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半导体 | 光刻工艺(上)：表面制备、涂胶、软烘培、曝光

发布：北京爱蛙科技有限公司

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光刻工艺是集成电路制造中至关重要的环节。它通过一系列复杂的步骤，包括涂覆光刻胶、曝光、显影等，将设计好的电路图案精确地转移到半导体晶圆表面。

光刻工艺:从表面准备到曝光

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

晶圆几乎总是从一个清洁的区域来到光刻区域的，如氧化、掺杂、化学气相淀积。然而晶圆在存储、装载和卸载到片匣过程中，可能会吸附到一些颗粒状污染物，而这些污染物是必须清除掉的。根据污染的等级和工艺的需要，可以用几种不同的微粒清除方法。最极端的情况是，可能会给晶圆进行化学湿法清洗，这种方法和氧化前清洗比较相似，它包括酸清洗、水冲洗和烘干。所使用的酸必须要和晶圆表面层兼容。

2）脱水烘培

我们已经提到过，晶圆表面必须要干燥以增加它的黏附性。一个干燥的表面称做厌水性(hydrophobic)表面,它是一种化学条件。在厌水性表面上液体会形成小滴,例如水在刚刚打完蜡的汽车表面会形成很多小水珠。厌水性表面有益于光刻胶的黏结。晶圆在进行光刻蚀加工之前表面通常是厌水性的。遗憾的是，当晶圆暴露于空气中的湿气或是清洗结束后的湿气时，表面会变成亲水性(hydrophilic)在这种条件下液体会在晶圆表面形成较大的一滩水，就像是水在没有打蜡的汽车表面一样。亲水性表面同时也称为含水的表面。在含水的表面光刻胶不能很好地黏结。

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)。

3）晶圆涂底胶

除了脱水烘焙外,晶圆还可以通过涂化学底胶来保证它能和光刻胶黏结得很好。涂胶时，所选择的底胶有很好的吸附表面并且能够为正式涂胶提供一个平滑的表面。在半导体光刻工艺中,底胶的作用和这一点比较相似。底胶从化学上把晶圆表面的水分子系在一起，因此增加了表面的附着能力。有很多化学品提供了涂底胶的功能，但是目前被广泛应用着的是六甲基乙硅胺烷(HMDS)。HMDS是由在溶液中混合了10%~100%二甲苯而得到的。而准确的混合物是由净化间里的环境因素和特定的晶圆表面来决定的。

HMDS沉浸式涂底胶：

常用的涂底胶方法，HMDS是一种硅烷化合物，能够与晶圆表面的硅原子形成化学键。在沉浸式涂底胶中，晶圆被浸入含有HMDS的溶液中，然后取出并加热，以使HMDS在晶圆表面形成一层均匀的膜。

旋转式涂底胶：

旋转式涂底胶涉及将晶圆放置在旋转台上，然后通过旋转和离心力的作用，将底胶材料均匀地涂覆在晶圆表面。这种方法可以控制涂胶的厚度和均匀性，适用于需要精确控制膜厚的应用。

蒸气式涂底胶：

蒸气式涂底胶是通过将底胶材料加热至气态，然后在晶圆表面凝结形成薄膜的方法。这种方法可以在晶圆表面形成非常均匀的薄膜，并且可以避免液体涂胶可能带来的颗粒污染问题。

二、涂光刻胶（旋转式）

涂胶工艺的目的就是在晶圆表面建立薄的、均匀的并且没有缺陷的光刻胶膜这些好的质量说起来容易，却需要用精良设备和严格的工艺控制才能达到。一般来说光刻胶膜厚从 0.5~1.5μm不等，而且它的均匀性必须要达到只有±0.01um的误差。涂胶器有手动式、半自动式和全自动式。自动化程度不同，所应用的系统也会不同。

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。

静态旋转工艺

光刻胶覆盖

光刻胶膜的最终厚度是由光刻胶黏度、旋转速度、表面张力和光刻胶的干燥性来决定的。在实践中，表面张力和干燥性是光刻胶的自身性质，黏度和旋转速度之间的关系是由光刻胶供应商所提供的曲线来决定的，或者是根据特定的旋转系统而建立的。下图是典型厚度与旋转速度的关系。

