半導體烘烤工藝及其設備技術

楊 樺，蔡穎嵐，凌瑞烽，凌 勇，干 蓉

（1.重慶聲光電有限公司，重慶 400060；2.重慶科技學院計算機系，重慶 401331）

0 引言

整個IC 制造工藝過程中，光刻工序是重復次數最多的一道工藝過程。光刻常常被認為是IC 制造中最關鍵的步驟，光刻成本在整個硅片加工成本中幾乎占到1/3[1]。光刻是將集成電路圖形從掩膜版上轉移到晶片的工藝過程，這個過程主要指涂膠、曝光和顯影，此外，烘烤作為一個重要工藝貫穿在整個光刻過程中。烘烤是一個輔助工藝，但是作用非常重要，本文對半導體生產中的烘烤工藝及其設備技術展開研究和討論。

1 烘烤工藝

光刻就是把光源通過版圖投影到晶片膠膜上并引起光化學反應，其細分工藝流程如圖1 所示。從圖1 可見半導體光刻工藝流程中很大一部分由烘烤工藝占據，它對最后形成圖形的質量非常關鍵。半導體晶片進入光刻工藝首先需要清洗，清洗工藝后，烘烤1 在這一步起到脫水作用，以除去吸附在晶片表面的大部分水汽，確保涂膠均勻性，增加膠膜吸附強度。

圖1 半導體光刻工藝流程

在晶片完成涂膠后，要經過烘烤2。涂在晶片上的高溶劑含量膠尚未固化，發黏并易受顆粒沾污。未固化的光刻膠還可能在曝光過程中揮發，污染光刻設備甚至昂貴的光學鏡頭。烘烤2 的作用是去除晶片上覆蓋的光刻膠溶劑，使其光刻膠膜變為固體薄膜，緊密貼附在晶片上。膠膜在涂覆時還會產生內有應力，也影響均勻粘連，烘烤后應力得到消除。膠膜的厚度在烘烤過程隨溶劑的揮發將減薄，曝光中的線條分辨率還能得到提高。膠膜溶劑含量隨烘烤溫度的變化曲線如圖2 所示。溶劑含量還影響后續顯影速度和曝光能量的設置，從工藝重復性和穩定性角度必須嚴格控制，主要辦法是控制好烘烤溫度的精度和時間。根據光刻膠的種類和厚度不同，烘烤溫度在90120，時間一般為3060 s。

圖2 膠膜溶劑含量與烘烤溫度曲線

在晶片完成曝光后，要經過烘烤3。光是一種電磁波，波本質上是正弦曲線，任何形式的正弦波只要有相同的頻率就能相互干涉。曝光過程中會有部分光穿過膠膜，在晶片表面再反射后與入射光產生干涉，從而在膠膜內部產生條紋狀駐波，導致曝光線條的邊緣模糊，降低光刻分辨率。利用烘烤晶片所產生的熱能，促使因不同干涉狀況分布的分解與未分解感光化合物，在光阻曝光與未曝光臨界的地方重新分布，最后達到平衡，從而使線條邊緣更加平滑[2]。其實質是光刻膠在一定溫度下內部相互擴散，從而產生均勻效應。曝光過程中光干涉引起的膠膜駐波及其在烘烤下的均勻化見圖3 所示。

在晶片完成顯影后，要經過烘烤4。晶片顯影后將進行注入或刻蝕等工藝，這些工藝對光刻膠的轟擊能量大，所以必須先蒸發掉剩余的溶劑使光刻膠變硬，加強膠與晶片之間的粘附，同時還可進一步減少駐波效應。

