关于解决晶背污染的方法研究

孙洪君，关 丽，张德强，邢 栗，李庆斌

（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。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。随着半导体技术的发展，图形化制程工艺的精度大大提高，不仅晶面的制程技术逐渐纯熟，晶背图形化制程工艺也在逐步发展。因此，晶背的洁净度也十分重要，对于晶背污染的控制也逐渐受到大家的重视。

随着集成电路制程工艺的高速发展，控制晶背污染势在必行，原因有两方面：一方面是晶圆背部污染，有可能造成设备的宕机风险，例如晶背存在颗粒污染，使得真空吸附失败，造成真空道堵塞，从而导致碎片；另一方面是晶背图形化制程工艺的逐步发展，晶背的图形化工艺与晶面图形化工艺类似，所以要求上也几近相同，若工艺过程中产生胶丝，使得晶背沾污，那么容易造成其他工艺单元的污染，导致图形化工艺失效，影响后续制程工艺。因此，对于晶背污染的控制具有十分重要意义。

晶背污染，即圆背部被光刻胶沾污，主要发生在后道的图形化工艺过程中，产生的原因主要与光刻胶的特性有关：一种是光刻胶黏度值比较大，在旋涂过程中，在晶圆边缘由于旋转线速度过大，容易产生胶丝，沾染晶背；还有一种是光刻胶特别容易挥发，在光刻胶摊开铺满整个晶圆的过程中，自然挥发产生大量雾状颗粒，随后慢慢凝聚产生胶丝，从而污染整个晶背。上述两种是较为常见的晶背污染根源的产生方式，根据这两种晶背污染的产生方式，本文提出了以下两种解决晶背污染的实用办法，适用于大多数匀胶显影工艺生产过程中产生圆背部被光刻胶污染的情况，以供大家参考和解决问题。对于第一种晶背污染的产生，一般采取在旋涂过程中，增加晶背清洗（BSR）和晶圆边缘清洗（EBR），两种清洗叠加的方式，来消除晶圆背部被光刻胶沾污的问题。这种方法采用的是相似相溶的原理，通常情况下，BSR和EBR溶液使用的是与RRC相同的溶剂，能够有效的消除晶圆边缘及晶背上残留的多余光刻胶。对于第二种晶背污染，采取的解决方式有两种，一种是在BSR和EBR叠加的基础上，增大腔体内的排风，作用是让腔体环境内的污染颗粒更快的抽出，清空环境污染；另一种是在BSR和EBR叠加的基础上，增加与晶圆真空吸盘等尺寸大小的氮气环。氮气环的作用是在晶圆真空吸盘接触到晶背的部分，形成气体保护屏障，防止污染颗粒进入，同时改变晶背空间形成的风流场，在排风的配合下，保证腔体环境的清洁干净。这两种方法是在上一种方法的相似相溶的原理的基础上，改变了腔体内的气流环境，即晶圆工艺时，改变了晶圆旋转时背部空间的风流场。这两种动作叠加在一起，对颗粒类的晶背污染，更加有效果。经过工艺实验验证，上述两种方式，都能快速有效地解决圆背部被光刻胶沾污的问题。目前，这两种解决圆背部被光刻胶沾污的方法已经被广泛的应用到实际工艺生产当中。

1 实验及测量

上述提出的两种解决晶背污染的实用办法，适用于大多数匀胶显影工艺生产过程中产生晶圆背部被光刻胶污染的情况。由于这两种方法的目的及结果相似，所以，我们以第一种晶背污染产生方式为例：光刻胶黏度值比较大，在旋涂过程中，在晶圆边缘容易产生胶丝，沾染晶圆背部。其解决方法：采用相似相溶的原理，使用BSR和EBR两种清洗叠加的方式为例，详细阐述其基本实验过程。

本实验采用KSM匀胶-显影设备，进行图形化匀胶工艺步骤，完成后，采用宏观观测OM设备、微观检测AOI设备等，检验验证实验结果。晶圆一次图形化匀胶工艺实验，基本流程如下：

1）检查设备匀胶腔环境状况，如排风、温湿度、机械部件运动情况等，确认是否正常；

2）将待涂胶晶圆进行表面清洗烘干，然后增粘剂涂底，接着将待涂胶晶圆送入匀胶单元，使用机器手把晶圆放到吸盘上，准备开始光刻胶涂覆，喷涂光刻胶的机械手臂，水平移动至所述晶圆中心正对位置，吸盘以较低的速度开始旋转，喷淋头吐出一定量的光刻胶；

3）光刻胶喷涂结束后，进行甩胶，以一个比滴胶转速高的旋转速度，将一定量的光刻胶快速甩开，平铺满至整个晶圆表面，然后再以另一转速，旋转20～30 s形成具有一定厚度的稳定薄膜，匀胶工艺完成；

4）经过软烘、冷却、回盒，一片晶圆完成整个图形化匀胶工艺流程。

根据实验结果以及经验分析，晶背污染会在第3）步形成，所以消除晶圆背部被光刻胶污染的实验改善措施，主要针对第3）步。将涂覆工艺完成后的晶圆，放置到宏观观测OM设备、微观检测AOI设备的测试平台上，进行晶背洁净度检测，拍照并保存记录。

实验预计，使用上述工艺流程，分别进行两组不同的实验，分别做n片。

1）同一光刻胶，达到同一光刻胶薄膜厚度的情况下，在匀胶工艺第3）步过程中，不开BSR和EBR时，使用宏观观测OM设备、微观检测AOI设备，检测晶圆背部被光刻胶污染的程度及范围，拍照并记录数据；

