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[摘 要]本文介绍了涂胶显影机的基本工艺流程，包括涂底胶、烘烤、冷板等工艺流程，在实际应用中，大部分都是基本流程的变异或者选项。
[关键词]涂胶显影机、工艺、烘烤、冷板
中图分类号：TN305 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）07-0096-04
1 引言
光刻工艺过程和胶卷相机比较接近，是一种多步骤图形转移过程。光刻过程把光罩（Mask）上的图形转到晶圆（wafer）上，由涂胶显影机（Track）和光刻机（Scanner）共同完成的，是芯片制造过程中最重要的工序之一。涂胶显影机（Track）的作用相當于制作和冲印胶卷，而光刻机（Scanner）的作用相当于照相机按快门照相（图1）。本文中重点探讨涂胶显影机（Track）的工艺过程。
2 工艺流程
涂布显影机的基本流程：涂底胶（HMDS） →冷板（Cooling Plate） →涂光刻胶旋涂（Spin COT） →软烘烤（Soft bake or PAB） →冷板（Cooling Plate） →曝光（Exposure） →曝光后烘烤（Post Exposure Bake） →冷板（Cooling Plate） →显影（Developer） →硬烘烤（Hard Bake） →冷板（Cooling Plate），以上工艺流程是一个基本的流程，然而，大部分都是基本流程的变异或者选项。
2.1表面处理
涂底胶（HMDS）：底胶通过化学反应把晶圆表面由亲水性（Hydrophilic）改变为疏水性（Hydrophobic），进而保证晶圆与光刻胶的良好粘接。目前广泛使用的HMDS（hexamethyldislazane）是六甲基二硅胺烷（（CH3） 3SiNHSi（CH3） 3），将硅片表面的亲水性氢氧根（OH）通过化学反应置换为疏水的OSi（CH3） 3。
HMDS有旋转和蒸气两种涂布方式，HMDS在wafer表面只需要几个分子的厚度，旋转方式HMDS的耗量大，而蒸气式用很少的量就可完成，这里只介绍蒸气式的工作原理。利用N2把HMDS蒸汽带入到加热的腔体中，喷洒到Wafer表面保持一段时间，再通入N2把反应的副产物和剩余的HMDS带走排放到废气系统中（图2）。通过测量晶圆（Wafer）表面水的接触角（Contact angle）来验证HMDS的涂布效果，一般要求大于65度。烘烤温度和HMDS喷洒时间都会影响接触角的大小。通常，加热温度125度，喷洒时间40秒。
2.2 冷板（Cooling Plate）
冷板的作用是把晶圆（wafer）在短时间内降到设定温度并且是晶圆表面温度均匀，冷板的温度要与光刻胶涂布单元和显影单元化学品的温度相同，常用温度为22度，温度波动范围Rang≤±0.1度（图3）。
2.3 涂光刻胶旋涂（Spin COT）
光刻胶或光阻（PhotoResist）通过旋涂均匀的涂布在wafer表面，实现指定的膜厚和均匀性。
2.3.1 光刻胶的旋涂流程
预湿晶圆表面→喷淋（Dispense）光刻胶→高速旋转→喷溶剂去边和晶圆背部清洗，这是光刻胶的旋涂的基本流程。按照喷淋光刻胶时晶圆是否旋转，可分为现静态涂胶（Static Dispense）和动态涂胶（Dynamic Dispense）。静态涂胶用于高粘度的光刻胶，动态涂胶多用于低粘度的光刻胶。图4中是典型的动态涂胶流程：①晶圆旋转使得晶圆表面温湿度和环境一致，溶剂喷嘴（Nozzle）移动到晶圆中心；②溶剂喷淋；③光刻胶喷嘴移动到晶圆中心；④晶圆旋转溶剂涂满晶圆表面；⑤晶圆高速旋转同时光刻胶喷淋；⑥降低晶圆转速使得光刻胶涂层变得更均匀；⑦均匀旋转控制光刻胶的膜厚；⑧清洗晶圆边缘和背面；⑨晶圆旋转甩干步骤；⑧过程中的溶剂。这里溶剂常用的是OK73和EBR7030。
