热敏BARC 显影工艺时长影响因素研究

孙洪君，关 丽，张德强，黄 鹏，王俊阳

（沈阳芯源微电子设备股份有限公司，辽宁 沈阳 110168）

引言

微电子技术是建立在以集成电路为核心的各种半导体器件基础上的高新电子技术，这种技术下的半导体产品器件，特点是体积小、重量轻、可靠性高、工作速度快，微电子技术对信息时代具有巨大的影响。随着半导体微电子行业的发展迅猛，各类半导体器件层出不穷。制造半导体集成电路和器件技术不断发展和进步，半导体光刻工艺也不断地提升。图形化工艺是半导体工艺过程中最重要的工序之一，也是一种基础工艺操作。对于不同应用领域的半导体器件，使用的图形工艺流程也不尽相同。从晶圆表面准备到对准曝光显影，再到刻蚀、剥离光刻胶，最后表面检测、问题查找。其中，晶圆表面准备还包括，晶圆清洗、增黏剂涂底、光刻胶旋涂。匀胶工艺，即光刻胶旋涂过程，作为图形化工艺器件产品生产的基础中的基础，使用的光刻胶也多种多样。热敏BARC 作为一种新型BARC 光刻胶，不仅可以作为抗反射层，具有预防驻波效应的作用，还可以与其他PR 或PI光刻胶配合，进行曝光显影工艺。此外，热敏BARC光刻胶是一种对匀胶后烘烤，即软烘热盘的温度变化特别敏感的光刻胶，同时，它还对软烘热盘腔体环境内的气流场变化也十分敏感，即软烘热盘的进气量和排气量，腔体内气流的置换率变化，这种敏感度对光刻胶的显影工艺消耗时间长短存在直接的影响。该种光刻胶对于软烘热盘的温度或腔体内气流场的变化敏感度，甚至可以精确到2～5℃或30～50 Pa，即便软烘热盘的温度或进气量和排气量的微小变化，对该种光刻胶的显影工艺时间长短也有很大的影响，从而影响整个图形化工艺流程。因此，对于热敏BARC 光刻胶，晶圆表面准备流程中的匀胶工艺的软烘热盘变化的精确控制，具有十分重要意义。

BARC 光刻胶，即底部抗反射涂层，是一种能够有效预防和消除光反射形成的驻波效应的光刻胶材料。其作用是：在晶圆涂覆光刻胶之前，先涂覆一层有机或无机抗反射物质，以达到增大光刻工艺窗口、提高光刻条宽控制的目的。在匀胶工艺过程中，因晶圆表面光刻胶薄膜的凹凸曲线，或光刻胶中的固态微粒的散射，而产生的侧向光学、化学反应，对曝光显影工艺后的CD 线条结果和特征尺寸大小，具有明显的影响。在光刻胶之前，增加BARC 涂覆，能够增加曝光能量范围，降低由于基板几何结构差异对CD 的均匀度产生的影响，还能够减少由于反射光的散射造成的图形缺口。

一般BARC 光刻胶是不能够显影的，而且经过软烘后的BARC 光刻胶，也不能够像其他类PR 或PI 光刻胶，可以简单地使用OK73 等溶剂，进行晶圆清洗或去胶。然而，热敏BARC 光刻胶不仅可以作为抗反射层作用，还能够参与正常显影，与其上层涂覆的PR 或PI 光刻胶叠加组合，经过显影工艺后形成特殊的微观结构图形。这类热敏BARC 光刻胶主要应用于AR（Augmented Reality 增强现实技术）、VR（Virtual Reality 虚拟现实）、LENSE 等高精尖技术器件制造方面，是一种前沿技术领域不可或缺的工艺需求。本论文旨在探究热敏BARC 光刻胶的显影工艺时长影响因素，尤其是匀胶工艺过程中，该光刻胶对于软烘热盘的温度变化特别敏感，还对软烘热盘腔体环境内的气流场变化也十分敏感，即软烘热盘的进气量和排气量，腔体内气流的置换率的变化，这种敏感度对光刻胶的显影工艺消耗时间长短存在直接的影响。

