基于雙掩模光刻機(jī)的真空復(fù)印機(jī)構(gòu)與工藝研究

蘆 剛，毛善高，李 順

( 中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所， 北京 100176)

接觸接近式光刻設(shè)備主要用于功率電子器件、傳感器、探測器、光電子器件、微波電路、MEMS（微電子機(jī)械系統(tǒng)）及其它新型電子元器件的單、雙面對準(zhǔn)及曝光工藝[1]。雙面光刻機(jī)根據(jù)工作原理可分為雙面對準(zhǔn)單面曝光和單面對準(zhǔn)雙面曝光兩大類型。具體選擇哪一種雙面光刻機(jī)，半導(dǎo)體廠商需要根據(jù)產(chǎn)品的工藝特點(diǎn)來綜合考量后，才能確定選擇適應(yīng)于自身產(chǎn)品的雙面光刻機(jī)。

1 雙面對準(zhǔn)單面曝光原理及特點(diǎn)

雙面對準(zhǔn)單面曝光型光刻機(jī)具有2 套對準(zhǔn)觀察系統(tǒng)和1 套曝光系統(tǒng)，其曝光方式可以實(shí)現(xiàn)真空接觸曝光、硬接觸曝光、軟接觸曝光、接近式曝光。曝光模式多樣化，對準(zhǔn)精度高，曝光分辨率高。

其工作原理主要是采用底部對準(zhǔn)（BSA）原理，在頂部對準(zhǔn)（TSA）觀察系統(tǒng)支持下，已經(jīng)完成基片的單面曝光。根據(jù)底部對準(zhǔn)原理，將所需掩模版裝載固定后，手動驅(qū)動底面對準(zhǔn)顯微鏡兩物鏡的位置移動及焦距調(diào)整，直到掩模版上的兩對準(zhǔn)標(biāo)記清晰地出現(xiàn)在監(jiān)視器上，此時選定物鏡的位置，掩模版上標(biāo)記圖形已被計算機(jī)的圖像卡存貯起來；然后將基片送入對準(zhǔn)臺，掩模版和基片背面上的標(biāo)記圖形同時出現(xiàn)在監(jiān)視器上，形成動、靜兩畫面迭加，使用手動對準(zhǔn)工作臺（X、Y、θ）的微調(diào)手柄，使基片標(biāo)記與掩模標(biāo)記對準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)雙面對準(zhǔn)，如圖1 所示。

圖1 雙面對準(zhǔn)單面曝光對準(zhǔn)原理圖

2 單面對準(zhǔn)雙面曝光原理及特點(diǎn)

單面對準(zhǔn)雙面曝光型光刻機(jī)[2]具有一套底部對準(zhǔn)系統(tǒng)和上下兩套曝光系統(tǒng)，其曝光方式為軟接觸曝光。對準(zhǔn)精度相對較低，曝光分辨率偏低，但生產(chǎn)效率較高。

雙掩模光刻機(jī)雖然存在對準(zhǔn)精度低、曝光分辨率低的不利因素，但在功率電子器件、微波電路、MEMS（微電子機(jī)械系統(tǒng)）等器件生產(chǎn)中，具有雙面工藝要求，其基片上下兩面需要首次同時曝光作為基準(zhǔn)，這種雙面光刻機(jī)依然存在巨大的應(yīng)用領(lǐng)域。因此，如何在現(xiàn)有的設(shè)備上通過技術(shù)提升，進(jìn)一步提高雙掩模光刻機(jī)的曝光分辨率及曝光線條的均勻一致性具有重要的意義。

雙掩模光刻機(jī)的對準(zhǔn)原理如圖2 所示。

圖2 雙掩模光刻機(jī)對準(zhǔn)原理圖

2.1 雙掩模對準(zhǔn)過程

上掩模版向下運(yùn)動和下掩模版接觸，完成兩掩模版的楔形誤差補(bǔ)償，然后4 個氣缸鎖定上掩模版架，保持兩掩模版的平行，驅(qū)動電子數(shù)顯微分頭，使上掩模版向上微動一對準(zhǔn)間隙，在顯微鏡的觀察下驅(qū)動下掩模版作X、Y、θ 向運(yùn)動使兩掩模版上的圖形標(biāo)記對準(zhǔn)，對準(zhǔn)后上掩模版升至最高位置，至此完成版-版的對準(zhǔn)。

