基于双掩模光刻机的真空复印机构与工艺研究

芦 刚，毛善高，李 顺

( 中国电子科技集团公司第四十五研究所， 北京 100176)

接触接近式光刻设备主要用于功率电子器件、传感器、探测器、光电子器件、微波电路、MEMS（微电子机械系统）及其它新型电子元器件的单、双面对准及曝光工艺[1]。双面光刻机根据工作原理可分为双面对准单面曝光和单面对准双面曝光两大类型。具体选择哪一种双面光刻机，半导体厂商需要根据产品的工艺特点来综合考量后，才能确定选择适应于自身产品的双面光刻机。

1 双面对准单面曝光原理及特点

双面对准单面曝光型光刻机具有2 套对准观察系统和1 套曝光系统，其曝光方式可以实现真空接触曝光、硬接触曝光、软接触曝光、接近式曝光。曝光模式多样化，对准精度高，曝光分辨率高。

其工作原理主要是采用底部对准（BSA）原理，在顶部对准（TSA）观察系统支持下，已经完成基片的单面曝光。根据底部对准原理，将所需掩模版装载固定后，手动驱动底面对准显微镜两物镜的位置移动及焦距调整，直到掩模版上的两对准标记清晰地出现在监视器上，此时选定物镜的位置，掩模版上标记图形已被计算机的图像卡存贮起来；然后将基片送入对准台，掩模版和基片背面上的标记图形同时出现在监视器上，形成动、静两画面迭加，使用手动对准工作台（X、Y、θ）的微调手柄，使基片标记与掩模标记对准，从而实现双面对准，如图1 所示。

图1 双面对准单面曝光对准原理图

2 单面对准双面曝光原理及特点

单面对准双面曝光型光刻机[2]具有一套底部对准系统和上下两套曝光系统，其曝光方式为软接触曝光。对准精度相对较低，曝光分辨率偏低，但生产效率较高。

双掩模光刻机虽然存在对准精度低、曝光分辨率低的不利因素，但在功率电子器件、微波电路、MEMS（微电子机械系统）等器件生产中，具有双面工艺要求，其基片上下两面需要首次同时曝光作为基准，这种双面光刻机依然存在巨大的应用领域。因此，如何在现有的设备上通过技术提升，进一步提高双掩模光刻机的曝光分辨率及曝光线条的均匀一致性具有重要的意义。

双掩模光刻机的对准原理如图2 所示。

图2 双掩模光刻机对准原理图

2.1 双掩模对准过程

上掩模版向下运动和下掩模版接触，完成两掩模版的楔形误差补偿，然后4 个气缸锁定上掩模版架，保持两掩模版的平行，驱动电子数显微分头，使上掩模版向上微动一对准间隙，在显微镜的观察下驱动下掩模版作X、Y、θ 向运动使两掩模版上的图形标记对准，对准后上掩模版升至最高位置，至此完成版-版的对准。

2.2 掩模与基片对准过程

硅片由机械手送入上、下掩模版之间，机械手向下运动，使硅片和下掩模版接触，完成掩模版与硅片的楔形误差补偿，然后气缸锁定硅片（机械手找平碗），保持掩模版与硅片的平行，驱动机械手的步进电机，使硅片向上运动一对准间隙（对准间隙可在工业触摸屏上设定），驱动手柄系统作X、Y、θ 向运动使下掩模版与硅片的图形标记对准，对准后机械手向下运动将硅片无漂移地（吹氮气）放到下掩模版上，机械手退出，至此完成版与片的对准。

3 双面对准光刻机及工艺实验

根据双面光刻机[3]的原理，研制的双面掩模光

刻机对准机构如图3 所示。

图3 双面掩模光刻机对准机构

采用双面掩模光刻机在生产线上对曝光参数

的统计，掩模版尺寸及样片尺寸测量如表1 所示。

时至今日，传统中国山水画的创作者们仍然在从前辈的画作中汲取营养，学习他们甘于平淡的艺术精神。从政治经济环境来说，现今的社会和古代社会已发生了天壤之别，当今的山水画作者所处的时代背景决定了他们并不会完全像古代画家一样去追求离尘出世。然而中国文化的内核一直未曾改变，都是以儒释道为核心的。这一点决定了中国山水画的艺术追求不会发生根本的转变，隐逸山林、心生出离的基调也不会彻底改变。

表1 曝光数据统计表 μm

由表1 基片抽样检测结果可以看出，基片曝光线条均匀性误差大，其不均匀性误差在30%，为了进一步检测曝光线条均匀性误差，在不同批次取出不同数量，共计50 片，进行检测测量，通过数据统计及分析，其曝光线条不均匀性正态分布如图4 所示。

