立體端面光刻工藝研究

蘆 剛，周占福

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176)

立體端面光刻工藝研究

蘆 剛，周占福

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176)

立體端面的特種器件，要求在其單側(cè)或者雙側(cè)表面光刻出有位置要求的圖形。針對(duì)這一特種器件的要求，研制了一種可適應(yīng)立體端面基體的對(duì)準(zhǔn)工作臺(tái)及楔形誤差補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，并根據(jù)立體端面的物理特性，在旋轉(zhuǎn)涂膠法的基礎(chǔ)上，研制了適應(yīng)其涂膠工藝的裝夾機(jī)構(gòu)，通過工藝實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該光刻工藝的可行性。

立體端面；楔形誤差補(bǔ)償；涂膠；光刻工藝；曝光分辨率

在光刻技術(shù)工藝中，掩模與基片的貼服程度，是影響曝光分辨率的主要因素之一，在我們傳統(tǒng)的光刻工藝中采用的是三點(diǎn)找平機(jī)構(gòu)，或球碗找平機(jī)構(gòu)，用來調(diào)整基片與掩模的楔形誤差補(bǔ)償，然而此種對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)只能適應(yīng)基片厚度臆5 mm的基片，隨著半導(dǎo)體科技的發(fā)展，在一些特殊應(yīng)用領(lǐng)域中，要求在立體端面基體兩個(gè)表面進(jìn)行光刻工藝，其基體的高度在10～80 mm，端面最大角度為±8°，但是目前的光刻技術(shù)無法滿足在立體端面晶體表面作光刻的要求，這就要求我們研究出適應(yīng)此種工藝要求的光刻技術(shù)。

1 立體端面曝光工藝實(shí)驗(yàn)裝置及工作原理

根據(jù)立體端面基體的物理特性分析，其基體重，且具有非常大的高度，那么我們可以采用基片固定不動(dòng)，掩模移動(dòng)，即以立體端面基體工作面為基準(zhǔn)固定不動(dòng)，使掩模版相對(duì)于立體端面基體作運(yùn)動(dòng)，完成二者間的楔形誤差補(bǔ)償及對(duì)準(zhǔn)。我們依照這種思路，研究設(shè)計(jì)出適應(yīng)立體端面基體的楔形誤差補(bǔ)償機(jī)構(gòu)及對(duì)準(zhǔn)工作臺(tái)（見圖1）。

圖1 立體端面光刻實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.1 對(duì)準(zhǔn)工作臺(tái)系統(tǒng)

立體端面光刻實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)準(zhǔn)工作臺(tái)由x-y-θ三維運(yùn)動(dòng)組成，用于完成上、下掩模之間的相互對(duì)準(zhǔn)。對(duì)準(zhǔn)臺(tái)x、y、θ向分別由三對(duì)微分頭調(diào)節(jié)。

1.2 上版架系統(tǒng)

上版架機(jī)構(gòu)用于支撐上掩模和對(duì)準(zhǔn)臺(tái)一起完成兩掩模的相互對(duì)準(zhǔn)，它由一高精度導(dǎo)軌和楔形誤補(bǔ)償裝置構(gòu)成，上掩模沿精密導(dǎo)軌做Z向運(yùn)動(dòng)，楔形誤差補(bǔ)償裝置用來消除兩掩模之間的楔形誤差，補(bǔ)償完成后由4個(gè)氣缸將上掩模版架鎖定在框架上。該新型楔形誤差補(bǔ)償裝置能夠達(dá)到滿足立體端面基體光刻技術(shù)工藝要求的技術(shù)（見圖2）。

2 立體端面涂膠工藝實(shí)驗(yàn)裝置

我們?cè)谕磕z工藝中，利用現(xiàn)有的涂膠設(shè)備，采用旋轉(zhuǎn)涂膠法涂膠。

但是由于立體端面結(jié)構(gòu)的特殊性，其對(duì)在轉(zhuǎn)動(dòng)中的平穩(wěn)性的控制提出了更高的要求，傳統(tǒng)的基片涂膠工藝設(shè)備無法對(duì)立體端面表面進(jìn)行涂膠，根據(jù)立體端面的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了可以滿足立體端面表面涂膠的涂膠裝置（見圖3）。

圖2 掩模版楔形誤差補(bǔ)償機(jī)構(gòu)

圖3 涂膠裝夾機(jī)構(gòu)

立體端面涂膠工序?yàn)椋?/p>

（1）立體端面基體處理：將立體端面涂膠表面清理干凈；

（2）焙烘：將清洗干凈的立體端面放入烘箱中，溫度控制在85～100℃，烘烤15 min；

（3）涂膠：將準(zhǔn)備好的立體端面置于涂膠工裝中，調(diào)整測(cè)角滑臺(tái)，保證立體端面涂膠表面處于水平位置，轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)速旋鈕，低速旋轉(zhuǎn)，觀察旋轉(zhuǎn)體重心偏移情況，通過調(diào)整重心調(diào)節(jié)板，保證旋轉(zhuǎn)體重心與旋轉(zhuǎn)主軸在同一軸線。將準(zhǔn)備好的光刻膠滴在立體端面基體表面，轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)速旋鈕，先低速旋轉(zhuǎn)（300 r/min），使光刻膠涂布在基體表面，然后高速旋轉(zhuǎn)（750 r/min），使光刻膠均勻且以所需的厚度（2滋m左右）涂布在基體表面；