2.2 掩模與基片對準(zhǔn)過程

硅片由機(jī)械手送入上、下掩模版之間，機(jī)械手向下運(yùn)動，使硅片和下掩模版接觸，完成掩模版與硅片的楔形誤差補(bǔ)償，然后氣缸鎖定硅片（機(jī)械手找平碗），保持掩模版與硅片的平行，驅(qū)動機(jī)械手的步進(jìn)電機(jī)，使硅片向上運(yùn)動一對準(zhǔn)間隙（對準(zhǔn)間隙可在工業(yè)觸摸屏上設(shè)定），驅(qū)動手柄系統(tǒng)作X、Y、θ 向運(yùn)動使下掩模版與硅片的圖形標(biāo)記對準(zhǔn)，對準(zhǔn)后機(jī)械手向下運(yùn)動將硅片無漂移地（吹氮?dú)猓┓诺较卵谀０嫔?，機(jī)械手退出，至此完成版與片的對準(zhǔn)。

3 雙面對準(zhǔn)光刻機(jī)及工藝實(shí)驗(yàn)

根據(jù)雙面光刻機(jī)[3]的原理，研制的雙面掩模光

刻機(jī)對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 雙面掩模光刻機(jī)對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)

采用雙面掩模光刻機(jī)在生產(chǎn)線上對曝光參數(shù)

的統(tǒng)計，掩模版尺寸及樣片尺寸測量如表1 所示。

時至今日，傳統(tǒng)中國山水畫的創(chuàng)作者們?nèi)匀辉趶那拜叺漠嬜髦屑橙I養(yǎng)，學(xué)習(xí)他們甘于平淡的藝術(shù)精神。從政治經(jīng)濟(jì)環(huán)境來說，現(xiàn)今的社會和古代社會已發(fā)生了天壤之別，當(dāng)今的山水畫作者所處的時代背景決定了他們并不會完全像古代畫家一樣去追求離塵出世。然而中國文化的內(nèi)核一直未曾改變，都是以儒釋道為核心的。這一點(diǎn)決定了中國山水畫的藝術(shù)追求不會發(fā)生根本的轉(zhuǎn)變，隱逸山林、心生出離的基調(diào)也不會徹底改變。

表1 曝光數(shù)據(jù)統(tǒng)計表 μm

由表1 基片抽樣檢測結(jié)果可以看出，基片曝光線條均勻性誤差大，其不均勻性誤差在30%，為了進(jìn)一步檢測曝光線條均勻性誤差，在不同批次取出不同數(shù)量，共計50 片，進(jìn)行檢測測量，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析，其曝光線條不均勻性正態(tài)分布如圖4 所示。

圖4 曝光基片偏差正態(tài)分布曲線

由此證明，雙掩模光刻機(jī)采用軟接觸曝光模式，其曝光線條的均勻性達(dá)不到雙面對準(zhǔn)單面曝光光刻機(jī)的曝光水平。

在單面光刻機(jī)中，其曝光模式對分辨率有很大的影響。表2 列出了接觸接近式光刻機(jī)中幾種曝光方式通?？蛇_(dá)到的曝光分辨率。

表2 接觸接近式曝光機(jī)曝光分辨率

從表2 可以看出，在真空接觸模式下，其曝光分辨率最好，受此啟發(fā)，能否在雙面光刻機(jī)上增加真空復(fù)印模式功能，從而提高曝光分辨率應(yīng)該是可行的。為此對設(shè)備結(jié)構(gòu)分析，完善改進(jìn)了雙掩模的版架機(jī)構(gòu)，增加了真空復(fù)印裝置，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 雙面掩模真空復(fù)印機(jī)構(gòu)

通過對改進(jìn)后的雙面光刻機(jī)進(jìn)行工藝驗(yàn)證，驗(yàn)證曝光分辨率及曝光線條均勻性。實(shí)驗(yàn)采用改進(jìn)型SB-402 雙面光刻機(jī)、UV-A 型紫外輻射照度計（配備365 nm 探頭）、光刻膠和去離子水等。采用雙面光刻機(jī)成熟優(yōu)化好的工藝參數(shù)及條件，曝光工藝條件采用AZ5214E 正膠，φ100 mm 標(biāo)準(zhǔn)硅片，勻膠工藝步驟為：（1）熱板前烘去除表面水分，前烘時間60 s，溫度90 ℃；（2）采用半自動勻膠機(jī)旋涂曾粘劑HDMS，轉(zhuǎn)速設(shè)置600 r/min，前烘時間60 s，溫度90 ℃；（3）采用半自動勻膠機(jī)進(jìn)行勻膠，勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置4 500 r/min，光刻膠厚度控制在1～1.5 μm。曝光模式采用真空復(fù)印，光照強(qiáng)度為10 mW/cm2，曝光時間為3 s，堅膜后烘設(shè)置熱板溫度為90 ℃，時間為90 s。采用PDM-2038 顯影液，顯影后使用去離子水清洗樣片表面。

