魏存露，花國(guó)然，王 強(qiáng)

（1．南通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019；2．南通大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 南通 226019）

1 引言

在半導(dǎo)體集成電路的制造過(guò)程中，旋涂勻膠技術(shù)作為影響其產(chǎn)品性能、成品率以及可靠性的關(guān)鍵技術(shù)之一，受到了科研工作者的廣泛關(guān)注[1]。目前典型的旋涂勻膠包括滴膠、旋轉(zhuǎn)鋪開(kāi)、高速旋轉(zhuǎn)甩去多余的膠以及溶劑揮發(fā)等步驟[2]，其中滴膠通常有兩種方法，即動(dòng)態(tài)滴膠和靜態(tài)滴膠[3]。對(duì)于旋涂工藝來(lái)說(shuō)，光刻膠厚度的均勻性是其重要的性能指標(biāo)，要求其必須達(dá)到±1%的水平[4]；而隨著信息化技術(shù)的快速發(fā)展，集成電路芯片向著大尺寸、細(xì)線寬、高精度的趨勢(shì)發(fā)展，這對(duì)旋涂光刻膠的均勻性提出了更高的性能要求[5]。旋涂勻膠的工藝特點(diǎn)要求硅片在托盤(pán)真空吸力的作用下隨主軸一起高速旋轉(zhuǎn)，因此勻膠托盤(pán)的幾何參數(shù)將對(duì)被吸附的硅片形變產(chǎn)生一定的影響，而過(guò)大的硅片形變將影響其表面形貌和平面度，從而影響光刻膠的均勻性。文獻(xiàn)[6]通過(guò)數(shù)值解和解析解，指出隨著勻膠膜厚的變薄，其受表面形貌的影響將增大；而文獻(xiàn)[7-8]通過(guò)數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)模擬分析了離心轉(zhuǎn)數(shù)等參數(shù)對(duì)旋涂性能的影響規(guī)律，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析指出基底不平將直接導(dǎo)致涂膠均勻性變差，從而使集成電路芯片顯影后線條黑白比改變。隨著大量學(xué)者的深入研究，旋涂工藝?yán)碚摬粩鄡?yōu)化與完善，然而此前的研究主要是針對(duì)硅片因素對(duì)光刻膠均勻性帶來(lái)的影響，針對(duì)旋涂工藝過(guò)程中如何通過(guò)優(yōu)化旋涂托盤(pán)幾何參數(shù)來(lái)減小硅片形變的研究文獻(xiàn)卻罕見(jiàn)報(bào)道。

以制造集成電路芯片的主要半導(dǎo)體材料單晶硅片為研究對(duì)象，運(yùn)用FLUENT進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，通過(guò)流固耦合探討了勻膠托盤(pán)幾何參數(shù)對(duì)旋涂硅片形變的影響規(guī)律，并給出了減小旋涂硅片形變的最優(yōu)托盤(pán)幾何參數(shù)，這為進(jìn)一步提高旋涂勻膠的工藝性能提供了一定的參考價(jià)值。

2 旋涂勻膠工作原理

半導(dǎo)體光刻勻膠方法主要有噴霧法、提拉法、離心法（旋涂法）以及流動(dòng)法等，其中旋涂勻膠法因工藝簡(jiǎn)單、易于操作且成本低廉，被廣泛應(yīng)用于硅片晶圓制作集成電路芯片中[9]。旋涂勻膠的工作原理為：硅片在旋涂托盤(pán)真空吸力的作用下隨勻膠機(jī)主軸一起高速旋轉(zhuǎn)，使得滴在其表面的光刻膠在離心力和表面張力的共同作用下實(shí)現(xiàn)膠體的薄膜化和均勻化。為避免旋涂工作過(guò)程中飛片現(xiàn)象的產(chǎn)生，需要保證硅片所受離心力小于真空吸附力，即：

式中：T—?jiǎng)蚰z托盤(pán)真空度；s—吸附面積；m—硅片質(zhì)量；W—均膠機(jī)主軸工作速度；R—硅片半徑。

旋涂勻膠托盤(pán)，如圖1所示。其采用螺旋結(jié)構(gòu)來(lái)增大真空吸附面積，從而增加了吸附系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