图4 曝光基片偏差正态分布曲线

由此证明，双掩模光刻机采用软接触曝光模式，其曝光线条的均匀性达不到双面对准单面曝光光刻机的曝光水平。

在单面光刻机中，其曝光模式对分辨率有很大的影响。表2 列出了接触接近式光刻机中几种曝光方式通常可达到的曝光分辨率。

表2 接触接近式曝光机曝光分辨率

从表2 可以看出，在真空接触模式下，其曝光分辨率最好，受此启发，能否在双面光刻机上增加真空复印模式功能，从而提高曝光分辨率应该是可行的。为此对设备结构分析，完善改进了双掩模的版架机构，增加了真空复印装置，其结构如图5所示。

图5 双面掩模真空复印机构

通过对改进后的双面光刻机进行工艺验证，验证曝光分辨率及曝光线条均匀性。实验采用改进型SB-402 双面光刻机、UV-A 型紫外辐射照度计（配备365 nm 探头）、光刻胶和去离子水等。采用双面光刻机成熟优化好的工艺参数及条件，曝光工艺条件采用AZ5214E 正胶，φ100 mm 标准硅片，匀胶工艺步骤为：（1）热板前烘去除表面水分，前烘时间60 s，温度90 ℃；（2）采用半自动匀胶机旋涂曾粘剂HDMS，转速设置600 r/min，前烘时间60 s，温度90 ℃；（3）采用半自动匀胶机进行匀胶，匀胶机转速设置4 500 r/min，光刻胶厚度控制在1～1.5 μm。曝光模式采用真空复印，光照强度为10 mW/cm2，曝光时间为3 s，坚膜后烘设置热板温度为90 ℃，时间为90 s。采用PDM-2038 显影液，显影后使用去离子水清洗样片表面。

在相同条件下，不同曝光模式下、不同真空度下的样片进行了样片表面观察，测量光学显微镜采用OLYMPUS 显微镜。为了保证观测准确性，采用9 点测量法。即每组观测选择同一样片上的不少于9 个点，观测部位和相同位置不同放大倍数下观测。相同工艺条件下，两种曝光模式曝光分辨率数据统计如表3 所示。相同工艺条件下，不同真空度下的曝光分辨率如表4 所示。

表3 两种模式曝光分辨率统计表

表4 不同真空度下的曝光分辨率统计表

因此，将曝光分辨率2 μm 看成应当加以研究并由控制图加以控制的重要质量特性；同时在相同工艺条件下，不同基片曝光线条均匀性进行检测验证，以基体曝光面的4 个角及中间位置的曝光线条为1 个样本，即样本容量n=5；每25 片为一个循环，抽取1 个样本；收集25 个样本数据，即样本个数k 为25，并按读取顺序将其记录于表中，如表5、表6 所示。

表5 双面上表面曝光线宽和样本统计量 μm

表5、表6 中X1-X5为线宽统计量，根据计算统计量-R 图的控制界限计算公式：

表6 双面下表面曝光线宽和样本统计量 μm

R 上控制界限线Ucl=D4·

R 下控制界限线Lcl=D3·

根据以上计算公式计算并将其控制图绘制的Xbar-R 图如图6、图7 所示。

图6 双面上表面曝光线宽的Xbar-R 图

图7 双面下表面曝光线宽的Xbar-R 图

光学显微镜放大500 倍时观察样片，如图8所示。2 μm 和2.5 μm 线条中都没有出现中间断裂现象，线条平滑陡直无锯齿。

图8 曝光线条实验图

4 双面对准光刻机程序优化

通过对实验过程中出现的不良现象的分析及多次的调试及程序优化组合，即上版架下来与下掩模接触后，延迟0.5 s，再将真空电磁阀打开，将两块掩模及基片间的空气抽空，形成负压，真空阀工作3 s，此时观察上掩模版，发现其与基片接触部位干涉条纹明显增多，说明掩模版与基片贴附效果明显好于未采用真空复印模式，上下快门打开基片曝光，为确保上版架抬升时，不被真空复印曝光模式产生的负压破坏上掩模的找平效果，真空阀切换，与其排气端连接的氮气阀打开，向掩模版吹氮气2 s，使其完全破坏掩模之间的负压，然后上版架抬升，机械手取出曝光的基片。完善改进的局部气路系统如图9 所示。

图9 气路改进图

5 结束语

通过反复多次的实验验证，得出如下结论。双掩模双面光刻机通过采用真空复印模式，其曝光分辨率要优于软接触曝光模式，且曝光线条的均匀一致性要好。

为了进一步验证该机构的稳定可靠性，将改进后的上版架机构搭建到用户的设备上，并作了相应的气路改造及程序升级。通过用户现场多批次，500 片的曝光实验，并检测及数据分析，其曝光线条的精度在±0.15 μm，解决了设备原有曝光线条不均的问题，基片整体质量有了质的提高，用户非常满意。

由此表明，通过改进曝光方式，从而提高曝光工艺的可行性，进一步证明工程技术人员要加强对半导体产品生产工艺的了解和学习，将半导体生产工艺知识融入到半导体设备的设计研发中，充分理解一代工艺一代设备，只有这样才能设计制造出满足不同产品生产工艺需求的半导体设备。