關(guān)于光刻膠涂膠中球狀缺陷的研究

孫會權(quán)，王延明，楊 悅，韓 禹

（沈陽芯源微電子設備股份有限公司 遼寧 沈陽 110000）

0 引言

在整個光刻工序中，需要用到很多種不同類型的光刻膠，包括底部抗反射涂層（bottom anti-reflection coating，BARC）類、頂部抗反射涂層（top anti-reflection coating，TARC）類以及光刻膠（photoresist，PR）［1－2］；不同的光刻膠具有不同的化學特性，例如某些光刻膠具有極強的揮發(fā)性，它們在涂膠過程中很容易產(chǎn)生球狀缺陷，導致涂膠不良，影響顯影結(jié)果，進而影響產(chǎn)品的良率。本文選用了兩種高揮發(fā)性光刻膠，對涂膠過程中球狀缺陷的產(chǎn)生過程進行了研究，并針對不同的原因提出不同的解決辦法。

1 涂膠的過程與實驗平臺介紹

1.1 涂膠的工藝流程

涂膠工藝流程如下：首先在晶圓上進行六甲基二硅胺（hexamethyl disiloxane，HMDS）的涂布，由于晶圓表面呈親水性，直接涂布光刻膠會造成光刻膠與晶圓黏附性差，在后續(xù)顯影過程中容易出現(xiàn)PR 塌陷的現(xiàn)象［3］，HMDS 可以改變晶圓表面性質(zhì)，將親水性改變?yōu)槭杷?，提高光刻膠與晶圓的黏附性；HMDS 涂布腔體為高溫環(huán)境，故涂布結(jié)束后需將晶圓冷卻，然后進行光刻膠的涂覆，以旋轉(zhuǎn)涂膠的方式將光刻膠涂覆均勻，經(jīng)過熱板進行軟烘，使光刻膠中的溶劑揮發(fā)，起到固化的作用，最后再經(jīng)過冷卻，涂膠完成［4］。

1.2 實驗平臺與檢測儀器介紹

本文實驗采用沈陽芯源公司自主研發(fā)的TRACK 機臺，該機型可完成涂膠與顯影工藝。

實驗采用如下檢測儀器進行量測：①顆粒檢測儀，用于檢測環(huán)境中的顆粒變化情況。②顆粒掃描儀，用于檢測晶圓表面顆粒增加情況。③成分分析儀器，用于分析晶圓表面新增加顆粒成分，判斷新增顆粒是否為球狀缺陷。

2 球狀缺陷的成因

2.1 球狀缺陷的成因分析

在光刻膠涂膠整個過程中，主要工藝影響腔體為HMDS 涂布腔體、旋轉(zhuǎn)涂膠腔體以及熱板烘烤腔體；冷板主要起到冷卻作用，將晶圓控制在工藝要求溫度范圍內(nèi)，故對球狀缺陷影響不大，而HMDS 涂布在光刻膠涂膠之前，也對球狀缺陷的影響不大［5］。所以，球狀缺陷主要成因來自旋轉(zhuǎn)涂膠腔體以及熱板烘烤腔體。

首先，由于涂膠方式為旋轉(zhuǎn)涂膠，晶圓在一個很高的轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)將光刻膠攤開，由于光刻膠揮發(fā)性較強，在較高的轉(zhuǎn)速下，會伴隨著光刻膠的揮發(fā)，如果此時揮發(fā)物未被及時排走，就容易回落至晶圓表面，形成球狀缺陷；其次，在涂膠結(jié)束后進行軟烘，光刻膠中的溶劑在高溫下加熱烘烤時會迅速揮發(fā)，產(chǎn)生大量的揮發(fā)物，如果過程中揮發(fā)物沒有被及時排走，也很容易回落至晶圓表面，形成球狀缺陷。

下面將采用兩款不同黏度且揮發(fā)性均較高的光刻膠分別進行實驗，驗證球狀缺陷形成的步驟與時間，并找到合理的解決辦法。

2.2 球狀缺陷形成驗證

在涂膠完成后，球狀缺陷可以采用顆粒掃描儀進行涂膠之后晶圓表面增加顆粒數(shù)測量，新增加的顆粒分為以下三種情況：①為機臺環(huán)境中的顆粒落在晶圓上；②為光刻膠管路自身帶來的顆粒；③為涂膠過程中產(chǎn)生的球狀缺陷。通過成分分析儀可以看到新增加顆粒的形貌與成分。圖1 為涂膠之后顆粒掃描儀檢測的結(jié)果圖，將部分新增加顆粒通過分析儀觀察形貌并分析成分，結(jié)果顯示，新增加顆粒形貌為球狀，成分為C、O 元素，可證明該球狀缺陷為球狀缺陷［6］。如圖2 所示。

圖1 顆粒掃描儀結(jié)果

驗證球狀缺陷形成的步驟與時間，采用顆粒檢測儀實時采集工藝單元周邊粒子變化情況，若工藝過程中揮發(fā)出來的顆粒未被及時抽走，則會溢出至周圍環(huán)境中，顆粒檢測儀會以顆粒的形式捕捉到。