在相同條件下，不同曝光模式下、不同真空度下的樣片進(jìn)行了樣片表面觀察，測量光學(xué)顯微鏡采用OLYMPUS 顯微鏡。為了保證觀測準(zhǔn)確性，采用9 點(diǎn)測量法。即每組觀測選擇同一樣片上的不少于9 個點(diǎn)，觀測部位和相同位置不同放大倍數(shù)下觀測。相同工藝條件下，兩種曝光模式曝光分辨率數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表3 所示。相同工藝條件下，不同真空度下的曝光分辨率如表4 所示。

表3 兩種模式曝光分辨率統(tǒng)計表

表4 不同真空度下的曝光分辨率統(tǒng)計表

因此，將曝光分辨率2 μm 看成應(yīng)當(dāng)加以研究并由控制圖加以控制的重要質(zhì)量特性；同時在相同工藝條件下，不同基片曝光線條均勻性進(jìn)行檢測驗(yàn)證，以基體曝光面的4 個角及中間位置的曝光線條為1 個樣本，即樣本容量n=5；每25 片為一個循環(huán)，抽取1 個樣本；收集25 個樣本數(shù)據(jù)，即樣本個數(shù)k 為25，并按讀取順序?qū)⑵溆涗浻诒碇校绫?、表6 所示。

表5 雙面上表面曝光線寬和樣本統(tǒng)計量 μm

表5、表6 中X1-X5為線寬統(tǒng)計量，根據(jù)計算統(tǒng)計量-R 圖的控制界限計算公式：

表6 雙面下表面曝光線寬和樣本統(tǒng)計量 μm

R 上控制界限線Ucl=D4·

R 下控制界限線Lcl=D3·

根據(jù)以上計算公式計算并將其控制圖繪制的Xbar-R 圖如圖6、圖7 所示。

圖6 雙面上表面曝光線寬的Xbar-R 圖

圖7 雙面下表面曝光線寬的Xbar-R 圖

光學(xué)顯微鏡放大500 倍時觀察樣片，如圖8所示。2 μm 和2.5 μm 線條中都沒有出現(xiàn)中間斷裂現(xiàn)象，線條平滑陡直無鋸齒。

圖8 曝光線條實(shí)驗(yàn)圖

4 雙面對準(zhǔn)光刻機(jī)程序優(yōu)化

通過對實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的不良現(xiàn)象的分析及多次的調(diào)試及程序優(yōu)化組合，即上版架下來與下掩模接觸后，延遲0.5 s，再將真空電磁閥打開，將兩塊掩模及基片間的空氣抽空，形成負(fù)壓，真空閥工作3 s，此時觀察上掩模版，發(fā)現(xiàn)其與基片接觸部位干涉條紋明顯增多，說明掩模版與基片貼附效果明顯好于未采用真空復(fù)印模式，上下快門打開基片曝光，為確保上版架抬升時，不被真空復(fù)印曝光模式產(chǎn)生的負(fù)壓破壞上掩模的找平效果，真空閥切換，與其排氣端連接的氮?dú)忾y打開，向掩模版吹氮?dú)? s，使其完全破壞掩模之間的負(fù)壓，然后上版架抬升，機(jī)械手取出曝光的基片。完善改進(jìn)的局部氣路系統(tǒng)如圖9 所示。

圖9 氣路改進(jìn)圖

5 結(jié)束語

通過反復(fù)多次的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出如下結(jié)論。雙掩模雙面光刻機(jī)通過采用真空復(fù)印模式，其曝光分辨率要優(yōu)于軟接觸曝光模式，且曝光線條的均勻一致性要好。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定可靠性，將改進(jìn)后的上版架機(jī)構(gòu)搭建到用戶的設(shè)備上，并作了相應(yīng)的氣路改造及程序升級。通過用戶現(xiàn)場多批次，500 片的曝光實(shí)驗(yàn)，并檢測及數(shù)據(jù)分析，其曝光線條的精度在±0.15 μm，解決了設(shè)備原有曝光線條不均的問題，基片整體質(zhì)量有了質(zhì)的提高，用戶非常滿意。

由此表明，通過改進(jìn)曝光方式，從而提高曝光工藝的可行性，進(jìn)一步證明工程技術(shù)人員要加強(qiáng)對半導(dǎo)體產(chǎn)品生產(chǎn)工藝的了解和學(xué)習(xí)，將半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝知識融入到半導(dǎo)體設(shè)備的設(shè)計研發(fā)中，充分理解一代工藝一代設(shè)備，只有這樣才能設(shè)計制造出滿足不同產(chǎn)品生產(chǎn)工藝需求的半導(dǎo)體設(shè)備。