半导体 | 光刻工艺（中）显影、硬烘培、显影检查

五、显影

晶圆完成对准和曝光后，器件或电路的图案被以曝光和未曝光区域的形式记录在光刻胶上。通过对未聚合光刻胶的化学分解来使图案显影。显影技术被设计成使之把完全一样的掩模版图案复制到光刻胶上。不良的显影工艺造成的问题是显影不充分，它会导致开孔的尺寸不正确，或使开孔的侧面内凹。在某些情况下，显影不够深而在开孔内留下一层光刻胶。第3个问题是过显影，这样会过多地从图形边缘或表面上去除光刻胶。要在保证高深宽比的塞孔的直径一致，和由于清洗深孔时液体不易进人而造成的清洗困难的情况下，保持具有良好形状的开孔是一个特殊的挑战。

1）正光刻胶显影

曝光后，预期的图形在正光刻胶中按照聚合光刻胶(启动条件)和未聚合的光刻胶(由曝光引起的)的区域被编码。两个区域(聚合的和未聚合的区域)有不同的溶解率，约为1:4。这意味着在显影中总会从聚合的区域失去一些光刻胶。使用过度的显影液或显影时间过长可能导致光刻胶薄到不能接受的程度，其结果是可能导致在刻蚀中翘起或断裂。

在光刻胶图案边缘的过渡区

有两种类型的化学显影液用于正光刻胶,碱-水溶液和非离子溶液。碱-水溶液可以是氢氧化钠或氢氧化钾。因为这两种溶液都含有可动的离子污染物,所以在制造敏感的电路时不能使用。大多数用正光刻胶的工艺线使用非离子的四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液。有时要添加表面活性剂来去除表面张力，使溶液更易亲合品圆表面。正光刻胶的水溶性使它们在环保上比有机溶液的负光刻胶更具吸引力。

接着的显影步骤是为了停止显影过程和从晶圆表面去除显影液的冲洗。对正光刻胶冲洗用的是水，它带来的是更简单的处理和成本的降低，并有利于环境。正光刻胶的显影工艺比负光刻胶更为敏感”。影响结果的因素是软烘焙时间和温度、曝光度、显影液浓度、时间、温度，以及显影方法。显影工艺参数由所有变量的测试来决定，下图显示了一个特定的工艺参数对线宽的影响。

显影剂温度和曝光关系与线宽变化的比较

当使用正光刻胶时，显影和清洗工艺的严格控制是尺寸控制的关键。对正光刻胶显影液清洗的化学品是水。它的作用与负光刻胶清洗液相同，但是更便宜、使用更安全，更容易处理。

2）负光刻胶显影

在光刻胶上成功地使图案显影要依靠光刻胶的曝光机理。负光刻胶暴露在光线下，会有一个聚合的过程，它会阻止光刻胶在显影液中分解。在两个区域间有足够高的分解率，使得聚合的区域光刻胶几乎没有损失。大多数负光刻胶显影是用二甲苯作为显影液，它还被用作负光刻胶配方中的溶液。

显影完成前还要进行冲洗。对于负光刻胶，通常使用"-醋酸丁酯作为冲洗化学品，因为它既不会使光刻胶膨胀也不会使之收缩，从而不会导致图案尺寸的改变。对具有台阶图案的品圆，可能使用一种性质较温和的 Stoddard 溶剂。

3）湿法显影

有几个方法用于光刻胶显影。方法的选择依据包括光刻胶极性、特征图形尺寸、缺陷密度的考虑、刻蚀层的厚度以及产能。

4）干法(或等离子)显影

硬烘焙是在掩膜工艺中的第二个热处理操作。它的作用实质上和软烘焙是一样的--通过溶液的蒸发来固化光刻胶。然而，对于硬烘焙，其唯一目标是使光刻胶和晶圆表面有良好的黏结，这个步骤有时称为刻蚀前烘焙，

1) 硬烘焙的方法

硬烘焙在设备和方法上与软烘焙相似。对流炉，在线及手动热板、红外线隧道炉，移动带传导炉和真空炉都用于硬烘焙。

2) 硬烘焙工艺

硬烘焙的时间和温度的选取与在软烘培工艺中是相同的。起始点是由光刻胶制造商推荐的工艺。之后，工艺被精确调整，以达到黏结和尺寸控制的要求。一般使用对流炉的硬烘焙的温度是从130℃~200℃进行30分钟。对于其他方法，时间和温度有所不同。设定最低温度使光刻胶图案边缘和晶圆表面达到良好黏结。热烘焙增强黏结的机理是脱水和聚合。加热使水分脱离光刻胶，同时使之进一步聚合，从而增强了其耐刻蚀性。硬烘焙温度的上限以光刻胶流动点而定。光刻胶有像塑料的性质，当加热时会变软并可流动。当光刻胶流动时，图案尺寸便会改变。当在显镜下观察光刻胶流动时将会明显增厚光刻胶边缘。极度的流动会在沿图案边缘处显示出边线。边线是光刻胶流动后在光刻胶中留下的斜坡而形成的光学作用。

硬烘焙是紧跟在显影后或马上在开始刻蚀前来进行的。在大多数生产情况中硬烘焙是由和显影机并排在一起的隧道炉来完成的。当使用此种操作规程时，把品圆存放在氮气中或是立即完成检验步骤以防止水分重新被吸收到光刻胶中，这一点非常重要。

