張永平,程 越,盧吳越,談嘉慧,趙高杰,劉益宏,孫玉俊,陳之戰(zhàn),石旺舟,李萬(wàn)榮,陸逸楓

(上海師范大學(xué) 數(shù)理學(xué)院,上海 200234)

0 引 言

光刻機(jī)是微電機(jī)系統(tǒng)(MEMS)與微光學(xué)器件(MOD)的完美結(jié)合,引發(fā)了一場(chǎng)微型化革命,從而使半導(dǎo)體芯片、電子器件和集成電路向著更高集成度方向發(fā)展.而光刻技術(shù)是芯片制造的關(guān)鍵,決定了芯片的最小尺寸[1].IC制造具有復(fù)雜的工藝鏈:晶圓制備、電路制造、封裝等,其中電路制造過(guò)程最為復(fù)雜,包括氣相沉積、光刻、刻蝕、離子注入、擴(kuò)散和引線等.決定IC特征尺寸大小的關(guān)鍵和瓶頸技術(shù)就是其中的光刻環(huán)節(jié).IC特征尺寸的變化與光刻技術(shù)的發(fā)展關(guān)系遵從著著名的摩爾定理[2-3].隨著IC特征尺寸的減小,采用的曝光方式從接觸式、接近式到投影式;光源從436、365、248 nm到193 nm;數(shù)值孔徑從0.35、0.45、0.55、0.60到0.70[4].當(dāng)特征尺寸小于100 nm時(shí),現(xiàn)有的工藝和光源都必須再次更新,如離軸照明技術(shù)、相移掩模技術(shù)、浸沒(méi)透鏡技術(shù)等作為目前提高光刻分辨率的新技術(shù)正被研究和應(yīng)用,但提高仍然有限.為了更進(jìn)一步提高光刻分辨率,延長(zhǎng)光學(xué)光刻壽命,一系列下一代的光學(xué)光刻技術(shù),包括x射線、離子束投影、無(wú)掩模、電子束投影和電子束直寫(xiě)等已被提出和研究[5-7].這些技術(shù)的共同特點(diǎn)是:尋求波長(zhǎng)更短的光源;依舊采用光學(xué)光刻機(jī)理;阻撓光刻分辨率的半波長(zhǎng)效應(yīng)仍然存在;使用這些光源不僅本身具有相當(dāng)大的技術(shù)難度和基礎(chǔ)理論問(wèn)題,而且在光學(xué)透鏡系統(tǒng)的研制、掩模制造工藝、光刻工藝及資金投入等方面都在難度和數(shù)量上呈指數(shù)上升.因而,如何提高光刻工藝技術(shù),探索更加優(yōu)良的工藝方法成為了當(dāng)前優(yōu)化光刻圖形、提高最小分辨率的研究趨勢(shì).光刻圖形轉(zhuǎn)移過(guò)程中,參數(shù)選取稍有不同,將引起光刻圖形質(zhì)量的嚴(yán)重變化,因而必須通過(guò)科學(xué)合理的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),獲得最佳光刻參數(shù).