圖1 勻膠托盤(pán)Fig.1 Spin Coating Pallet

3 旋涂勻膠數(shù)值分析前處理

3.1 三維模型及網(wǎng)格處理

勻膠托盤(pán)的三維模型，如圖2所示。其主要幾何參數(shù)為真空吸片口直徑d和承片臺(tái)直徑D。在FLUENT模塊中對(duì)三維模型進(jìn)行流體填充，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，控制網(wǎng)格的的最大畸變不超過(guò)0.95，且網(wǎng)格中不允許出現(xiàn)負(fù)體積網(wǎng)格參數(shù)，為使計(jì)算結(jié)果更加精確，對(duì)耦合區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。

圖2 有限元模型Fig.2 Finite Element Mode

3.2 求解器及邊界條件的設(shè)定

選擇3D三維雙精度對(duì)旋涂托盤(pán)腔內(nèi)流體模型進(jìn)行求解計(jì)算，基于有限體積法對(duì)空間域上連續(xù)的控制方程進(jìn)行離散，采用可更好處理流線彎曲程度大的RNGk-ε湍流模型來(lái)確定湍流系數(shù)，通過(guò)SIPLEC算法求解壓力速度耦合方程組，控制方程對(duì)流項(xiàng)的離散采用二階迎風(fēng)格式，擴(kuò)散項(xiàng)的離散格式采用二階中心差分格式，模型收斂絕對(duì)精度設(shè)為10-5[10]。忽略主軸轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)周?chē)諝鈳?lái)的氣流串動(dòng)，設(shè)置旋涂勻膠的工作環(huán)境為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、恒溫和恒濕，進(jìn)口條件為大氣壓，出口條件滿足現(xiàn)有勻膠機(jī)真空抽氣泵的工作能力。

4 結(jié)果與分析

4.1 旋涂勻膠托盤(pán)的真空壓強(qiáng)分布及耦合力

旋涂勻膠托盤(pán)的真空壓強(qiáng)分布及硅片所受等效耦合壓力分布云圖，如圖3所示。從圖中可知硅片所受等效耦合壓力的大小與旋涂勻膠托盤(pán)的真空度有關(guān)，耦合壓力值與真空度值均沿著托盤(pán)徑向距離增大的方向逐漸降低。托盤(pán)的該真空度分布把原本集中在真空吸片口處的真空負(fù)壓分散，因此硅片所受到的耦合壓力更加均勻，避免了硅片因受力集中，而產(chǎn)生的真空吸片口處形變過(guò)大，使光刻膠聚集在硅片中心處，從而形成光刻膠中間厚兩邊薄的產(chǎn)品缺陷。

圖3 真空負(fù)壓及等效耦合力分布云圖Fig.3 The Vacuum Pressure Distribution and Equivalent Coupling Pressure

4.2 承片臺(tái)直徑對(duì)旋涂硅片形變的影響

相同真空度作用下3英寸硅片在不同直徑承片臺(tái)上工作時(shí)的形變情況與其形變?cè)茍D，如圖4所示。從圖中可知隨著承片臺(tái)直徑的增大，硅片在耦合壓力作用下的形變值逐漸增大；當(dāng)D小于35mm時(shí)，硅片的形變?cè)谡婵瘴谔幦〉米畲笮巫冎?，?dāng)D大于40mm時(shí)，其最大形變值在硅片最邊緣處取得，且當(dāng)D大于45mm時(shí)，隨著承片臺(tái)直徑的增加，其邊緣處的形變值急劇增大。

