接觸接近式曝光機曝光方式淺析及實例

李 霖，周慶奎，宮 晨

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 100176)

接觸接近式光刻設(shè)備主要用于功率電子器件、傳感器、光電子器件、微波電路、MEMS（微電子機械系統(tǒng)）及其它新型電子元器件的單、雙面對準及曝光工藝，有著較大的市場影響力。各半導(dǎo)體廠商的產(chǎn)品不同，相對應(yīng)的曝光工藝也有所不同，包括光強、曝光時間及曝光方式等。

1 曝光方式分類

在曝光工藝過程中，要根據(jù)不同的產(chǎn)品選擇適合的曝光方式。綜合國內(nèi)外接觸接近式曝光機的情況，雖然曝光方式的名稱略有不同，但其實際定義的概念基本相同。從目前國內(nèi)外接觸接近式曝光機的曝光方式來看，主要可分為：真空接觸曝光、硬接觸曝光、軟接觸曝光、接近式曝光。

真空接觸曝光：在基片與掩模版完成找平、對準后，讓二者接觸，用密封件將二者完全密封形成一個腔體，并在此密封腔體中通真空負壓，增大基片與掩模版的接觸力，然后進行曝光。此種曝光方式適用于對曝光線條質(zhì)量要求較高、基片膠層較薄的情況，該方式下基片線條的曝光分辨率通常可達到0.5～1 μm以下。

硬接觸曝光：在基片與掩模版完成找平、對準后，讓二者接觸，在基片底部均勻通入壓縮氣體（例如氮氣）使基片與掩模版更緊密接觸，然后再進行曝光。該曝光方式適用于對基片曝光線條質(zhì)量要求較高的情況，基片線條的曝光分辨率通常可達到 0.8～1.5 μm。

軟接觸曝光：在基片與掩模版完成找平、對準后，讓二者接觸，此時既不通入真空也不在基片底部通入壓縮氣體，而是直接曝光。該曝光方式基片與掩模版之間的接觸力較小，適用于對基片曝光線條質(zhì)量要求不高的情況，基片線條的曝光分辨率通常可達到1～2 μm。

接近式曝光：在基片與掩模版完成找平、對準后，讓二者移動到已設(shè)定好的間距再進行曝光，既曝光時基片與掩模版之間是有間隙的。該曝光方式適用于基片膠層較厚、對基片曝光線條質(zhì)量要求較低的情況，基片線條的曝光分辨率根據(jù)曝光間隙的不同也有所區(qū)別。

表1列出了接觸接近式曝光機中幾種曝光方式通常可達到的曝光分辨率。

表1 接觸接近式曝光機曝光方式類型

2 曝光方式工藝改進實例

不同用戶所生產(chǎn)的產(chǎn)品不同，不同的產(chǎn)品對應(yīng)不同的工藝生產(chǎn)方法，在產(chǎn)品生產(chǎn)的初始階段必須通過大量的工藝實驗積累，制定出一套適合該產(chǎn)品的工藝生產(chǎn)流程，并在以后的生產(chǎn)過程中根據(jù)實際情況不斷改進優(yōu)化，其中光刻工藝流程中曝光方式的確定及實施就是工藝流程中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，下面將給出一個生產(chǎn)線中曝光方式工藝改進的實例僅供參考。

我所某型號曝光機在某用戶處運行正常，并一直通過真空接觸模式(真空度-0.08 MPa)進行基片曝光，基片厚度520 μm。近期需生產(chǎn)新產(chǎn)品，基片厚度為280 μm，在用真空接觸模式(真空度-0.08 MPa)進行基片曝光時產(chǎn)生碎片問題，而改用硬接觸模式曝光后圖形線條又不能滿足工藝要求。我所工程技術(shù)人員參考國內(nèi)外技術(shù)資料討論分析后，一致認為真空接觸時真空度較高并不可調(diào)節(jié)、不能適應(yīng)不同厚度基片的曝光、曝光時真空腔內(nèi)負壓力過大造成了280 μm厚的基片碎片問題，因此準備在降低真空度情況下進行280 μm厚度基片的曝光實驗。

在設(shè)備中加裝真空減壓閥，調(diào)低真空復(fù)印時的真空度（分別調(diào)到 -0.06、-0.04、-0.02 MPa），對280 μm厚的薄片進行真空接觸實驗，3種真空度下各實驗200片，結(jié)果如表2所示。

表2 不同真空度下的碎片率

以上結(jié)果表明，在-0.04 MPa和-0.02 MPa真空度下基片基本無碎片現(xiàn)象。

將真空度分別調(diào)到-0.04 MPa和-0.02 MPa，對280 μm厚的薄片進行真空接觸曝光工藝實驗，驗證在這兩種真空度下的曝光分辨率，結(jié)果如表3。

表3 不同真空度下的曝光分辨率

根據(jù)用戶對曝光線條的工藝要求，曝光分辨率在小于1 μm時可滿足工藝要求，通過表3看出既真空度在-0.04 MPa下進行的工藝實驗曝光分辨率可滿足用戶工藝使用要求，圖1為-0.04 MPa真空度時曝光基片的截圖。

圖1 真空度-0.04 MPa時的曝光基片

圖2 280 μm厚度薄片曝光圖形截圖

在用戶現(xiàn)場設(shè)備中增加電磁閥、真空減壓閥等裝置，更改氣路并修改相應(yīng)控制程序，使設(shè)備具備高、低真空接觸切換功能，即針對厚片、薄片可選擇不同的真空壓力。改進完成后，經(jīng)過13批次300多片厚度為280 μm的薄片低真空接觸曝光工藝考核，未發(fā)生碎片現(xiàn)象，曝光圖形線條滿足用戶工藝要求。圖2為厚度280 μm薄片曝光圖形的截圖。

3 結(jié)束語

介紹了接觸接近式曝光機中曝光方式的分類，簡要分析了各曝光方式的適用場合，給出了一個在生產(chǎn)線上通過改進曝光方式實現(xiàn)曝光工藝的實例。工程技術(shù)人員要加強對半導(dǎo)體產(chǎn)品生產(chǎn)工藝的了解和學習，將半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝知識融入到半導(dǎo)體設(shè)備的設(shè)計研發(fā)中，只有這樣才能制造出滿足不同產(chǎn)品生產(chǎn)工藝需求的半導(dǎo)體設(shè)備。

[1] 韓鄭生等譯，半導(dǎo)體制造技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009年

[2] 周慶奎，劉玄博，李霖.掩膜光刻機中找平控制研究.電子工業(yè)專用設(shè)備[J]，2010（11）：20-23.