2.3.2 旋涂单元环境因素对膜厚均匀性的影响
影响膜厚均匀性的因素主要有：环境温度、环境湿度、排风净压力、光刻胶温度、旋转马达的精度和重复性、预旋转速度、预旋转时间、最终旋转速度、最终旋转时间和最终旋转加速度、喷胶状态和回吸量等。这里主要讨论环境温度湿度和光刻胶温度的影响，其它因素都是由硬件结构和配方结构决定。当环境温度变化而其他条件不变时，溶剂的挥发随着温度升高而加快，使光刻胶的粘性增加，同样在光刻胶温度改变也会导致溶剂挥发速率改变，进而影响光刻胶的粘度和流动性，图5是通过大量的实验数据得到的光刻胶温度和环境温度变化对应的膜厚均匀性变化。从图中可以看出在光刻胶和环境温度都在22度时膜厚均匀性表现最好，超过23度时光刻胶流动性变差，导致膜厚均匀性变差。
在环境湿度单一因素变化的情况下，溶剂的挥发随着湿度的降低而加快，一般湿度对均匀性的影响没有温度明显，主要影响平均膜厚，每1%的湿度降低会引起9%的膜厚增加。排风静压力对膜厚均匀性影响比较大，随着排风静压力的增长，腔体内不均匀的蒸汽浓度会造成晶圆中心和边缘之间失去平衡，从而影响膜厚的均匀性。表1是环境因素对膜厚影。
2.3.3 光刻胶
光刻胶主要由树脂（Resin），感光剂（Sensitizer）及溶剂（Solvent）等不同材料混合而成，其中还包括一些添加剂（如稳定剂，染色剂，表面活性剂）（表2）。
光刻胶分为正胶（Positive resist）和负胶（Negative resist）。负胶在曝光（Exposing）过后会产生交联（Cross Linking）反应，使其结构加强不溶于显影液。正胶曝光过后会产生分解反应，被分解的分子在显影液中很容易溶解，与未曝光部分形成很强的反差（图6）。负胶经过曝光过后显影液会浸入已胶联的负性光刻胶分子内，使胶体积增加，导致显影过后光刻胶图形和掩膜板上图形误差增加，因此负胶一般用于特征尺寸（0.3um）比较大的制造。 2.4软烘烤（Soft Bake）
曝光前烘烤也称作软烘（SB：Soft Bake或PAB：Post Apply Bake），使光刻胶中的溶剂挥发，光刻胶层成为固态薄膜，并使光刻胶与晶圆表面粘附力增强，光刻胶中溶剂的含量会影响曝光精度和显影的选择比。图7是烘烤的结构。烘烤后胶膜厚度减少大约10%-20%。烘烤过进入冷板，为曝光做准备。
2.5曝光后烘烤（Post Exposure Bake）
曝光时，由于入射光與反射光产生干涉，沿着胶厚方向的光强形成波峰和波谷，产生驻波效应（Standing Wave）（图8）。曝光后烘烤可以有效降低驻波效应的影响。驻波效应会影响光刻的分辨率和关键尺寸的控制，降低和消除常用方法为：（1）PEB（硬件结构和软烘烤相同）。（2）用带染色剂的光刻胶。（3）采用多层光刻胶技术。（4）加抗反射层：用有机（TARC顶层抗反射涂层和BARC底层抗反射涂层）或者无机涂层（SION）。PEB结束后送入冷板（作用同上）为显影做准备。
2.6显影（DEV）
显影把晶圆上曝光烘烤过后的图形体现出来，正负胶的显影液不同，这里主要介绍正胶显影。四甲基氢氧化铵（TMAH）是目前在大多数正胶应用的显影液，一般，浓度2.38%。
显影方式大致可分为两种：静态（Static）和动态（Dynamic）显影，这两种方式的显影过程相似，首先是喷洒显影液（此时，晶圆静止的是静态显影，晶圆旋转的为动态显影），之后晶圆静止一段时间，让曝光后的光刻胶和显影液充分反应，再用去离子水（DIW）把反应了的显影液清洗干净，最后甩干。
2.7硬烘烤（Hard Bake）
和软烘烤相同，通过溶剂的蒸发固化光刻胶，使光刻胶和晶圆表面有良好的黏合，为下一工序做准备。晶圆硬烘烤过后再送入冷板。
到这一步整体的工艺流程就结束了，晶圆将会送去量测图形尺寸（CD），层间对准度（OVL），表面缺陷（Defect）。
3涂胶显影过程中的缺陷来源