圖4 硅片形變圖Fig.4 The Silicon Wafer Deformation

結(jié)合硅片的形變?cè)茍D可知，在D小于30mm時(shí)，硅片所受耦合力主要集中于中心部位，其發(fā)生的形變主要為下凹變形，即硅片因中心周?chē)芰卸l(fā)生翹曲形變，如圖5（a）所示為硅片在耦合力作用下的放大形變?cè)茍D。硅片的翹曲形變不僅會(huì)使硅片在中心周?chē)幘奂^(guò)多的光刻膠，使所勻硅片片內(nèi)的膜厚誤差增大即產(chǎn)生中間厚兩邊薄的現(xiàn)象，從而影響硅片的均勻性，使顯影后的硅片線條呈現(xiàn)出中間線條黑寬，兩邊線條淡窄[6]；而且同時(shí)會(huì)使硅片與承片臺(tái)接觸邊緣的間隙增大，這將使擴(kuò)散至硅片背部的膠體在壓強(qiáng)差的作用下，更易被吸入真空管道，且會(huì)有部分膠體滲入電機(jī)軸內(nèi)，從而大大降低了勻膠機(jī)的有效使用壽命。而當(dāng)承片臺(tái)直徑過(guò)大時(shí)，硅片所受耦合力分布相對(duì)均勻，但同時(shí)隨著耦合力的分布離托盤(pán)軸心線距離的增大，托盤(pán)自身所產(chǎn)生的形變也將隨之增大，由于硅片與托盤(pán)是在真空負(fù)壓的作用下貼合在一起，因此托盤(pán)的形變同樣會(huì)使硅片產(chǎn)生形變。即D大于45mm時(shí)，硅片的形變主要是由旋涂托盤(pán)的形變所引起的，其在邊緣處取得最大形變值，其發(fā)生的形變主要為邊緣下翹，如圖5（b）所示。硅片的的邊緣下翹形變，雖有利于光刻膠在硅片上的旋涂流動(dòng)，但若硅片的形變過(guò)大，會(huì)使硅片因基底不平導(dǎo)致旋涂均勻性變差，從而使顯影后的線條黑白比改變[7]。

圖5 硅片高倍形變?cè)茍DFig．5 The High Magnification Deformation of Silicon Wafer

4.3 真空吸片口對(duì)旋涂硅片的影響

承片臺(tái)直徑等于40mm時(shí)，相同出氣速度不同真空吸片口直徑下硅片的形變，如圖6所示。從圖中可知當(dāng)d為1．5mm時(shí)，硅片幾乎沒(méi)有發(fā)生形變，隨著真空吸片口直徑的增大，硅片形變隨之增大，當(dāng)d為3．5mm時(shí)，硅片形變急劇增大。在相同的出口速度下，隨著真空吸片口的增大，單位時(shí)間內(nèi)被抽出的氣體的體積隨之增大，因此硅片與片托之間的真空度也將隨之增大。在旋涂勻膠工藝過(guò)程中，當(dāng)光刻膠粘度一定時(shí)，旋涂勻膠的厚度隨著主軸轉(zhuǎn)數(shù)的增大而減?。浑S著集成電路的飛速發(fā)展，微米級(jí)、均勻光刻膠的出現(xiàn)對(duì)主軸轉(zhuǎn)數(shù)提出了更高的要求，為了避免旋涂勻膠過(guò)程中飛片現(xiàn)象的產(chǎn)生，要求硅片與片托之間要有足夠的真空度，但同時(shí)若硅片所受真空度過(guò)大，會(huì)使硅片產(chǎn)生大的形變，從而影響其旋涂勻膠的工藝效果。

圖6 不同真空吸片口直徑下硅片的形變Fig．6 Silicon Wafer Deformation with Different Vacuum Suction Mouth Diameter

5 結(jié)論

以制造集成芯片的主要半導(dǎo)體材料單晶硅片為研究對(duì)象，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算探討了勻膠托盤(pán)幾何參數(shù)對(duì)旋涂硅片形變的影響，給出了減小硅片形變的最優(yōu)托盤(pán)幾何參數(shù)。首先論述了光刻旋涂勻膠的工作原理，接著運(yùn)用FLUENT進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)，通過(guò)流固耦合分析了旋涂勻膠托盤(pán)承片臺(tái)直徑D和其真空吸片口直徑d對(duì)旋涂硅片形變的影響。研究結(jié)果表明：通過(guò)增大真空度可避免旋涂勻膠工藝過(guò)程中飛片現(xiàn)象的產(chǎn)生，但隨著真空度的增大，硅片的形變將隨之增大，且真空吸片口越大，硅片在中心周?chē)幍男巫冊(cè)酱?；在相同真空度下，隨著D的增大，硅片形變?cè)龃螅?dāng)D小于30mm時(shí)，硅片的形變主要為翹曲變形，當(dāng)D大于45mm時(shí)，硅片的形變受托盤(pán)形變影響增大，在硅片邊緣處產(chǎn)生下翹變形。當(dāng)承片臺(tái)面積為其所吸附硅片面積的（1/2～3/5）附近且真空吸片口直徑為3mm左右時(shí)，硅片的形變量最小。

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