关于光刻胶涂胶中球状缺陷的研究

孙会权，王延明，杨 悦，韩 禹

（沈阳芯源微电子设备股份有限公司 辽宁 沈阳 110000）

0 引言

在整个光刻工序中，需要用到很多种不同类型的光刻胶，包括底部抗反射涂层（bottom anti-reflection coating，BARC）类、顶部抗反射涂层（top anti-reflection coating，TARC）类以及光刻胶（photoresist，PR）［1－2］；不同的光刻胶具有不同的化学特性，例如某些光刻胶具有极强的挥发性，它们在涂胶过程中很容易产生球状缺陷，导致涂胶不良，影响显影结果，进而影响产品的良率。本文选用了两种高挥发性光刻胶，对涂胶过程中球状缺陷的产生过程进行了研究，并针对不同的原因提出不同的解决办法。

1 涂胶的过程与实验平台介绍

1.1 涂胶的工艺流程

涂胶工艺流程如下：首先在晶圆上进行六甲基二硅胺（hexamethyl disiloxane，HMDS）的涂布，由于晶圆表面呈亲水性，直接涂布光刻胶会造成光刻胶与晶圆黏附性差，在后续显影过程中容易出现PR 塌陷的现象［3］，HMDS 可以改变晶圆表面性质，将亲水性改变为疏水性，提高光刻胶与晶圆的黏附性；HMDS 涂布腔体为高温环境，故涂布结束后需将晶圆冷却，然后进行光刻胶的涂覆，以旋转涂胶的方式将光刻胶涂覆均匀，经过热板进行软烘，使光刻胶中的溶剂挥发，起到固化的作用，最后再经过冷却，涂胶完成［4］。

1.2 实验平台与检测仪器介绍

本文实验采用沈阳芯源公司自主研发的TRACK 机台，该机型可完成涂胶与显影工艺。

实验采用如下检测仪器进行量测：①颗粒检测仪，用于检测环境中的颗粒变化情况。②颗粒扫描仪，用于检测晶圆表面颗粒增加情况。③成分分析仪器，用于分析晶圆表面新增加颗粒成分，判断新增颗粒是否为球状缺陷。

2 球状缺陷的成因

2.1 球状缺陷的成因分析

在光刻胶涂胶整个过程中，主要工艺影响腔体为HMDS 涂布腔体、旋转涂胶腔体以及热板烘烤腔体；冷板主要起到冷却作用，将晶圆控制在工艺要求温度范围内，故对球状缺陷影响不大，而HMDS 涂布在光刻胶涂胶之前，也对球状缺陷的影响不大［5］。所以，球状缺陷主要成因来自旋转涂胶腔体以及热板烘烤腔体。

首先，由于涂胶方式为旋转涂胶，晶圆在一个很高的转速下旋转将光刻胶摊开，由于光刻胶挥发性较强，在较高的转速下，会伴随着光刻胶的挥发，如果此时挥发物未被及时排走，就容易回落至晶圆表面，形成球状缺陷；其次，在涂胶结束后进行软烘，光刻胶中的溶剂在高温下加热烘烤时会迅速挥发，产生大量的挥发物，如果过程中挥发物没有被及时排走，也很容易回落至晶圆表面，形成球状缺陷。

下面将采用两款不同黏度且挥发性均较高的光刻胶分别进行实验，验证球状缺陷形成的步骤与时间，并找到合理的解决办法。

2.2 球状缺陷形成验证

在涂胶完成后，球状缺陷可以采用颗粒扫描仪进行涂胶之后晶圆表面增加颗粒数测量，新增加的颗粒分为以下三种情况：①为机台环境中的颗粒落在晶圆上；②为光刻胶管路自身带来的颗粒；③为涂胶过程中产生的球状缺陷。通过成分分析仪可以看到新增加颗粒的形貌与成分。图1 为涂胶之后颗粒扫描仪检测的结果图，将部分新增加颗粒通过分析仪观察形貌并分析成分，结果显示，新增加颗粒形貌为球状，成分为C、O 元素，可证明该球状缺陷为球状缺陷［6］。如图2 所示。