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中使用的光刻膠為陶氏化學(xué)SPR995,正膠;光刻機(jī)是中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所設(shè)計(jì)的I線接觸式光刻機(jī).選用2英寸藍(lán)寶石襯底,經(jīng)過(guò)劃片、清洗、烘干后,進(jìn)行光刻圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)研究.首先在藍(lán)寶石襯底上外延SiO2保護(hù)層或金屬蒸發(fā)層,再利用勻膠機(jī)旋涂一層均勻的光刻膠.其中,勻膠6 s,甩膠20 s,勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速分別為500 r/min和2 500 r/min,膠膜層均勻,粘附良好,表面無(wú)顆粒無(wú)劃痕.前烘,將襯底放在90℃的加熱板上烘焙,前烘15 s,使膠膜內(nèi)溶劑充分地?fù)]發(fā)掉,使膠膜干燥,增加膠膜與SiO2或金屬膜之間的粘附性和提高膠膜的耐磨性,不沾污掩模板,只有干燥的光刻膠才能充分進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng).接下來(lái)就是曝光,接觸式曝光法,在專(zhuān)用的光刻機(jī)上,它包括“定位”和“曝光”兩部分.預(yù)熱紫外光燈(高壓汞燈)使光源穩(wěn)定,將光刻掩模板安裝在支架上,使有圖形的玻璃面向下,并把涂有光刻膠的藍(lán)寶石襯底片放在可微調(diào)的工作臺(tái)上,膠面朝上,在顯微鏡下仔細(xì)調(diào)節(jié)微動(dòng)裝置,使掩模板上的圖形與樣片相應(yīng)的位置準(zhǔn)確套合,復(fù)查是否對(duì)準(zhǔn),按下曝光,曝光15 s,取出已曝光的樣品.在90℃條件下后烘15 s,然后顯影,將曝光后的樣品放進(jìn)準(zhǔn)備好的顯影液中,將未感光部分的光刻膠溶除,以獲得腐蝕時(shí)所需要的、有抗蝕劑保護(hù)的圖形;顯影40 s后,取出來(lái)漂洗,氮?dú)獯蹈?接下來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)移后的圖形檢查,保證光刻質(zhì)量.堅(jiān)膜,顯影時(shí)光刻膠膠膜易發(fā)生軟化、膨脹,顯影后必須進(jìn)行堅(jiān)固膠膜的工作,堅(jiān)固后可以使膠膜與SiO2層或金屬蒸發(fā)層之間粘貼得更牢,以增強(qiáng)膠膜本身的抗蝕能力.堅(jiān)膜后進(jìn)行化學(xué)腐蝕或是干法刻蝕,將無(wú)光刻膠復(fù)蓋的氧化層或金屬蒸發(fā)層刻蝕掉,而有光刻膠覆蓋的區(qū)域保存下來(lái);得到理想的圖形以后,去除覆蓋在襯底表面的保護(hù)膠膜,一般使用化學(xué)試劑使其膠膜碳化脫落.用濃硫酸煮兩遍使膠膜碳化脫落、冷卻、用去離子水沖洗凈. 最后檢查光刻轉(zhuǎn)移圖形質(zhì)量.

圖1 光刻圖形轉(zhuǎn)移步驟

2 結(jié)果與分析

根據(jù)光源的強(qiáng)弱、光源與襯底的距離、光刻膠性能和光刻圖形尺寸大小選擇曝光時(shí)間.一般情況下,先試曝光一片,顯影后檢查一下表面,看其圖形是否清晰.(a) 曝光不足:光刻膠反應(yīng)不充分,顯影時(shí)部分膠膜被溶解,顯微鏡下觀察膠膜發(fā)黑,如圖2所示;(b) 而圖3是由于曝光時(shí)間過(guò)長(zhǎng):使不感光部分的邊緣微弱感光,產(chǎn)生“暈光”現(xiàn)象,邊界模糊,出現(xiàn)皺紋.光強(qiáng)為9 MW時(shí),曝光時(shí)間選擇8～15 s[8]得到的圖形質(zhì)量最高.

圖2 曝光不足

圖3 曝光時(shí)間過(guò)長(zhǎng)

如圖4,曝光時(shí)間的不合理同樣影響光刻轉(zhuǎn)移的圖形質(zhì)量.曝光時(shí)間短,使顯影困難;曝光時(shí)間過(guò)長(zhǎng),顯影后圖形輪廓粗糙甚至脫膠.在曝光之后要對(duì)樣品進(jìn)行后烘處理,如果后烘的溫度變化大且溫區(qū)不均勻,容易使膠膜產(chǎn)生“熱斑”造成曝光、顯影不徹底而出現(xiàn)小島之類(lèi)的缺陷或者使膠膜的抗蝕性變差.顯影過(guò)后,對(duì)樣品沖洗不徹底還會(huì)使圖形邊緣出現(xiàn)鋸齒缺陷.此外,試驗(yàn)工作人員的凈化服處理不干凈、工作環(huán)境凈化條件差等,也會(huì)引入點(diǎn)缺陷.實(shí)驗(yàn)環(huán)境濕度太大,前烘不足,顯影時(shí)間太長(zhǎng),很容易出現(xiàn)浮膠,引起膠膜脫落,如圖5所示.

