提高光刻胶陡直度的方法论文_殷兆静

摘要：陡直度与很多因素有关，如介质的材料、光刻胶的种类以及工艺参数等。在本文中，实验环境固定在硅介质表面，采用罗门哈斯公司生产的LC100A型光刻胶，在已有成熟工艺的基础上，实验采用分段显影方法、改善前烘条件以及加入PEB烘干对提高陡直度的影响。对陡直度的评价采用显微镜定性观察，扫描电镜测量的方法。

关键词：光刻胶陡直度；提高方法

1、前言

光刻是利用光化学反应将临时电路图形从掩膜版转移到光刻胶膜上的工艺。影响光刻质量的因素包含光源、掩膜版与光刻胶三部分。其中，掩膜版与光源(光刻机)在日常生产中视为固定不变的因素。相比较而言，光刻胶受曝光条件、显影条件、烘干条件等诸多因素的影响，其性质会有明显变化。本文就光刻胶膜的陡直度(以下简称“陡直度”)进行了一系列研究和实验，其最终目的是找到现有条件下提高光刻线条陡直度的方法。为了清晰地观察和测量光刻胶膜，在实验中采取观察剖面的方式，进行光刻流程后，由硅片两侧划出缺口，垂直于光刻胶线条将硅片裂开，划片与裂片时不能触及光刻胶线条区域以免造成玷污。最后使用扫描电镜对剖面进行测量与评价。为了裂片方便，实验环境中使用P＜100＞晶向的硅片。

2、光刻原理和成像条件

IC过程中的光刻是将掩膜版上的图形（根据电路的设计制成生产用的多层不同图形的掩膜版）经过曝光系统曝光复印在晶圆表面的光阻上，使光阻感光而发生一定的化学变化，产生溶解性不同的部分，再经过有机碱性物质为主要成分的显影液处理后形成所需图形的过程。因此光刻过程中，掩膜版、涂胶显影设备、曝光对准系统、控制系统、操作软件和检查测量图形的工具都是必须的设备。光刻过程中的误差（包括对准误差和线宽误差）可造成图形改变或丢失，最终可转化为对集成电路的电学性能的影响。光刻工艺中的另一个问题是缺陷。光刻是运用多种高科技技术的特殊照相方法，只是在非常微小的分辨率下进行。在光刻过程中有污染或工艺条件不合适（如胶涂的太薄出现针孔）会造成缺陷。因为光刻在晶圆上转移图形要进行十几层或更多，所以缺陷问题将会逐层放大。

对于NSR-2005i9c光刻机，线宽精度已达亚微米，所以很小的颗粒就会影响光刻的成像质量，造成缺陷线路联通或断开，这对它的工作环境提出了更高的要求，一般要求光刻的洁净度达到十级。此外，因为光刻图形转移载体用的是具有感光性的光阻，如果在普通光线下照射，会使光阻发生化学特性改变，而导致光阻失效，光刻过程也需要限制在特定的光线环境下。一般光刻时，我们用黄色光源进行照明，所以光刻工作间也称为黄光区。

光刻工序是一个复杂的过程，其工艺流程为：前部工艺（晶圆制备后经过氧化或蒸发等处理）——晶圆清洗——表面处理（气相沉积底膜）——旋转涂覆光阻——前烘——对准和曝光——曝光后烘焙——显影——坚膜烘焙——显影检查。如图1光刻工艺流程图。

图1光刻工艺流程图

光刻工艺流程中每一步都很重要，任何一个工艺步骤都会影响图形的质量，所以要不断优化工艺条件，尽量提高工艺的宽容度，使流程具有稳定的工艺参数。其核心工艺为图1中方框内的过程，其中尤其以涂胶、曝光和对准、显影最为重要。而光刻前部工艺对微细线条的加工影响，也随线条减小，越来越大。

3、方法和讨论

3.1生产标准流程

在优化方案以前，首先测量标准流程时的陡直度，采用硅介质(单晶硅光片)是由于硅的导电性能比二氧化硅要好，在扫描电镜下观察可以得到清晰图像。工艺过程及关键参数如图2和表1所示。坚膜完成后进行裂片，对剖面进行测量，得出标准流程条件下的陡直度约为60°。

