分區域精確調控光刻膠成膜形貌方法研究

樸勇男 王惠生 邢 栗 張晨陽

（沈陽芯源微電子設備股份有限公司,遼寧 沈陽110000）

1 概述

隨著信息時代的飛速發展，光刻工藝作為大規模集成電路制造工序中的一種關鍵技術正不斷地創新與發展，對光刻工藝的要求也隨之升高。光刻工藝包括涂膠工藝、光刻工藝、顯影工藝。涂膠工藝作為光刻工藝的基礎，涂膠工藝技術要求包括涂膠均勻性、厚度、形貌等[1]。

涂膠工藝的質量直接影響了曝光過程的品質，不均勻的膜厚分布往往會導致曝光過程中defocus 等多種缺陷的產生，同時大大縮減了曝光劑量、曝光時間等參數的調整窗口。對于一個完整的半導體制造工藝流程，光刻工藝往往可占到總步驟的20%以上，光刻質量最能影響整體制程的良率及產量，提高光刻工藝質量并提高產能尤為重要。

隨著工藝節點不斷從g-line/I-ine 過度至KrF/ArF 甚至DUV/EUV，特別是在Immersion 工藝中每道layer 涂膠最多需要barc、resist、tarc、topcoat 四層涂層[2]，每一層帶來的不均勻性都會疊加影響其下一層光阻，四層光阻涂覆需要對光刻膠形貌及各項參數有及其嚴苛的要求。

傳統的通過調整配方中多個參數DOE 反復試驗的調試方法顯得繁瑣且耗時較長，嚴重浪費光刻膠及量測機臺throughput，并且占用rework 機臺資源，且對一些性質的特殊的光阻很難調整成目標形態的形貌特征。本文應用沈陽芯源公司專利技術通過調整涂膠過程中晶圓上方供風狀態，實現快速精準的的調整光刻膠形貌。

2 實驗

本文中實驗使用沈陽芯源公司研發的KS-FT300 型前道track 設備（該機型可與主流stepper 聯機完成涂膠、曝光及顯影全自動作業流程）、分層可調控導流板、前道光刻膠、12 寸晶圓、膜厚測試儀（圖1）。

圖1 KS-FT300 型Track 外觀

上述分層可調控導流板為沈陽芯源公司發明專利，其結構示意如圖2 所示，該裝置安裝于涂膠單元上方，其簡要工作原理為圓形擋片能夠繞圓心旋轉，通過轉動不同角度來控制輸出至晶圓中心位置的氣流大小，從而實現膠形的調整控制。

首先使用原始條件（FFU 正常供風，不使用分層可控導流板調控）涂膠，經測量后其膜厚如圖3 所示：可見光刻膠成膜后有三個高點，分別為中心區域（點13、點37）、中部環形區域（點6、點20、點32、點44）、邊緣區域（點1、點26、點49）。 調整導流板中心結構，減小中部區域供風，其他條件不變再次進行涂膠，其膜厚狀況如圖4 所示：可見其中心區域明顯減薄，而中部環形區域及邊緣區域膜厚無明顯變化。保持導流板中心供風，調整導流板環形區域減小供風，其他條件不變再次進行涂膠，其膜厚狀況如圖5 所示：可見減小中部環形區域后對應光刻膠膜區域厚度明顯降低。

3 原理分析

對旋涂工藝而言，陳春芳及范椿[3]對旋轉圓盤上粘塑性流體運動進行了研究。整個旋涂過程涉及潤濕、擴散、液相流動、溶劑揮發等許多物化過程?；诮浀銭BP 方程[4]及Meyerhofer 分析模型[5]對光刻膠成膜過程的模擬，可將涂膠過程劃分為不同的三個階段：

圖3 原始條件下膜厚示意圖

圖4 減小中心區域供風條件下膜厚示意圖

圖5 繼續減小中心環形區域供風條件下膜厚示意圖

3.1 低轉數投料階段。該階段中光刻膠從噴嘴滴落到低速或靜置的晶元上，此時光阻溶劑蒸發效應忽略不計，離心力占支配地位，光刻膠在離心力作用下迅速向外展開。

3.2 中速擴散階段。該階段轉數大幅度增加，光刻膠在離心力作用下迅速鋪滿晶元，超量部分從晶元邊緣甩出，由于該過程時間一般只有5s 以內，且轉數在1000rpm 左右，蒸發過程同樣可以忽略不計。

3.3 高速成膜階段。該階段晶元轉數達到頂峰，一般為1500-4000rpm，該階段中，光刻膠已鋪滿晶元形成膠膜。該階段光刻膠的甩出已經很小，溶劑的蒸發占主導，經過20-60s 后，膜厚基本定型。

針對不同種類光刻膠的實際工藝過程中，第二階段與第三階段的過渡點有所不同，在過渡點前離心力占主導，光刻膠在晶元上的分布不斷變化，溶劑的揮發效應極小可忽略。在過渡點后，光刻膠在晶元上的分布基本確定，離心力與徑向剪切力達到平衡，溶劑的揮發效應占主導地位[6]。

分析上述過程可知，成膜過程的第三步是決定膜厚及光刻膠形貌的關鍵，即蒸發過程決定膜厚及形貌。而影響蒸發過程的主要因素基本有三點：溫度、風速、溶劑本身的性質。溫度及溶劑本身的性質已經確定下，風速就是控制蒸發過程的關鍵要素。而在成膜過程的第三階段，光刻膠在晶元上擴散過程已忽略不計，因此改變晶元上方的局部供風狀態就能夠特定性的影響到晶元對應的區域形成指定的形貌特征。

對于12 寸晶元，其上方供風調整時一般分為中心、中環、邊環三個區域即可，過多的細分容易造成風流的紊亂而無法達到精確調整的目的。通過調整三個調整域風量、風速及FFU 高度，即可實現精確調控的目的。

4 結論

由以上實驗與理論分析可知，通過精確調控晶圓涂膠工藝過程中上方供風狀況的方法，可精確調整控制光刻膠成膜后局部膜厚。實現了不改變配方前提下快速準確獲得所需光刻膠膜局部形貌特征，大幅減小了工藝調整時間。