有关的工艺分析资料表明，光刻引入的工艺缺陷几乎占整个工艺流程的50%，而超过90%的光刻缺陷来自于涂胶显影过程，缺陷的主要来源：（1）光刻胶中的杂质、气泡和结晶。（2）溶剂中的杂质。（3）机台工艺单元内环境排气。在实际应用中还有很多因素会带来工艺缺陷，这里主要讨论上面提到的几个方面。
（1）光刻胶中的杂质和结晶
光刻胶中的杂质和结晶会引起显影过的线条之间形成桥接，气泡则会引起图形缺失或者针孔。杂质和气泡可通过加装过滤器去除。结晶是由于机台闲置时喷嘴中的光刻胶和空气接触，光刻胶中的溶剂挥发而形成微小颗粒，可以通过保湿，调整回吸量的大小以及预喷淋的方法来控制。
（2）溶剂中的杂质
上面介绍光刻胶旋涂过程中会先喷洒溶剂，如果在这个过程中溶剂有杂质就会引起桥接，和上述光刻胶的桥接原理一样。
（3）机台工艺单元内环境排气
a）光刻胶旋涂单元
光刻胶旋涂过程中排气压力大小不只影响膜厚的均匀性还会影响晶圆表面的缺陷。光刻胶在旋涂过程中甩出的部分会被打成雾状，如果排气压力过低雾状光刻胶没有及时被抽走会掉落在晶圆表面形成球形缺陷（图9）。
b）烘烤单元
晶圆在烘烤过程中由于排气压力低，会导致烘烤过程中的光刻胶挥发物没有被完全带走，落回到晶圆表面形成球状缺陷（图10）。
c）显影单元
显影过程中副产物在甩干过程中会被打成雾状，排气压力低的情况下掉落在晶圆表面形成图形的缺失和形状不规则的突起缺陷（副产物残留）（图11）。
4总结
文中介绍的是一个基本流程，实际应用中会在这个基础上增加或者减少步骤，例如浸入式光刻过程中除了光刻胶外还会有另外两种材料的旋涂。随着技术节点的不断提升，对机台的需求不断提高，稳定性，晶圆的表面缺陷，产能（由于与光刻机联机，产能需要跟随光刻机一起提升），化学品的消耗量等方面，这些方面也是各个设备生产厂都在积极探索和寻找解决方案。
参考文献
[1]track机台工艺简介.潘川，2002/1/28.
[2]芯片制造-半导体工艺制程实用教程（第六版）.Peter Van Zant.
[3]Principles of Lithography Third Edition Harry J. Levinson （2010）.
[关键词]涂胶显影机、工艺、烘烤、冷板
中图分类号：TN305 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）07-0096-04
1 引言
光刻工艺过程和胶卷相机比较接近，是一种多步骤图形转移过程。光刻过程把光罩（Mask）上的图形转到晶圆（wafer）上，由涂胶显影机（Track）和光刻机（Scanner）共同完成的，是芯片制造过程中最重要的工序之一。涂胶显影机（Track）的作用相當于制作和冲印胶卷，而光刻机（Scanner）的作用相当于照相机按快门照相（图1）。本文中重点探讨涂胶显影机（Track）的工艺过程。
2 工艺流程
涂布显影机的基本流程：涂底胶（HMDS） →冷板（Cooling Plate） →涂光刻胶旋涂（Spin COT） →软烘烤（Soft bake or PAB） →冷板（Cooling Plate） →曝光（Exposure） →曝光后烘烤（Post Exposure Bake） →冷板（Cooling Plate） →显影（Developer） →硬烘烤（Hard Bake） →冷板（Cooling Plate），以上工艺流程是一个基本的流程，然而，大部分都是基本流程的变异或者选项。
2.1表面处理
涂底胶（HMDS）：底胶通过化学反应把晶圆表面由亲水性（Hydrophilic）改变为疏水性（Hydrophobic），进而保证晶圆与光刻胶的良好粘接。目前广泛使用的HMDS（hexamethyldislazane）是六甲基二硅胺烷（（CH3） 3SiNHSi（CH3） 3），将硅片表面的亲水性氢氧根（OH）通过化学反应置换为疏水的OSi（CH3） 3。