图2线条剖面扫描区域图

表1关键工艺参数

3.2二次显影

二次显影方法的灵感来自于厚胶工艺，约3～5μm的光刻胶用1次显影冲水无法彻底显影，显影后线条发粗，其原因在于虽然曝光充分，但是显影液无法一次溶解足够的光刻胶，而加长显影时间势必造成过显影，使过渡区变宽。为了解决这一问题，将原本的显影时间对半改为二次显影，每次的显影时间只有原来的一半，使曝光区域产生的酸性物质能够与碱性的显影液充分接触。在普通的1．5μm光刻胶工艺中使用2段显影方法，在显微镜中可以比较得出:线条过渡区宽度减小。在扫描电镜中图形角落由原来的圆角变为直角。此次实验将显影时间由60s+冲水改为30s+冲水+30s+冲水的方式进行显影，在扫描电镜下观察陡直度变化，结果如图3和图4所示。

图3二次显影与一次显影线条过渡区对比

图4二次显影陡直度

实验证明，采用二次显影对于提升线条陡直度有较为明显的作用。然而，二次显影意味着成本的提高，显影液用量较以前翻了一倍。且在铝膜光刻时，碱性的显影液会腐蚀铝膜。因此在生产过程中，3μm左右的线条应根据其实际情况可以适当地选用此种方法。

3.3改善前烘条件

Soft－bake，中文称软烘或前烘，其目的是去除光刻胶中的大部分溶剂，增加光刻胶的粘附性，并固定光刻胶的曝光特性(优化其对比度并保持可接受的敏感度)，在本次实验中，使用热板进行前烘，控制温度与时间的不同设计实验，利用的就是前烘对胶膜对比度的优化特性。根据温度与时间的不同设计实验如表2所示。

表2前烘温度/时间实验参数表

进行多次实验比较，100℃、90s前烘条件时测得陡直度最好，约为63°。而且，在实验中陡直度对于前烘温度较为敏感，对于前烘时间则不敏感。本次前烘实验仅在小范围内调节前烘温度与时间，原因在于前烘温度对胶膜的光刻特性有很大影响。过高的调节前烘温度与时间将大幅度降低光刻胶的敏感性，从而增加了曝光强度与时间，影响了生产效率;前烘温度过高会引起抗蚀剂的热交联，在显影时留下底膜，影响腐蚀效果。

2．4PEB

PostExposureBaking，简称PEB，中文称作后烘(区分于坚膜)，其目的是:(1)进一步减少光刻胶中的剩余溶剂，比率约为从前烘的7%～4%减小到5%～2%;(2)减少曝光中产生的驻波缺陷;(3)激发深紫外(DUV)光刻中产生的酸性物质，使其能够溶解于显影液。由于线条较大，光刻流片过程中并未使用PEB烘焙，鉴于PEB的诸多好处，在标准流程中尝试加入PEB观察其对陡直度的影响。采用独立热板，在曝光后进行PEB，然而结果不如人意，尝试了不同的温度与时间组合，采用PEB后陡直度都有不同程度的下降。

3、结语

图5为使用了优化方案(前烘条件100℃，90s、30s+30s二次显影)后，陡直度的测试图。此条件下，光刻陡直度接近70°，较优化前提升了16．7%。本文实验了多种在增加光刻陡直度的方法，在实际生产中，线条质量并非光刻要追求的唯一目标，更重要的是光刻胶的抗蚀性，改变光刻条件不可避免地会影响到胶膜的抗蚀性，孰轻孰重需要由工艺负责人根据具体情况判断。

图5最终方案陡直度测试图

参考文献：

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[2]何峰，吴志明，王军，袁凯，蒋亚东，李正贤.Nikon光刻机对准系统概述及模型分析.电子工业专用设备.2009年四月第171期

[3]邓涛，李平，邓光华.光刻工艺中缺陷来源的分析.半导体光电.2005，Vol.26，No.3：229~23

论文作者:殷兆静

论文发表刊物:《工程管理前沿》2020年第2期

论文发表时间:2020/4/22

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