（4）前烘：將涂完光刻膠的立體端面基體放入烘箱中，溫度控制在85～100℃，烘烤10 min；

（5）準(zhǔn)備曝光……。

3 立體端面光刻工藝實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)基體種類（見表1）

表1 實(shí)驗(yàn)基體種類

3.2 曝光實(shí)驗(yàn)過程

3.2.1 雙平行平面雙面曝光（雙平行斜面）

應(yīng)用前面所述的涂膠裝置及對(duì)準(zhǔn)工作臺(tái)和楔形誤差補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，在我們現(xiàn)有光刻機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，便可以進(jìn)行立體端面光刻工藝實(shí)驗(yàn)（見圖4）。

圖4 雙平行平面立體端面曝光

3.2.2 曝光分辨率檢測(cè)分析

我們將立體端面基體曝光顯影后在顯微鏡下觀察（見圖5、圖6）。

圖5 雙平面上表面3D檢測(cè)圖片

圖6 雙平面下表面3D檢測(cè)圖片

3.2.3 曝光分辨率質(zhì)量特性分析

通過上述試驗(yàn)方法，選用不同的曝光參數(shù)找到最佳的曝光參數(shù)，從而得到了3滋m的曝光線條，采用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE），在此基礎(chǔ)上通過多次的重復(fù)試驗(yàn)證明立體端面試驗(yàn)裝置曝光質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

在光學(xué)制版中，其CD精度在±0.15滋m，而我們采用的接觸式曝光方式，其基體通過曝光后，在基體表面上得到的線寬誤差希望控制在±0.25滋m范圍內(nèi)。

將曝光分辨率3滋m看成應(yīng)當(dāng)加以研究并由控制圖加以控制的重要質(zhì)量特性；

以基體曝光面的4個(gè)角及中間位置的曝光線條為一個(gè)樣本，即樣本容量n＝5。每25片為一個(gè)循環(huán)，抽取一個(gè)樣本。收集25個(gè)樣本數(shù)據(jù)，即樣本個(gè)數(shù)k為25，并按讀取順序?qū)⑵溆涗浻诒碇校姳?、表3。

表2 雙平行平面立體端面上表面曝光線寬（μm）和樣本統(tǒng)計(jì)量

表3 雙平行平面立體端面下表面曝光線寬（μm）和樣本統(tǒng)計(jì)量

根據(jù)以上計(jì)算公式計(jì)算并將其控制圖繪制的Xbar-R圖如下：

3.3 單斜面立體端面單面曝光

圖7 雙平面上表面曝光線寬的Xbar-R圖

圖8 雙平面下表面曝光線寬的Xbar-R圖

由于我們研制的上版架楔形誤差補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的調(diào)整角度有限，不能滿足端面最大角度±8°的技術(shù)要求，為此設(shè)計(jì)了單軸測(cè)角滑臺(tái)，用來調(diào)整角度，來滿足大角度立體端面的曝光需求（見圖9）。

圖9 單斜面立體端面單面曝光

通過以上的工藝實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)檢測(cè)分析，得出單斜面單面曝光的上表面線寬控制圖如圖10所示。

圖10 單斜面上表面曝光線寬的Xbar-R圖

3.4 雙斜面立體端面雙面曝光如圖11所示

圖11 雙斜面立體端面雙面曝光

3.4.1 曝光分辨率檢測(cè)分析如圖12、13

圖12 雙斜面上表面OLYMPUS 3D檢測(cè)圖片

圖13 雙斜面下表面OLYMPUS 3D檢測(cè)圖片

3.4.2 曝光分辨率質(zhì)量特性分析

我們采用同樣的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)雙斜面雙面曝光的曝光分辨率進(jìn)行研究及數(shù)據(jù)分析得出其上下表面線寬控制圖如14、15所示。

圖14 雙斜面上表面曝光線寬的Xbar-R圖

4 結(jié)束語

通過對(duì)立體端面光刻工藝的分類試驗(yàn)及對(duì)所得數(shù)據(jù)的分析，驗(yàn)證了我們所研制的立體端面對(duì)準(zhǔn)工作臺(tái)及楔形誤差補(bǔ)償機(jī)構(gòu)完全可以滿足立體端面的光刻工藝，為該類特種器件的光刻工藝研究奠定了基礎(chǔ)。

圖15 雙斜面下表面曝光線寬的Xbar-R圖

[1] 王志越.雙面對(duì)準(zhǔn)曝光中關(guān)鍵技術(shù)研究[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2000.29(3)：13-18

[2] Michael Quirk Julian Serda著，韓鄭生譯.半導(dǎo)體制造技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[3] 王海涌，吳志華.玻璃基片雙面光刻工藝流程的研究[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2012.31(8)：576-578.

Solid Surface Lithography Technics Research

LU Gang，ZHOU Zhanfu

(The 45thResearch Institute of CETC，Beijing 100176，China)

Solid surface special type device need to generate lithography figure on single side or double side of the device.According to the requirement of the special device，an alignment stage and a wedge error compensation framework are developed to adapt it，and also based on the physics characteristic of the solid surface，a clamping framework is designed to adapt its coating technology，and according to the technics experiment，the feasibility of the lithography technics is confirmed.

Solid surface;Wedge error compensation;Coating technology;Lithography technics; Exposure resolution

TN305.7

：B

：1004-4507(2015)07-0023-06

蘆剛（1972-），男，甘肅平?jīng)鋈耍厴I(yè)于甘肅電視大學(xué)，現(xiàn)主要從事半導(dǎo)體光刻設(shè)備的研究。

2015-04-14