1 实验及测量

本实验采用KSM匀胶-显影设备。工艺实验基本流程如下：

第一步，检查设备环境状况，如排风、温湿度、机械部件运动情况等，确认是否可以正常运行。

第二步，确认工艺设备、工艺涉及单元硬件条件，确认工艺步骤。

第三步，晶圆图形化工艺流程：晶圆表面准备，清洗，去除晶圆上多余颗粒物及沾污物，并烘甩干燥。具体步骤如下所述。

1）涂胶：将光刻胶进行旋涂，至晶圆表面均匀铺开。

2）软烘：匀胶后热盘烘烤，去除光刻胶中的部分溶剂，释放光刻胶膜内应力，减少光刻胶薄膜内微小不可见气泡或空洞等缺陷，防止光刻胶沾污设备。

3）对准和曝光：将晶圆对准掩膜版，光刻胶曝光，并将掩膜版上的图形刻画在晶圆表面。

4）显影：去除未刻画图形的光刻胶，将图形显现在晶圆表面。

5）硬烘：坚膜，使光刻胶里的溶剂完全蒸发掉，使得晶圆光刻胶所呈现的图形更加清晰，增强光刻胶于晶圆之间的黏性。

6）检测：显影坚膜后，使用SEM等测量仪器，检验CD 线条结果，量测其大小，计算晶圆均匀性，并检查确认晶圆表面光刻胶图形是否存在微观缺陷。

第四步，更改软烘热盘工艺条件，重复上述图形化工艺流程，记录并检测显影完成后晶圆图形化表面CD 数据，计算CD 均匀性，总结变化规律。

实验预计，使用上述工艺流程，分别进行两组不同的实验，连续做n 片：一是同一光阻薄膜厚度的情况下，软烘热盘的不同的工艺烘烤温度时，为了达到spec CD 标准，其显影工艺消耗时间长短变化，记录数据并计算晶圆图形CD 均匀性，总结变化规律；二是同一光阻薄膜厚度的情况下，软烘热盘的不同的进气量和排气量组合，即腔体内气流的置换率变化，为了达到spec CD 标准，其显影工艺消耗时间长短变化，记录数据并计算其CD 均匀性，总结变化规律。

2 实验结果与讨论

根据热敏BARC 光刻胶特性，从上述内容可知，热敏BARC 显影工艺消耗时间长短的影响因素，主要有以下两个方面：一是软烘热盘的工艺烘烤温度变化；二是软烘热盘气流场变化，即软烘热盘的进气量和排气量，腔体内气流的置换率变化。

本次实验中，所用光刻胶为某热敏BARC光刻胶，光刻胶黏度为15 cP，目标薄膜厚度为0.15～0.17 μm。根据上述晶圆图形化工艺流程，以及其显影工艺消耗时间长短的影响因素，将本次实验分为以下两个方向进行：一是更改软烘热盘的工艺烘烤温度，重复上述图形化工艺步骤流程，按照规律变化，记录显影消耗时长，总结变化规律；二是更改软烘热盘腔体内的气流场，即改变烘烤热盘的进气量和排气量，调整腔体内气流的置换率，重复上述图形化工艺步骤流程，按照规律变化，记录显影消耗时长，总结变化规律。具体实验过程如下。