2）同一光刻胶，达到同一光阻薄膜厚度的情况下，在匀胶工艺第3）步过程中，开BSR和EBR时，使用宏观观测OM设备、微观检测AOI设备，检测晶圆背部被光刻胶污染的程度及范围，拍照并记录数据，拍照并记录数据。

2 实验结果与讨论

本文将按照常见的晶背污染产生的两种主要原因，做实验分析与讨论。由于版权及专利限制，硬件调整不做过多的详细描述。

本次实验1中，所用光刻胶为某PR1光刻胶，光刻胶黏度为10 000～15 000 cps，目标薄膜厚度为20～50μm，其特性为微黄透明光刻胶，不易挥发，但黏度较大，容易产生胶丝背污。根据上述晶圆一次图形化匀胶工艺实验的基本流程，将本次实验分为以下两个方向进行：

在匀胶工艺第3）步过程中，全程不开BSR和EBR，做n片实验；在匀胶工艺第3）步过程中，全程开BSR，清洗范围从晶圆真空吸盘边缘至晶圆边缘，且在光刻胶形成稳定薄膜后，开启EBR，横切宽度约2～5 mm，做n片实验。上述完成实验的n片晶圆，使用宏观观测OM设备、微观检测AOI设备，检测晶圆背部被光刻胶污染的程度及范围，拍照并记录数据。

实验1结果显示，在匀胶工艺第3）步过程中，全程不开BSR和EBR，OM设备检测观察到，晶圆背部被光刻胶污染的程度较为严重，范围在距离晶圆边缘10～100 mm；全程开BSR，且在光刻胶形成稳定薄膜时，开启EBR，横切宽度约2～5 mm，OM设备检测观察到，晶背没有宏观可见光刻胶沾污；微观AOI设备检测，结果晶圆背部也没有光刻胶沾污痕迹。

本次实验2中，所用光刻胶为某PR2光刻胶，光刻胶黏度为500～800 cps，目标薄膜厚度为10～20μm，其特性为微橙透明光刻胶，易挥发，容易产生白色颗粒及“棉花糖”式胶丝背污。根据上述晶圆一次图形化匀胶工艺实验的基本流程，将本次实验分为以下两个方向进行：在匀胶工艺第3）步过程中，全程不开BSR和EBR，做n片实验；在匀胶工艺第3）步过程中，全程开BSR，清洗范围从chuck边缘至晶圆边缘，且在光刻胶形成稳定薄膜时，开启EBR，横切宽度约1～3 mm，同时增加与晶圆真空吸盘等尺寸大小的氮气环，氮气流量约25～50 L/min，做n片实验。上述完成实验的n片晶圆，使用宏观观测OM设备、微观检测AOI设备，检测晶圆背部被光刻胶污染的程度及范围，拍照并记录数据。

实验2结果显示，在匀胶工艺第3）步过程中，全程不开BSR和EBR，OM设备检测观察到，晶圆背部被光刻胶污染的程度较为严重，LED强光扫视存在明显白色颗粒环污染，范围在距离晶圆边缘80～95 mm，同时在距离晶圆边缘10～150 mm范围，存在明显的“棉花糖”式胶丝沾污；全程开BSR，且在光刻胶形成稳定薄膜后，开启EBR，横切宽度约1～3 mm，同时增加氮气流量约25～50 L/min的氮气环，OM设备检测观察到，晶背没有宏观可见沾污，LED强光扫视也没有白色颗粒；微观AOI设备检测，结果晶圆背部也没有光刻胶沾污痕迹。

从实验结果来看，这两种方法，都能快速有效地解决图形化工艺制程中晶圆背部被光刻胶沾污的问题。上述两种方法，适用于大多数匀胶显影工艺生产过程中产生晶背污染的情况。目前，已经在设备客户现场得到了广泛应用，而且利用上述两种工艺方法，使得晶背的图形化制程工艺结果更加优秀。

3 结论

随着图形化工艺制程的快速发展，晶背污染控制具有十分重要的意义。晶背污染产生的根源在于光刻胶的特性为黏度值大、易挥发等。根据光刻胶特性，本文提出了以下两种解决晶背污染的实用办法，适用于大多数匀胶显影工艺生产过程中产生晶圆背部被光刻胶污染的情况。第一种采用相似相溶的原理，使用BSR和EBR两种清洗叠加的方式，能够有效的消除由于光刻胶黏度值比较大，在旋涂过程中，晶圆边缘及晶背上残留的多余光刻胶，产生胶丝，沾染晶背的情况。第二种是在第一种相似相溶的原理的基础上，加大排风或增加与晶圆真空吸盘等尺寸大小的氮气环。这种方法的原理是，改变了腔体内的气流环境，即晶圆匀胶工艺时，改变了晶圆旋转时背部空间的风流场。两种动作叠加在一起，对特别容易挥发，并挥发过程中产生大量雾状颗粒，随后慢慢凝聚产生胶丝的这种颗粒类的晶背污染，更加有效果。本文提出的上述两种解决晶背污染的实用办法，适用于大多数匀胶显影工艺生产过程中产生晶圆背部被光刻胶污染的情况，经过工艺实验验证，都能快速有效地解决晶圆背部被光刻胶污染的问题。目前，这两种解决圆背部被光刻胶沾污的方法已经被广泛地应用到实际工艺生产当中。