工艺工程上的一个目标是有尽可能多的共同工艺。对于硬烘焙工艺来说，由于各种晶圆表面的不同黏接性质有时会给工艺带来困难。更加困难的表面，如铝和掺杂磷的氧化物，有时要经高温硬烘焙或在即将要刻蚀之前对其在对流炉中进行二次硬烘焙。

七、显影检验

在显影和烘焙之后就要完成光刻掩膜工艺的第一次质检。恰当地说，应该叫显影检验(developinspect),简称DI。检验的目的是区分那些通过最终掩膜检验可能性很小的晶圆;提供工艺性能和工艺控制数据;以及分拣出需要返工的晶圆。

返工循环过程

晶圆被送回掩膜工艺称为返工(rework)或重做(redo)。工艺师的目标是保持尽可能低的返工率，应小于10%，而5%是一个受欢迎的水平经验显示经过光刻返工的晶圆在最终工艺完成时有较低的分选良品率。返工会引起黏结问题，并且再次传输操作会导致晶圆污染和损坏。如果太多的晶圆返工将使整个分选良品率受到严重影响，并且生产线将被堵塞。

保持低返工率的第二个原因与在进行返工晶圆处理时要求另外的计算和标识有关。显影检验良品率和返工率随掩膜水平而变。总体上，在掩膜次序中的第一级有较宽的特征图形尺寸、较平的表面和较低的密度，所有这些会使掩膜良品率更高。在晶圆到了关键的接触和连线步骤时，返工率呈上升趋势。

1） 显影检验拒收分类

一般来说，在显影检查和最终检查时有6类主要的晶圆问题发生，包括:

• 超出图形尺寸(关键尺寸测量)的规范.

• 图形未对准

• 表面污染

• 在光刻胶中有孔洞或划痕

• 污渍或其他表面不规则物

• 具有畸变的图形

2）显影检验的方法

检验设备的描述后面内容单独讲。

自动检验:随着芯片尺寸的增大和元件尺寸的减小，工艺变得更加繁多并精细，较老的和相对慢的人工检验(见下文)的效率也到了极限。可探测表面和图案失真的自动检验系统成为在线和非在线检验的选择。自动检验系统提供了更多数据，反过来，这又使工艺师能够刻画出工艺特色并对工艺加以控制。它们也具有一致性，而人在做重复性的工作时能力上会发生变化，产生疲劳。然而，一些像非常小颗粒这样的缺陷，以及前面光刻步骤带来的问题可能从自动系统探测中漏检。对于分析，光学显微镜仍然是有用的。

自动检查系统除了增加生产效率外，还有精确性问题。随着提及的图形线条宽度正在变得更小，在更密集的图形中极小的缺陷也变得致命。扫描电子显微镜(SEM)能够测量更小的尺寸和检测更小的颗粒及表面缺陷。原子力显微镜用于测量表面平整度和检测不规则图形。X射线分光计被用于污染检测。目的是全部晶圆在线检查，而有些技术也需要离线分析。

在芯片设计时，设计测试图形用来测量如关键尺寸这些参数。随着品圆上层数增多，对于缺陷和其他表面问题的检测复杂性难度增大。通常，空白“检测”晶圆将包含在工艺批中。在特别工艺步骤引入的缺陷和污染，在检测晶圆上更容易被检测和测量。

人工检验:下面流程图显示了一个典型的人工显影检验次序。第一步是用眼睛直观检验晶圆表面。由于没有使用放大镜，所以这种检验有时又称为1倍检验(1倍放大等于肉眼的视觉水平)。检验可以在正常的室内光线下进行,但是更多时候晶圆要在直射的白光或高密度紫外线下进行。检验时晶圆与光线成一定的角度。用这种方法可以非常有效地检查出膜厚的不均匀、粗显影问题、划伤及污染，特别是污渍。

随着芯片密度的提高，其单个部分也变得更小，这依次要求更高的放大倍数来看它们。增大放大倍数使视场变窄了,依次增加了检查晶圆的操作时间。通常，对于一个大直径、低缺陷的晶圆取样所要求的时间是禁止的。

3）在显影检验阶段拒收的原因

有很多原因可使晶圆在显影检验时被拒收。一般地，要找的仅是那些在当前光刻掩膜步骤中增加的缺陷。每一片品圆都会带有一些缺陷和问题,并且品圆到达当前步骤时有可接受的质量，在这一原理下，从上一步留下的缺陷一般会被忽略掉。如果一片晶圆有严重的问题而在上一步未被发现，就会从本批中拿掉。

这种检验一般是一个“首个-失效"原则(frst-failbasis)。就是说检查继续检验晶圆直到达到一个拒收的水平,并确认要拒收的晶圆。每片晶圆的信息被记录在清单上以做统计和分析用。自动和半自动光学检验仪有电子记忆用来累积和收集拒收数据。在显影检验阶段典型的拒收是:

• 破损晶圆
• 划伤
• 沾污
• 光刻胶中有针孔
• 图形对准错误
• 桥接
• 光刻胶翘起
• 不完全显影
• 显影不足
• 无光刻胶
• 光刻胶流动
• 用错版
• 关键尺寸(CD)

桥接的导线

参考文献：

未完待续......

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