第一步是更改软烘热盘工艺烘烤温度：同一光阻薄膜厚度的情况下，不同软烘热盘的工艺烘烤温度时，为了达到spec CD 标准，其显影工艺消耗时间长短变化。

重复上述图形化工艺流程，先将晶圆清洗甩干，去除表面污物颗粒。再进行光刻胶涂覆工艺，光刻胶从胶嘴定量喷出，晶圆随着真空吸盘旋转使光刻胶均匀平铺至整个晶圆表面。接下来进行热盘软烘工艺，该热敏BARC 光阻特性温度为150～190 ℃，以每2 ℃温度变化，重复上述晶圆图形化工艺流程。实验结果得到，同一光阻薄膜厚度的情况下，软烘热盘工艺烘烤温度为150～190 ℃，每2 ℃变化，达到spec CD标准，其显影工艺消耗时长在30～200 s 之前变化。记录实验数据并总结归纳其规律，发现显影工艺消耗时长的变化如下：首先，显影时长随着温度的升高而增加，达到某定值后，显影工艺消耗时长随着温度的增加而降低，归一化整理后，发现，显影消耗时长与温度变化，呈现正态分布变化。根据实验结果，可以得到最优条件为：同一光阻薄膜厚度的情况下，软烘热盘工艺烘烤温度165～170 ℃，显影工艺消耗时长40～50 s。

第二步是更改软烘热盘腔体内气流场，即改变烘烤热盘的进气量和排气量，调整腔体内气流的置换率，同一光阻薄膜厚度的情况下，软烘热盘的不同的进气量和排气量组合，为了达到spec CD 标准，其显影工艺消耗时间长短变化。

重复上述图形化工艺流程，先将晶圆清洗甩干，再进行光刻胶涂覆工艺，接下来进行热盘软烘工艺。将软烘热盘腔体内进气量与排气进行调整变化组合，改变腔体内气流的置换率，进气量变化范围0～5 Pa，每0.5 Pa 变化，排气变化范围100～240 Pa，每30 Pa变化，记录实验数据并总结归纳其规律。实验发现，同一光阻薄膜厚度，同一软烘热盘工艺烘烤温度的情况下，达到spec CD 标准，其显影工艺消耗时长变化如下：首先，显影时长随着软烘热盘的进气量与排气量的增大而增加，在达到某个特定值时，其显影工艺消耗时长，随进气量与排气量增大而降低，当再次达到另一个特殊值后，最终趋于平稳。根据实验结果，可以得到最优条件：排气量范围在150～200 Pa，显影工艺消耗时长40～50 s。

实验数据结果表明，同一光阻薄膜厚度的情况下，不同软烘热盘工艺烘烤温度时，为了达到spec CD标准，热敏BARC 光刻胶的显影工艺消耗时长，呈正态分布变化，其最优条件为：烘烤温度165～170 ℃，显影工艺消耗时长40～50 s；同一光阻薄膜厚度，同一软烘热盘工艺烘烤温度的情况下，调整腔体内气流的置换率，软烘热盘不同进气量与排气量变化组合，为了达到spec CD 标准，热敏BARC 光刻胶的显影工艺消耗时长，呈现先增长后下降再趋于平稳的变化，其最优条件为：软烘热盘排气量范围在150～200 Pa，显影消耗时长40～50 s。

3 结论

BARC（Bottom Anti-reflective Coating）即底部抗反射涂层，是一种能够有效预防和消除光反射形成的驻波效应的抗反射层材料。热敏BARC 光刻胶作为一种新型光刻胶，不仅可以作为抗反射层，具有预防驻波效应的作用，还可以与其他PR 或PI 光刻胶配合进行显影工艺。根据实验发现，不仅软烘热盘的工艺烘烤温度的变化可以影响热敏BARC 光刻胶的显影工艺消耗时间长短，软烘热盘的腔体中的气流场变化，即腔体内气流的置换率的改变，软烘热盘的进气量和排气量的变化，同样也可以影响热敏BARC 光刻胶的显影工艺消耗时长，这种变化敏感度甚至可以精确到2～5 ℃或30-50 Pa。这种热敏BARC 光刻胶不仅可以作为抗反射层作用，还能够参与正常显影，与其上层涂覆的PR 或PI 光刻胶叠加组合，经过显影工艺后形成特殊的微观结构图形。这类热敏BARC 光刻胶主要应用于AR（Augmented Reality 增强现实技术）、VR（Virtual Reality 虚拟现实）、LENSE 等高精尖技术器件制造方面，是一种前沿技术领域不可或缺的工艺需求材料。这使得半导体微电子工艺更进一步发展，同时，也更进一步推动了半导体设备的国产化发展，具有很高的技术价值和商业前景。