圖4 曝光不合理

圖5 脫膠現(xiàn)象

圖6是在光學(xué)顯微鏡下放大2 000倍的照片,觀察到的光刻損傷主要是駐波效應(yīng)(stand wave effect).在光刻膠曝光的過(guò)程中,透射光與反射光(在基底或者表面)之間會(huì)發(fā)生干涉.這種相同頻率的光波之間的干涉,在光刻膠的曝光區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)相長(zhǎng)相消的條紋.光刻膠在顯影后,在側(cè)壁會(huì)產(chǎn)生波浪狀的不平整.經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn),得到了解決方案:(a) 在光刻膠內(nèi)加入染色劑,降低干涉現(xiàn)象;(b) 在光刻膠的上下表面增加抗反射涂層(ARC,Anti-Reflective Coating);(c) 延長(zhǎng)后烘(PEB,Post Exposure Baking)和硬烘(HB,Hard Baking)時(shí)間.

由于光刻掩模膠由高分子材料組成,當(dāng)將其由液態(tài)的膠旋涂在樣片上,加工形成薄膜后,使用臺(tái)階儀測(cè)量其厚度在100 nm左右,而且膠膜中會(huì)經(jīng)常產(chǎn)生針孔,如圖7所示.在工藝過(guò)程中它會(huì)使光刻掩模膠覆蓋下的材料在不該腐蝕掉的地方留下針孔,影響器件整體結(jié)構(gòu)的完整性,從而引起器件的漏電、短路、特性變壞等不良后果.它的分布通常也是隨機(jī)的,其密度與膠的品種、粘度、涂層厚度以及顯影、沖洗時(shí)間和樣片表面狀況有關(guān).膠膜越薄、粘度越小、顯影沖洗時(shí)間越長(zhǎng)或襯底片表面沾污越嚴(yán)重,針孔密度就越大,掩模膠的抗蝕能力也越差.需要通過(guò)基片清洗、掩模板清洗和增加膠膜厚度等方法解決[9].

圖6 駐波現(xiàn)象

圖7 針孔現(xiàn)象

如圖8所示,曝光處理后的圖形質(zhì)量很差,部分區(qū)域顯影過(guò)度.這與涂敷光刻膠的均勻性、平整度以及光刻機(jī)曝光的均勻性都有很大的關(guān)系.解決這一工藝問(wèn)題,先調(diào)整光刻膠的旋涂方法,再調(diào)節(jié)曝光時(shí)間、顯影液濃度及顯影時(shí)間來(lái)避免光刻轉(zhuǎn)移圖形質(zhì)量差的問(wèn)題.

圖8 過(guò)顯影現(xiàn)象

圖9 合理光刻工藝的圓柱圖形

從圖10的電子顯微鏡圖片和圖11的AFM圖片來(lái)看,可以知道衍射條紋的深度(膜厚)、寬度,亦表征了光刻膠表面的平整度以及光刻切面立度.光刻膠的黏度比較大,也會(huì)導(dǎo)致表面的不平整[10].

圖10 合理光刻工藝的光柵圖形

圖11 合理光刻工藝的光柵AFM圖形

3 結(jié) 論

光刻圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)是未來(lái)發(fā)展納米電子器件、納米芯片的關(guān)鍵技術(shù),是一種圖形技術(shù)與圖形刻蝕工藝相結(jié)合的綜合性工藝,是平面工藝中至關(guān)重要的一步,其工藝質(zhì)量是影響器件穩(wěn)定性、可靠性及成品率的關(guān)鍵因素之一.所以,穩(wěn)定可靠的光刻工藝是當(dāng)前亟需技術(shù),本研究針對(duì)當(dāng)前存在的普遍技術(shù)難題給出了解決方案.

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