噴灑在旋轉(zhuǎn)的晶圓上，并可以通過(guò)噴嘴掃描以實(shí)現(xiàn)更好的噴灑及覆蓋效果；直線掃描是將顯影液通過(guò)比晶圓直徑稍大的顯影噴嘴在晶圓上方沿直線運(yùn)動(dòng)噴灑在固定不動(dòng)的晶圓上，一次掃描實(shí)現(xiàn)顯影液對(duì)晶圓的完全覆蓋。這兩種主流顯影方式都可以準(zhǔn)確控制顯影液流量，確保顯影過(guò)程的反應(yīng)均勻，降低顯影液的流速對(duì)晶圓表面的沖擊，并能很好地控制顯影反應(yīng)時(shí)間及節(jié)約顯影液用量，這些都是為了滿足更高顯影均勻性的工藝要求。

2.2　顯影噴嘴的發(fā)展

顯影過(guò)程是在顯影單元中進(jìn)行的，顯影單元中由一個(gè)離心電機(jī)通過(guò)真空承片臺(tái)來(lái)承載晶圓，由幾個(gè)噴嘴分別噴灑顯影液、定影液及表面活化劑等。機(jī)械手將晶圓放置在真空承片臺(tái)上，顯影噴嘴將顯影液噴灑到晶圓表面，顯影完成后再由定影噴嘴將定影液噴灑在晶圓上，清洗掉顯影殘留，沖洗晶圓。最后真空承片臺(tái)高速旋轉(zhuǎn)甩掉晶圓表面液體。

顯影液的噴灑一般分為兩種：一種是靜態(tài)噴灑，另一種是動(dòng)態(tài)噴灑。靜態(tài)噴灑顯影液時(shí)，晶圓是靜止不動(dòng)的；動(dòng)態(tài)噴灑時(shí)，晶圓緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)。顯影時(shí)間即顯影液與光刻膠接觸的時(shí)間。噴灑方式與顯影噴嘴有關(guān)。顯影噴嘴可以分為如下幾類：第一類是掃描式，如圖5（a）所示，顯影噴嘴底部有一個(gè)狹長(zhǎng)開(kāi)孔，顯影臂從晶圓上方移動(dòng)，同時(shí)顯影液從噴嘴底部出液口流出，在表面張力的作用下覆蓋晶圓表面。顯影臂可以從晶圓上方Scan一次也可多次，即一次顯影液覆蓋或多次顯影液覆蓋。第二類是多個(gè)噴嘴的動(dòng)態(tài)噴灑，如圖5（b）所示，顯影噴嘴底部有多個(gè)小噴嘴。顯影臂移動(dòng)到晶圓中心后噴灑顯影液，或從邊緣到中心往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)晶圓緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，將顯影液覆蓋整個(gè)晶圓。第三類最為簡(jiǎn)單，為單一噴嘴，如圖5（c）所示，通過(guò)Arm擺動(dòng)帶其運(yùn)行至晶圓中心位，噴灑顯影液，同時(shí)晶圓定速旋轉(zhuǎn)，在離心力作用下，顯影液沿徑向穩(wěn)定流動(dòng)，使顯影液覆蓋整個(gè)晶圓。

顯影方式的選取與光刻膠的性能有關(guān)，為了避免曝光產(chǎn)生水漬，193nm浸沒(méi)式光刻膠很不親水，如果用靜態(tài)噴灑，顯影液會(huì)收縮聚集在一起，動(dòng)態(tài)噴灑可以有效解決此問(wèn)題。

不論是248nm，還是193nm，顯影參數(shù)的選取都與光刻膠性能相關(guān)。對(duì)于靜態(tài)顯影，顯影參數(shù)只有顯影時(shí)間。優(yōu)化方法為：對(duì)若干個(gè)晶圓做相同的曝光，將顯影時(shí)間設(shè)置不同，測(cè)量并整理出不同顯影時(shí)間的Bossung（柏桑）曲線。選擇最優(yōu)的顯影條件，曝光能量的漲落不會(huì)導(dǎo)致線寬的大波動(dòng)。如果選用動(dòng)態(tài)噴灑，需要優(yōu)化很多參數(shù)，如顯影液流量、晶圓轉(zhuǎn)速等。

顯影后需要使用去離子水進(jìn)行沖洗。去離子水沖洗不僅會(huì)使顯影過(guò)程終止，而且會(huì)將顯影過(guò)程產(chǎn)生的光刻膠顆粒等雜質(zhì)沖洗干凈。在沖洗過(guò)程中，晶圓旋轉(zhuǎn)的離心力也會(huì)幫助去除表面雜質(zhì)。有時(shí)為了得到更好的顯影后清洗效果，使用多種靈活的沖洗工藝，如：可在沖洗過(guò)程中，晶圓的旋轉(zhuǎn)速度忽快忽慢，并進(jìn)行多次啟停；使用這種轉(zhuǎn)速變化會(huì)更有效的沖洗晶圓表面顯影時(shí)所產(chǎn)生的雜質(zhì)；或在沖洗過(guò)程中同時(shí)加上氮?dú)庠诙ㄓ皣娮炫源禋猓患铀倬A表面顯影時(shí)化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的雜質(zhì)迅速甩到晶圓邊緣。