HMDS有旋转和蒸气两种涂布方式，HMDS在wafer表面只需要几个分子的厚度，旋转方式HMDS的耗量大，而蒸气式用很少的量就可完成，这里只介绍蒸气式的工作原理。利用N2把HMDS蒸汽带入到加热的腔体中，喷洒到Wafer表面保持一段时间，再通入N2把反应的副产物和剩余的HMDS带走排放到废气系统中（图2）。通过测量晶圆（Wafer）表面水的接触角（Contact angle）来验证HMDS的涂布效果，一般要求大于65度。烘烤温度和HMDS喷洒时间都会影响接触角的大小。通常，加热温度125度，喷洒时间40秒。
2.2 冷板（Cooling Plate）
冷板的作用是把晶圆（wafer）在短时间内降到设定温度并且是晶圆表面温度均匀，冷板的温度要与光刻胶涂布单元和显影单元化学品的温度相同，常用温度为22度，温度波动范围Rang≤±0.1度（图3）。
2.3 涂光刻胶旋涂（Spin COT）
光刻胶或光阻（PhotoResist）通过旋涂均匀的涂布在wafer表面，实现指定的膜厚和均匀性。
2.3.1 光刻胶的旋涂流程
预湿晶圆表面→喷淋（Dispense）光刻胶→高速旋转→喷溶剂去边和晶圆背部清洗，这是光刻胶的旋涂的基本流程。按照喷淋光刻胶时晶圆是否旋转，可分为现静态涂胶（Static Dispense）和动态涂胶（Dynamic Dispense）。静态涂胶用于高粘度的光刻胶，动态涂胶多用于低粘度的光刻胶。图4中是典型的动态涂胶流程：①晶圆旋转使得晶圆表面温湿度和环境一致，溶剂喷嘴（Nozzle）移动到晶圆中心；②溶剂喷淋；③光刻胶喷嘴移动到晶圆中心；④晶圆旋转溶剂涂满晶圆表面；⑤晶圆高速旋转同时光刻胶喷淋；⑥降低晶圆转速使得光刻胶涂层变得更均匀；⑦均匀旋转控制光刻胶的膜厚；⑧清洗晶圆边缘和背面；⑨晶圆旋转甩干步骤；⑧过程中的溶剂。这里溶剂常用的是OK73和EBR7030。
2.3.2 旋涂单元环境因素对膜厚均匀性的影响
影响膜厚均匀性的因素主要有：环境温度、环境湿度、排风净压力、光刻胶温度、旋转马达的精度和重复性、预旋转速度、预旋转时间、最终旋转速度、最终旋转时间和最终旋转加速度、喷胶状态和回吸量等。这里主要讨论环境温度湿度和光刻胶温度的影响，其它因素都是由硬件结构和配方结构决定。当环境温度变化而其他条件不变时，溶剂的挥发随着温度升高而加快，使光刻胶的粘性增加，同样在光刻胶温度改变也会导致溶剂挥发速率改变，进而影响光刻胶的粘度和流动性，图5是通过大量的实验数据得到的光刻胶温度和环境温度变化对应的膜厚均匀性变化。从图中可以看出在光刻胶和环境温度都在22度时膜厚均匀性表现最好，超过23度时光刻胶流动性变差，导致膜厚均匀性变差。
在环境湿度单一因素变化的情况下，溶剂的挥发随着湿度的降低而加快，一般湿度对均匀性的影响没有温度明显，主要影响平均膜厚，每1%的湿度降低会引起9%的膜厚增加。排风静压力对膜厚均匀性影响比较大，随着排风静压力的增长，腔体内不均匀的蒸汽浓度会造成晶圆中心和边缘之间失去平衡，从而影响膜厚的均匀性。表1是环境因素对膜厚影。
2.3.3 光刻胶
光刻胶主要由树脂（Resin），感光剂（Sensitizer）及溶剂（Solvent）等不同材料混合而成，其中还包括一些添加剂（如稳定剂，染色剂，表面活性剂）（表2）。
光刻胶分为正胶（Positive resist）和负胶（Negative resist）。负胶在曝光（Exposing）过后会产生交联（Cross Linking）反应，使其结构加强不溶于显影液。正胶曝光过后会产生分解反应，被分解的分子在显影液中很容易溶解，与未曝光部分形成很强的反差（图6）。负胶经过曝光过后显影液会浸入已胶联的负性光刻胶分子内，使胶体积增加，导致显影过后光刻胶图形和掩膜板上图形误差增加，因此负胶一般用于特征尺寸（0.3um）比较大的制造。 2.4软烘烤（Soft Bake）
