半導(dǎo)體光刻的工藝過程（3）

?應(yīng)用后烘烤

涂布后，所得抗蝕劑膜將含有 20-40% 重量的溶劑。后應(yīng)用烘烤過程，也稱為軟烘烤或預(yù)烘烤，包括在旋涂后通過去除多余的溶劑來干燥光刻膠。減少溶劑含量的主要原因是為了穩(wěn)定抗蝕劑膜。在室溫下，未烘烤的光刻膠薄膜會通過蒸發(fā)失去溶劑，從而隨時間改變薄膜的性能。通過烘烤抗蝕劑，大部分溶劑被去除，膜在室溫下變得穩(wěn)定。從光刻膠薄膜中去除溶劑有四個主要效果：(1) 薄膜厚度減小，(2) 曝光后烘烤和顯影性能改變，(3) 附著力提高，以及 (4) 薄膜變得不那么發(fā)粘因而不易受到微粒污染。

不幸的是，烘烤大多數(shù)光刻膠還有其他后果。在高于約 70°C 的溫度下，稱為光活性化合物 (PAC) 的典型抗蝕劑混合物的光敏成分可能會開始分解 [1.3,1.4]。此外，作為抗蝕劑的另一組分的樹脂可以在升高的溫度下交聯(lián)和/或氧化。這兩種效果都是不可取的。因此，必須尋找最佳的預(yù)烘烤條件，以最大限度地提高溶劑蒸發(fā)的好處并最大限度地減少抗蝕劑分解的危害。對于化學(xué)增幅型抗蝕劑，殘留溶劑會顯著影響曝光后烘烤過程中的擴(kuò)散和反應(yīng)特性，因此需要仔細(xì)控制后應(yīng)用烘烤過程。幸運(yùn)的是，

有幾種方法可用于烘烤光刻膠。最明顯的方法是烤箱烘烤。在 1970 年代和 1980 年代初期，對傳統(tǒng)光刻膠在 90°C 下烘烤 30 分鐘是典型的做法。雖然使用對流烤箱預(yù)烘烤光刻膠曾經(jīng)很普遍，但目前最流行的烘烤方法是熱板。將晶片與熱的大質(zhì)量金屬板緊密真空接觸或靠近。由于硅的高導(dǎo)熱性，光刻膠被快速加熱到接近熱板溫度（硬接觸約5秒，接近烘烤約20秒）。這種方法的最大優(yōu)點(diǎn)是所需的烘烤時間比對流烤箱減少一個數(shù)量級，大約為一分鐘，和提高烘烤的均勻性。通常，優(yōu)選接近烘烤以減少因與晶片背面接觸而產(chǎn)生顆粒的可能性。

當(dāng)晶片從加熱板上取下時，只要晶片是熱的，烘烤就會繼續(xù)。除非晶片的冷卻也得到很好的控制，否則無法很好地控制整個烘烤過程。因此，在熱板烘烤之后總是緊接著進(jìn)行冷卻板操作，其中晶片接觸或靠近冷卻板（保持在略低于室溫的溫度）。冷卻后，晶片準(zhǔn)備好進(jìn)行光刻曝光。

光刻膠操作背后的基本原理是曝光（或其他類型的曝光輻射）時，光刻膠在顯影劑中溶解度的變化。在標(biāo)準(zhǔn)重氮萘醌正性光刻膠的情況下，不溶于水性堿顯影劑的光活性化合物 (PAC) 在暴露于 350 - 450nm 范圍內(nèi)的紫外線時轉(zhuǎn)化為羧酸。羧酸產(chǎn)物極易溶于堿性顯影劑。因此，入射到光刻膠上的光能的空間變化將引起光刻膠在顯影劑中溶解度的空間變化。

接觸和接近光刻是通過稱為光掩模的母版圖案曝光光刻膠的最簡單方法（圖 1-4）。接觸式光刻提供高分辨率（低至大約輻射的波長），但諸如掩模損壞和由此產(chǎn)生的低產(chǎn)量等實(shí)際問題使該工藝在大多數(shù)生產(chǎn)環(huán)境中無法使用。接近印刷通過將掩模保持在晶片上方的設(shè)定距離（例如，20μm）來減少掩模損壞。不幸的是，分辨率限制增加到大于 2 到 4 μm，使得接近打印不足以滿足當(dāng)今的技術(shù)。到目前為止，最常見的曝光方法是投影印刷。