图1 颗粒扫描仪结果

验证球状缺陷形成的步骤与时间，采用颗粒检测仪实时采集工艺单元周边粒子变化情况，若工艺过程中挥发出来的颗粒未被及时抽走，则会溢出至周围环境中，颗粒检测仪会以颗粒的形式捕捉到。

采用光刻胶1 和光刻胶2 两种光刻胶进行涂胶实验：

（1）在一个涂胶腔体进行涂胶，测试该腔体周围的粒子变化情况，同时在相邻腔体分别放置晶圆做静置实验，测试周围单元是否会被挥发出来的颗粒影响。

（2）在整个烘烤过程中监测热板单元周围环境粒子变化情况。

（3）对晶圆进行颗粒扫描仪测试，并用成分分析仪观察形貌，确定成分。

结果显示：光刻胶1 在涂胶过程中，在涂胶配方主要控制成膜厚度步骤前，存在一段短时间的高转速（转速＞2 000 r/min）。在该步骤时，腔体周围粒子数量迅速增加，瞬时可达数十万颗，其余时间数量无明显变化；而在热板中烘烤时，当盘盖升起的那一瞬间，热板周围环境粒子数量会增加约几千颗，其余时间无明显变化；颗粒增加数量级明显小于涂胶过程。可见造成光刻胶1 球状缺陷的主要原因在于涂胶步骤，烘烤过程中也会有影响，但远小于涂胶所带来的颗粒挥发。

颗粒扫描仪测试结果显示，实验相邻腔体所静置的晶圆，均有数十颗以及上百颗的粒子增加，缺陷结果为球状，且成分为C、O 元素，故新增加颗粒为球状缺陷，可见光刻胶1 在涂胶过程中，产生的球状缺陷还会影响到相邻单元。

光刻胶2 在涂胶过程中，腔体周围粒子数量无明显变化；在热板中烘烤时，腔体周围粒子数量无明显变化；而在热板烘烤结束、盘盖升起的那一瞬间，热板周围环境粒子数量有百万以上增加，此后随着时间的增加颗粒数量会逐渐减少。可见造成光刻胶2 球状缺陷的主要原因在于烘烤，烘烤过程中挥发物未被及时排走，盘盖开启瞬间大量挥发物溢出，此时环境排风也未及时排走溢出挥发物，导致挥发物回落至晶圆表面，形成球状缺陷。

颗粒检测仪测试结果显示，相邻腔体所静置的晶圆无明显粒子增加，可见光刻胶在涂胶过程中不会有挥发物溢出从而影响到相邻单元。

3 球状缺陷的控制

确定了球状缺陷的形成步骤与时间后，寻求进一步解决该问题的方案。球状缺陷产生的根本原因就是在挥发物大量溢出时，没有被及时排走。那么如果在挥发物溢出时，通过合理的涂胶配方优化以及供排风的参数优化，理论上就可以控制或解决球状缺陷。

3.1 涂胶过程中产生球状缺陷的控制

对于光刻胶1，球状缺陷产生的步骤在于在涂胶过程中高转速下，挥发物迅速产生、没有被及时排走而溢出，有两种方案进行控制：第一，降低高甩步骤的转速，降低挥发量，在原有腔体排风基础上，挥发物可被及时抽走；第二，加大CUP 排风，使挥发物及时被抽走。下面将分别对两种方法进行实验。

（1）降低高甩转速。将大于2 000 r/min（2 000～3 400 r/min）的高转速依次降低至2 000 r/min 以下，分别测试腔体周围粒子变化情况。

当转速降至2 000 ～2 500 r/min 时，粒子数量可明显降低，当转速降至2 000 r/min 以下时，腔体周围粒子基本没有增加，颗粒扫描仪测试结果颗粒数量也符合要求，可见，降低高转速可有效解决该光刻胶球状缺陷问题。但对于转速的改变会引起膜厚变化的情况，可根据实际情况进行转速调整。