曝光前烘烤也称作软烘（SB：Soft Bake或PAB：Post Apply Bake），使光刻胶中的溶剂挥发，光刻胶层成为固态薄膜，并使光刻胶与晶圆表面粘附力增强，光刻胶中溶剂的含量会影响曝光精度和显影的选择比。图7是烘烤的结构。烘烤后胶膜厚度减少大约10%-20%。烘烤过进入冷板，为曝光做准备。
2.5曝光后烘烤（Post Exposure Bake）
曝光时，由于入射光與反射光产生干涉，沿着胶厚方向的光强形成波峰和波谷，产生驻波效应（Standing Wave）（图8）。曝光后烘烤可以有效降低驻波效应的影响。驻波效应会影响光刻的分辨率和关键尺寸的控制，降低和消除常用方法为：（1）PEB（硬件结构和软烘烤相同）。（2）用带染色剂的光刻胶。（3）采用多层光刻胶技术。（4）加抗反射层：用有机（TARC顶层抗反射涂层和BARC底层抗反射涂层）或者无机涂层（SION）。PEB结束后送入冷板（作用同上）为显影做准备。
2.6显影（DEV）
显影把晶圆上曝光烘烤过后的图形体现出来，正负胶的显影液不同，这里主要介绍正胶显影。四甲基氢氧化铵（TMAH）是目前在大多数正胶应用的显影液，一般，浓度2.38%。
显影方式大致可分为两种：静态（Static）和动态（Dynamic）显影，这两种方式的显影过程相似，首先是喷洒显影液（此时，晶圆静止的是静态显影，晶圆旋转的为动态显影），之后晶圆静止一段时间，让曝光后的光刻胶和显影液充分反应，再用去离子水（DIW）把反应了的显影液清洗干净，最后甩干。
2.7硬烘烤（Hard Bake）
和软烘烤相同，通过溶剂的蒸发固化光刻胶，使光刻胶和晶圆表面有良好的黏合，为下一工序做准备。晶圆硬烘烤过后再送入冷板。
到这一步整体的工艺流程就结束了，晶圆将会送去量测图形尺寸（CD），层间对准度（OVL），表面缺陷（Defect）。
3涂胶显影过程中的缺陷来源
有关的工艺分析资料表明，光刻引入的工艺缺陷几乎占整个工艺流程的50%，而超过90%的光刻缺陷来自于涂胶显影过程，缺陷的主要来源：（1）光刻胶中的杂质、气泡和结晶。（2）溶剂中的杂质。（3）机台工艺单元内环境排气。在实际应用中还有很多因素会带来工艺缺陷，这里主要讨论上面提到的几个方面。
（1）光刻胶中的杂质和结晶
光刻胶中的杂质和结晶会引起显影过的线条之间形成桥接，气泡则会引起图形缺失或者针孔。杂质和气泡可通过加装过滤器去除。结晶是由于机台闲置时喷嘴中的光刻胶和空气接触，光刻胶中的溶剂挥发而形成微小颗粒，可以通过保湿，调整回吸量的大小以及预喷淋的方法来控制。
（2）溶剂中的杂质
上面介绍光刻胶旋涂过程中会先喷洒溶剂，如果在这个过程中溶剂有杂质就会引起桥接，和上述光刻胶的桥接原理一样。
（3）机台工艺单元内环境排气
a）光刻胶旋涂单元
光刻胶旋涂过程中排气压力大小不只影响膜厚的均匀性还会影响晶圆表面的缺陷。光刻胶在旋涂过程中甩出的部分会被打成雾状，如果排气压力过低雾状光刻胶没有及时被抽走会掉落在晶圆表面形成球形缺陷（图9）。
b）烘烤单元
晶圆在烘烤过程中由于排气压力低，会导致烘烤过程中的光刻胶挥发物没有被完全带走，落回到晶圆表面形成球状缺陷（图10）。
c）显影单元
显影过程中副产物在甩干过程中会被打成雾状，排气压力低的情况下掉落在晶圆表面形成图形的缺失和形状不规则的突起缺陷（副产物残留）（图11）。
4总结
文中介绍的是一个基本流程，实际应用中会在这个基础上增加或者减少步骤，例如浸入式光刻过程中除了光刻胶外还会有另外两种材料的旋涂。随着技术节点的不断提升，对机台的需求不断提高，稳定性，晶圆的表面缺陷，产能（由于与光刻机联机，产能需要跟随光刻机一起提升），化学品的消耗量等方面，这些方面也是各个设备生产厂都在积极探索和寻找解决方案。
参考文献
[1]track机台工艺简介.潘川，2002/1/28.
[2]芯片制造-半导体工艺制程实用教程（第六版）.Peter Van Zant.
[3]Principles of Lithography Third Edition Harry J. Levinson （2010）.