采用光刻膠1 和光刻膠2 兩種光刻膠進行涂膠實驗：

（1）在一個涂膠腔體進行涂膠，測試該腔體周圍的粒子變化情況，同時在相鄰腔體分別放置晶圓做靜置實驗，測試周圍單元是否會被揮發(fā)出來的顆粒影響。

（2）在整個烘烤過程中監(jiān)測熱板單元周圍環(huán)境粒子變化情況。

（3）對晶圓進行顆粒掃描儀測試，并用成分分析儀觀察形貌，確定成分。

結(jié)果顯示：光刻膠1 在涂膠過程中，在涂膠配方主要控制成膜厚度步驟前，存在一段短時間的高轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)速＞2 000 r/min）。在該步驟時，腔體周圍粒子數(shù)量迅速增加，瞬時可達數(shù)十萬顆，其余時間數(shù)量無明顯變化；而在熱板中烘烤時，當盤蓋升起的那一瞬間，熱板周圍環(huán)境粒子數(shù)量會增加約幾千顆，其余時間無明顯變化；顆粒增加數(shù)量級明顯小于涂膠過程。可見造成光刻膠1 球狀缺陷的主要原因在于涂膠步驟，烘烤過程中也會有影響，但遠小于涂膠所帶來的顆粒揮發(fā)。

顆粒掃描儀測試結(jié)果顯示，實驗相鄰腔體所靜置的晶圓，均有數(shù)十顆以及上百顆的粒子增加，缺陷結(jié)果為球狀，且成分為C、O 元素，故新增加顆粒為球狀缺陷，可見光刻膠1 在涂膠過程中，產(chǎn)生的球狀缺陷還會影響到相鄰單元。

光刻膠2 在涂膠過程中，腔體周圍粒子數(shù)量無明顯變化；在熱板中烘烤時，腔體周圍粒子數(shù)量無明顯變化；而在熱板烘烤結(jié)束、盤蓋升起的那一瞬間，熱板周圍環(huán)境粒子數(shù)量有百萬以上增加，此后隨著時間的增加顆粒數(shù)量會逐漸減少。可見造成光刻膠2 球狀缺陷的主要原因在于烘烤，烘烤過程中揮發(fā)物未被及時排走，盤蓋開啟瞬間大量揮發(fā)物溢出，此時環(huán)境排風也未及時排走溢出揮發(fā)物，導致?lián)]發(fā)物回落至晶圓表面，形成球狀缺陷。

顆粒檢測儀測試結(jié)果顯示，相鄰腔體所靜置的晶圓無明顯粒子增加，可見光刻膠在涂膠過程中不會有揮發(fā)物溢出從而影響到相鄰單元。

3 球狀缺陷的控制

確定了球狀缺陷的形成步驟與時間后，尋求進一步解決該問題的方案。球狀缺陷產(chǎn)生的根本原因就是在揮發(fā)物大量溢出時，沒有被及時排走。那么如果在揮發(fā)物溢出時，通過合理的涂膠配方優(yōu)化以及供排風的參數(shù)優(yōu)化，理論上就可以控制或解決球狀缺陷。

3.1 涂膠過程中產(chǎn)生球狀缺陷的控制

對于光刻膠1，球狀缺陷產(chǎn)生的步驟在于在涂膠過程中高轉(zhuǎn)速下，揮發(fā)物迅速產(chǎn)生、沒有被及時排走而溢出，有兩種方案進行控制：第一，降低高甩步驟的轉(zhuǎn)速，降低揮發(fā)量，在原有腔體排風基礎上，揮發(fā)物可被及時抽走；第二，加大CUP 排風，使揮發(fā)物及時被抽走。下面將分別對兩種方法進行實驗。

（1）降低高甩轉(zhuǎn)速。將大于2 000 r/min（2 000～3 400 r/min）的高轉(zhuǎn)速依次降低至2 000 r/min 以下，分別測試腔體周圍粒子變化情況。

當轉(zhuǎn)速降至2 000 ～2 500 r/min 時，粒子數(shù)量可明顯降低，當轉(zhuǎn)速降至2 000 r/min 以下時，腔體周圍粒子基本沒有增加，顆粒掃描儀測試結(jié)果顆粒數(shù)量也符合要求，可見，降低高轉(zhuǎn)速可有效解決該光刻膠球狀缺陷問題。但對于轉(zhuǎn)速的改變會引起膜厚變化的情況，可根據(jù)實際情況進行轉(zhuǎn)速調(diào)整。