為了減少線條顯影后倒塌的風(fēng)險(xiǎn)，可以通過(guò)減小光刻膠線條的高寬比例來(lái)實(shí)現(xiàn)。但這樣會(huì)導(dǎo)致光刻膠圖形太薄，不能提供足夠的刻蝕保護(hù)。有消息顯示，縮短顯影時(shí)間也可以減小線條倒塌。線條倒塌的一個(gè)因素是顯影液擴(kuò)散進(jìn)入光刻膠涂層的界面，降低了光刻膠的附著力。縮短顯影時(shí)間可以有效避免顯影液在此界面的擴(kuò)散。

減小線條倒塌最有效的辦法是減小水的表面張力及增大接觸角。在沖洗晶圓的水中添加少量的活化劑可以達(dá)到此目的。在水中添加少量活化劑后，表面張力會(huì)大幅度下降，但再進(jìn)一步添加活化劑后，表面張力減小的幅度就會(huì)變緩，而且維持在一定數(shù)值。

使用添加了活化劑的水沖洗晶圓緊跟在去離子水沖洗之后。這時(shí)去離子水仍然覆蓋晶圓表面，尚未干燥，對(duì)光刻膠圖形并未造成傷害。添加了活化劑的水噴灑在晶圓表面取代去離子水填充在光刻膠圖形之間，之后對(duì)晶圓做干燥處理。

圖5　顯影噴嘴示意圖

如圖1所示，顯影噴嘴的種類是隨著顯影工藝的優(yōu)化而改進(jìn)。H型噴嘴，是在顯影腔體中從晶圓移動(dòng)至晶圓中間位置往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在此運(yùn)動(dòng)過(guò)程中距離晶圓一定高度進(jìn)行顯影液噴灑，保證顯影液的流量及均勻性。E2型噴嘴則是為了使顯影液一字排列緊貼晶圓適量噴灑，以達(dá)到減小對(duì)微圖形的沖擊、節(jié)約顯影液的目的，該種方式更經(jīng)濟(jì)、更便捷。而對(duì)于LD型噴嘴則是編制配方使其從晶圓邊緣運(yùn)動(dòng)到另一端邊緣，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中邊走邊噴，從而提高顯影液噴灑的一致性并保證噴嘴的清潔度，以此來(lái)滿足工藝需求。隨著顯影工藝指標(biāo)要求的提高和降低成本的需求，將會(huì)不斷有新型的顯影噴嘴被研制開(kāi)發(fā)來(lái)滿足新型顯影工藝。

3　顯影噴嘴對(duì)顯影工藝缺陷的預(yù)防

圖6　球型缺陷成因魚(yú)骨圖

在顯影工藝過(guò)程中需要避免的一個(gè)重要缺陷即球型缺陷。如圖6在顯影工藝過(guò)程中造成球型缺陷的主要因素之一就是顯影噴嘴。球型缺陷指當(dāng)光刻膠噴淋在晶圓表面經(jīng)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力將其外延而形成一層光刻膠涂層的過(guò)程中，因多余光刻膠被甩出晶圓表面時(shí)，再碰撞到勻膠 Cup，經(jīng)其向下順流至排廢口，由排廢管排出。如果無(wú)法及時(shí)排出，而晶圓仍在高速運(yùn)行，會(huì)使剩余的光刻膠飛揚(yáng)，在晶圓表面形成細(xì)小的顆粒，再通過(guò)工藝單元的風(fēng)流使其飄落在晶圓上，而該細(xì)小顆粒一般尺寸微小，類球狀，經(jīng)過(guò)曝光后，再通過(guò)顯影工藝清洗后會(huì)在此處形成不完全曝光，從而形成球型缺陷。因此顯影噴嘴的合理設(shè)計(jì)也是可以避免缺陷的產(chǎn)生。

4　結(jié)語(yǔ)

綜上可知，顯影噴嘴對(duì)于顯影工藝的重要性。國(guó)內(nèi)顯影噴嘴的研制也有一定的進(jìn)展，由清華大學(xué)與沈陽(yáng)芯源共同開(kāi)發(fā)研制的國(guó)產(chǎn)顯影噴嘴已經(jīng)在整機(jī)進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)對(duì)材料、導(dǎo)流板、保溫、排氣等機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)增強(qiáng)了顯影噴嘴噴灑液體的穩(wěn)定性。國(guó)內(nèi)對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)的大力扶持，校企聯(lián)合力度的加強(qiáng)，相信在不久的將來(lái)國(guó)內(nèi)設(shè)備商對(duì)于顯影噴嘴的開(kāi)發(fā)一定會(huì)研制出更多具有自主產(chǎn)權(quán)的新型顯影噴嘴來(lái)滿足新型顯影工藝的需求，使國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備占據(jù)更大的份額。

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