（2）增加CUP 排风。在前道半导体领域，TRACK 涂胶单元排风通常分为单元排风（低排风）与CUP 排风（高排风），腔体默认环境下，CUP 一直处于低排环境中，在涂胶配方中可根据需要开启高排风。为了膜厚的稳定性，通常在涂胶动作开始时开启高排，在回流步骤之后关闭。对于CUP 排风，低排与高排的硬件参数基本是固定的，因为在同一机台上不可能只进行一款光刻胶的工艺，改变整体排风参数，势必会影响其他光刻胶工艺。因此，可以针对高转速步骤，通过配方优化尝试解决该问题。通常在配方中的该步骤高转速时，高排风已经关闭；若在高转速的同时开启高排风，高转速结束时关闭，必定会对挥发物的溢出有所改善。

对以上方法进行验证：修改涂胶配方，在高甩步骤开启高排风，并采用该配方进行涂胶测试。结果表示，在高转速步骤时腔体周围粒子数量基本没有增加，颗粒扫描仪测试结果显示涂胶之后晶圆表面增加颗料数量也符合要求。可见，在高转速步骤开启高排风可有效解决该光刻胶球状缺陷问题。

3.2 软烘过程中产生球状缺陷的控制

对于光刻胶2，球状缺陷产生的步骤在于软烘结束后，盘盖打开瞬间挥发物溢出并且没有被及时排走，回落至晶圆表面。热板腔体的排风，分为盘盖排风和环境排风两种，假设盘盖排风足够大，在烘烤时可以将挥发物全部排走，在开盖瞬间也不会有挥发物溢出；若盘盖排风有限，盘盖开启后存在挥发物溢出，但热板环境排风足够大，也可及时将挥发物排走。下面将进行两方面的实验：

（1）增加盘盖排风：对于该类型光刻胶，通常盘盖排风的设定值为30～70 Pa，因排风数值对膜厚有很大影响，故不能一味地加大，在有限的范围内，将盘盖排风的设定值增加至80～100 Pa 进行测试，结果在盘盖打开瞬间热板周围粒子数量仍然为百万级，在有限范围内增加盘盖排风无改善。

（2）增加环境排风：环境排风设定值为30 ～60 Pa，将环境排风设定值增大至70～200 Pa 进行测试，结果在盘盖打开瞬间热板周围粒子数量有所下降，降低至几十万颗。可见增加热板环境排风可以将挥发物在溢出后排走一部分，但由于硬件结构原因与厂务能力有限，无法继续提升环境排风。

通过以上实验可以证实，在原有热板结构基础上且不影响工艺指标的前提下，无法完全解决球状缺陷问题。下面将通过对热板单元结构改造，设计新结构，增加热板盘体内排风能力，控制挥发物溢出。

原有热板结构为加热盘体与盘盖为分体式，盘盖中心连接排风管路，热板烘烤结束后盘盖升起，如图3 所示。新结构考虑取消分体式盘盖，设计一体式盘体，从盘体一侧排风，并增大排风管尺寸，增大排风能力，如图4 所示。力求将挥发物及时排走，不会溢出至环境中。

图3 原结构盘体示意图

图4 新结构盘体示意图

采用新结构热板，将热板排风值设定为10 ～70 Pa，分别进行实验。在进片口位置进行颗粒检测数据采集，测试取片瞬间粒子增长数量。实验结果为：当排风从10 Pa 升至80 Pa 时，进片口位置颗粒数量由百万级降低至几百颗，可见新结构热板对于控制粒子溢出有明显效果。如图5 所示。

图5 不同排风条件下，进片口位置挥发物溢出数量曲线图

采用颗粒扫描仪对实验晶圆进行测试，增加颗粒数在要求范围内，所增加颗粒经分析不是球状缺陷。可见，新结构热板在有限的排风条件下，对挥发物的溢出与球状缺陷的控制有明显的效果［7－8］。

4 结语

综上所述，针对球状缺陷的产生，不同的光刻胶可能原因不同。在发现问题后，需确定球状缺陷产生的过程与时间，根据实际情况与调整的难易程度，选择相应的方法去控制其数量，减少缺陷，提高良率。