（2）增加CUP 排風。在前道半導體領域，TRACK 涂膠單元排風通常分為單元排風（低排風）與CUP 排風（高排風），腔體默認環(huán)境下，CUP 一直處于低排環(huán)境中，在涂膠配方中可根據(jù)需要開啟高排風。為了膜厚的穩(wěn)定性，通常在涂膠動作開始時開啟高排，在回流步驟之后關(guān)閉。對于CUP 排風，低排與高排的硬件參數(shù)基本是固定的，因為在同一機臺上不可能只進行一款光刻膠的工藝，改變整體排風參數(shù)，勢必會影響其他光刻膠工藝。因此，可以針對高轉(zhuǎn)速步驟，通過配方優(yōu)化嘗試解決該問題。通常在配方中的該步驟高轉(zhuǎn)速時，高排風已經(jīng)關(guān)閉；若在高轉(zhuǎn)速的同時開啟高排風，高轉(zhuǎn)速結(jié)束時關(guān)閉，必定會對揮發(fā)物的溢出有所改善。

對以上方法進行驗證：修改涂膠配方，在高甩步驟開啟高排風，并采用該配方進行涂膠測試。結(jié)果表示，在高轉(zhuǎn)速步驟時腔體周圍粒子數(shù)量基本沒有增加，顆粒掃描儀測試結(jié)果顯示涂膠之后晶圓表面增加顆料數(shù)量也符合要求?？梢姡诟咿D(zhuǎn)速步驟開啟高排風可有效解決該光刻膠球狀缺陷問題。

3.2 軟烘過程中產(chǎn)生球狀缺陷的控制

對于光刻膠2，球狀缺陷產(chǎn)生的步驟在于軟烘結(jié)束后，盤蓋打開瞬間揮發(fā)物溢出并且沒有被及時排走，回落至晶圓表面。熱板腔體的排風，分為盤蓋排風和環(huán)境排風兩種，假設盤蓋排風足夠大，在烘烤時可以將揮發(fā)物全部排走，在開蓋瞬間也不會有揮發(fā)物溢出；若盤蓋排風有限，盤蓋開啟后存在揮發(fā)物溢出，但熱板環(huán)境排風足夠大，也可及時將揮發(fā)物排走。下面將進行兩方面的實驗：

（1）增加盤蓋排風：對于該類型光刻膠，通常盤蓋排風的設定值為30～70 Pa，因排風數(shù)值對膜厚有很大影響，故不能一味地加大，在有限的范圍內(nèi)，將盤蓋排風的設定值增加至80～100 Pa 進行測試，結(jié)果在盤蓋打開瞬間熱板周圍粒子數(shù)量仍然為百萬級，在有限范圍內(nèi)增加盤蓋排風無改善。

（2）增加環(huán)境排風：環(huán)境排風設定值為30 ～60 Pa，將環(huán)境排風設定值增大至70～200 Pa 進行測試，結(jié)果在盤蓋打開瞬間熱板周圍粒子數(shù)量有所下降，降低至幾十萬顆。可見增加熱板環(huán)境排風可以將揮發(fā)物在溢出后排走一部分，但由于硬件結(jié)構(gòu)原因與廠務能力有限，無法繼續(xù)提升環(huán)境排風。

通過以上實驗可以證實，在原有熱板結(jié)構(gòu)基礎上且不影響工藝指標的前提下，無法完全解決球狀缺陷問題。下面將通過對熱板單元結(jié)構(gòu)改造，設計新結(jié)構(gòu)，增加熱板盤體內(nèi)排風能力，控制揮發(fā)物溢出。

原有熱板結(jié)構(gòu)為加熱盤體與盤蓋為分體式，盤蓋中心連接排風管路，熱板烘烤結(jié)束后盤蓋升起，如圖3 所示。新結(jié)構(gòu)考慮取消分體式盤蓋，設計一體式盤體，從盤體一側(cè)排風，并增大排風管尺寸，增大排風能力，如圖4 所示。力求將揮發(fā)物及時排走，不會溢出至環(huán)境中。

圖3 原結(jié)構(gòu)盤體示意圖

圖4 新結(jié)構(gòu)盤體示意圖

采用新結(jié)構(gòu)熱板，將熱板排風值設定為10 ～70 Pa，分別進行實驗。在進片口位置進行顆粒檢測數(shù)據(jù)采集，測試取片瞬間粒子增長數(shù)量。實驗結(jié)果為：當排風從10 Pa 升至80 Pa 時，進片口位置顆粒數(shù)量由百萬級降低至幾百顆，可見新結(jié)構(gòu)熱板對于控制粒子溢出有明顯效果。如圖5 所示。

圖5 不同排風條件下，進片口位置揮發(fā)物溢出數(shù)量曲線圖

采用顆粒掃描儀對實驗晶圓進行測試，增加顆粒數(shù)在要求范圍內(nèi)，所增加顆粒經(jīng)分析不是球狀缺陷?？梢?，新結(jié)構(gòu)熱板在有限的排風條件下，對揮發(fā)物的溢出與球狀缺陷的控制有明顯的效果［7－8］。

4 結(jié)語

綜上所述，針對球狀缺陷的產(chǎn)生，不同的光刻膠可能原因不同。在發(fā)現(xiàn)問題后，需確定球狀缺陷產(chǎn)生的過程與時間，根據(jù)實際情況與調(diào)整的難易程度，選擇相應的方法去控制其數(shù)量，減少缺陷，提高良率。