投影光刻的名稱來源于將掩模的圖像投影到晶片上的事實(shí)。在 1970 年代中期，隨著計算機(jī)輔助鏡頭設(shè)計和改進(jìn)光學(xué)材料的出現(xiàn)，投影光刻成為接觸/接近印刷的可行替代方案，這使得生產(chǎn)質(zhì)量足以滿足半導(dǎo)體行業(yè)要求的鏡頭元件成為可能。事實(shí)上，這些鏡頭已經(jīng)變得如此完美，以至于被稱為像差的鏡頭缺陷在決定圖像質(zhì)量方面只起到很小的作用。這種光學(xué)系統(tǒng)被稱為衍射極限，因?yàn)樵诤艽蟪潭壬蠜Q定圖像形狀的是衍射效應(yīng)而不是透鏡像差。

有兩大類投影光刻工具——掃描和步進(jìn)重復(fù)系統(tǒng)。由 Perkin-Elmer 公司 [1.5] 首創(chuàng)的掃描投影打印采用反射式光學(xué)器件（即反射鏡而不是透鏡），當(dāng)掩模和晶片通過狹縫同時移動時，將光從掩模的狹縫投射到晶片上。曝光劑量由光強(qiáng)、狹縫寬度和晶片掃描速度決定。這些早期的掃描系統(tǒng)使用來自汞弧光燈的多色光，其比例為 1:1，即掩模和圖像尺寸相等。步進(jìn)重復(fù)相機(jī)（簡稱步進(jìn)器）一次將晶片曝光一個矩形部分（稱為像場），可以是 1:1 或縮小。這些系統(tǒng)采用折射光學(xué)（即透鏡）并且通常是準(zhǔn)單色的。

到 70 年代中期，掃描儀為 4 到 5 微米以下的器件幾何尺寸取代了接近打印。到 1980 年代初，隨著器件設(shè)計被推到 2 μm 以下，步進(jìn)器開始占據(jù)主導(dǎo)地位。隨著最小特征尺寸達(dá)到 250nm 水平，步進(jìn)器在整個 1990 年代繼續(xù)主導(dǎo)光刻圖案。然而，到 1990 年代初，Perkin-Elmer 的繼任者 SVG Lithography 引入了混合步進(jìn)掃描方法。步進(jìn)掃描方法使用正常步進(jìn)場的一小部分（例如，25mm x 8mm），然后沿一個方向掃描該場以曝光整個 4 x 縮小掩模。然后將晶片步進(jìn)到新位置并重復(fù)掃描。較小的成像場簡化了透鏡的設(shè)計和制造，但代價是更復(fù)雜的掩模版和晶片臺。

在開始曝光帶有掩模圖像的光刻膠之前，該圖像必須與晶片上先前定義的圖案對齊。這種對齊以及由此產(chǎn)生的兩個或多個光刻圖案的重疊是至關(guān)重要的，因?yàn)楦鼑?yán)格的重疊控制意味著電路特征可以更緊密地封裝在一起。通過更好的對齊和覆蓋來實(shí)現(xiàn)更緊密的設(shè)備封裝幾乎與通過更高的分辨率在每個芯片上實(shí)現(xiàn)更多功能的小型設(shè)備一樣重要。

光刻膠曝光的另一個重要方面是駐波效應(yīng)。單色光在投射到晶片上時，會在一定角度范圍內(nèi)撞擊光刻膠表面，近似于平面波。該光向下穿過光刻膠，如果基板具有反射性，則通過光刻膠向上反射。入射光和反射光發(fā)生干涉，在光刻膠的不同深度形成高低光強(qiáng)的駐波圖案。這種圖案會在光刻膠中復(fù)制，從而在光刻膠特征的側(cè)壁上形成脊，如圖 1-6 所示。隨著圖案尺寸變小，這些脊會顯著影響特征的質(zhì)量。引起駐波的干擾也會導(dǎo)致一種稱為擺動曲線的現(xiàn)象，線寬隨抗蝕劑厚度變化的正弦變化。這些有害影響最好通過在基材上涂一層稱為底部抗反射涂層 (BARC) 的薄吸收層來固化，該涂層可以將光刻膠看到的反射率降低到 1% 以下。

　　審核編輯：湯梓紅