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。

自动光刻胶喷洒器具备负压的功能，它能在光刻胶喷洒操作完成之后自动地把光刻胶吸回到喷洒管中。这个回吸功能(drawback或 suckback)减少了管子中光刻胶暴露的表面，从而防止了暴露的光刻胶干化成硬球而落到品圆表面。对于一个全自动系统，所有的旋转工艺事件是用微处理器来控制的。这个系统能够自动地把晶圆从片匣中取出来放在吸盘上，进行涂底胶、滴光刻胶、去除边缘珠、软烘焙，再把晶圆放回到片匣中。标准的系统配置是一条流水线，又称轨道(tack)。生产上的涂胶机一般会有2~4个并排的轨道。

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

在某些器件的工艺中，需要在光刻过程中保持晶圆背面氧化物的存在。一种方法是通过在晶圆背面涂光刻胶来完成的。这种背面涂胶的要求仅仅是一个足够厚的光刻胶膜来阻隔刻蚀。

三、软烘焙

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。

热传递的3种方式是:传导、对流和辐射。传导是热量通过直接接触物体的热表面传递的。热板就是通过传导加热。在传导过程中，热表面的振动原子使待加热对象的原子也振动起来。由于它们的振动和碰撞，这些原子就会变热。一些脱水烘焙在对流烘箱中进行。使用对流加热的系统包括:家用强制对流炉、电吹风、空气和氮气烘箱，以及氧化炉。在这些系统中，一个装置将气体加热，然后利用鼓风机或压力将气体推向一个空间，这样一来，能量就传递给了物体。第三种方式是辐射。辐射(radiation)这个词所描述的是电磁能量波在空间的传播。辐射波在真空和气体中都能够传播。太阳就是通过辐射将热量传递给地球的。加热灯也是靠辐射传递热量的。辐射是快速热处理(RTP)系统所使用的加热方式。当物体受到辐射时，由波携带着的能量直接传递给物体的分子。

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

烘箱的结壳效应

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

热板加热的背面优势可以通过轨道系统获得。把单片晶圆热板装入回转系统中。晶圆离开旋转器后被放在热板上，用真空将其固定在上面。晶圆和光刻胶被加热(事先设定的一段时间),然后释放真空，晶圆被移至载片器中。为去掉溶剂蒸气，这些内置系统要连接到工厂的排风系统上。

4）移动带式热板

在集成系统中，使用单片晶圆热板在生产率上的局限在于旋转步骤的总体时间。典型的旋转时间为25~40s,这就意味着要想使晶圆连续不停地“流动”,软烘焙就必须在这个时间范围内完成。这个时间长度对某些光刻胶和某些工艺来说太短了。解决这个问题的一个方法就是使用移动带式热板。把晶圆放到加热过的移动钢带上，设定温度和钢带速度以满足软烘焙的要求。这样就可以使晶圆连续不断地“流动”。

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。

软烘培图表

四、对准与曝光

对准和曝光(A&E),是十步基本光刻工艺步骤之一,顾名思义,有两个分立的动作。对准和曝光的第一步是把所需图形在晶圆表面上定位或对准。第二步是通过曝光灯或其他辐射源将图形转移到光刻胶涂层上。图形的准确对准，以及光刻胶上精确的图形尺寸的形成是器件和电路正常工作的决定性因素。此外，晶圆加工时间的60%都在光刻区域中。除了图形的形状和尺寸控制外，图形套准或对准误差是一个关键的参数。再次用摩天大楼类比是有用的。如果电梯的楼层不对齐,将造成电梯系统功能的严重问题。在集成电路也适用同样的原则。个别图形层必须恰当地放到里面和遮盖，以确保器件功能。精确的误差是关键尺寸和特定电路节距的百分比。随着图形层数增多，套准误差受到挑战。

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。

非掩模版系统让所需的图形编码到曝光源中。随着曝光能量波被“引渡”到晶圆表面上正确的位置，无掩模版的图形被直接“投影”到光刻胶层。第二个子系统是曝光源。光学光刻机采用紫外线作为光源，而非光学光刻机的光源则来自电磁光谱的其他部分。为满足减小特征图形尺寸，增加电路密度，以及甚大规模集成电路(ULSI)时代对产品缺陷的要求,光刻设备得以不断发展。

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：

1.【美】Peter Van Zant ，韩郑生译，芯片制造-半导体工艺制程实用教程（第六版），电子工业出版社；

2.【日】佐藤淳一，王艺文，王姝娅译，图解入门半导体制造工艺基础精讲（第四版），机械工业出版社；；

3.余盛，芯片战争，华中科技大学出版社。

未完待续......

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