半導體光刻工藝進行多步烘烤，每一步烘烤所起的作用不一樣，但都對光刻工藝質量的提升起到了重要作用。

2 設備技術分析

典型的烘烤是在傳統的充滿氮氣的烘箱或真空烘箱中完成，也可以在一熱板上完成。熱傳遞的3 種方式是傳導、對流和輻射。在傳導過程中，熱表面的振動原子使待加熱對象的原子也振動起來。由于原子的振動和碰撞，這些原子就會變熱[3]。熱對流主要是通過一個裝置對氣體加熱，然后利用鼓風機或壓力將氣體推向一個空間。輻射是利用電磁能量在空間的傳播，大多數是與傳導和對流同時發生作用。熱板就是通過傳導加熱，由于烘烤工藝必不可少，當前幾乎所有涂膠顯影設備都集成了熱板裝置。熱板上通常設計有接片頂針，晶片被自動或手動傳送到頂針后，在程序控制下，頂針下降使晶片到達熱板。同時，開啟真空吸附住晶片，熱板熱量通過晶片背部均勻傳導至整個晶片。烘烤時間完成后，頂針上升，脫離熱板，完成烘烤。當物體的內部或2 個直接接觸的物體之間存在溫度差時，熱量就從溫度較高的區域向溫度較低區域傳遞，或者從溫度較高的物體向溫度較低的物體傳遞。這一過程稱為熱傳導，其基本規律為傅里葉定律[4]。公式（1）為熱傳導基本公式，由公式可知，熱板需采用導熱系數大的材料，以加快熱傳導，材料的熱輻射還應小，避免輻射的能量損失及對加熱過程的干擾。

式中 Q——熱流量

A——導熱面積

DT/Dn——溫度梯度

工藝晶片厚度大多在毫米級以下，熱量可以迅速從晶片背面傳導到工藝面。與熱板相比晶片體積忽略不計，其熱容量小，在熱傳導過程中并不會引起熱板溫度的波動。在精密溫控器控制下，熱板可以保持很高的溫度控制精度。半導體烘烤工藝設備都采用具備PID 功能的溫控器，以晶閘管作為輸出。溫度傳感器（熱偶或熱電阻）構成系統閉環反饋，其系統原理框圖如圖4所示。

圖4 溫度PID 控制系統框圖

PID 調節的比例環節P 反映出系統產生偏差時，控制器工作，以減小偏差；積分環節I 可以用來決定調節作用的強弱，當時間常數越大時，積分調節作用就越弱；微分環節D 產生一個有效的早期修正信號，加快系統的響應速度。

熱板和烘箱都常用于半導體烘烤工藝，差別是熱板為單片烘烤，可以做到更高的控制精度，溫度均勻性更高。各烘烤工藝溫度有差別，工藝線上根據產量大小和需要的溫度，配備不同的烘烤設備。烘烤時間由設備軟件計時，嚴格控制。

3 烘烤溫度計量

烘烤工藝最重要的參數是溫度，溫度要達到設定值，并保持穩定，半導體烘烤設備主要包括熱板和烘箱，其溫度關鍵參數見表1。溫度范圍確定了設備升溫上限，可以覆蓋各烘烤工藝的需要；精度是達到在溫度范圍內任一設定值后的波動范圍；均勻性是加熱區域各點之間的溫度偏差值。

表1 烘烤設備溫度關鍵參數

圖5 烘箱溫度計量方法

烘烤工藝要嚴格控制溫度，溫度是否精確和漂移必須經過計量。熱板是單片烘烤，只需考慮片內烘烤溫度均勻性；烘箱要在一個立體空間內保持溫度精度和均勻性。計量方法一般是9點計量法，以烘箱為例，計量方法見圖5，圖中19 是溫度測試點，9 還是烘箱中心點。

測量過程是測量圖中9 個點溫度值，每個點測3 次。調整設定值，在設備溫度范圍內，每增大設定值10重復測量一遍。在每個設定值測試中，先計算出每個點3 次測試平均數，與當前設定比較，不能超過表1 的溫度精度。按公式（2）計算出9 點平均值TM。每個點的值再與TM比較，其中的最大偏差不超過表1溫度均勻性參數。

式中 TM——9 點平均值

T1T9——19 點溫度測試值

熱板溫度是在熱板平面內選取9 點測試計量，計算方法與烘箱完全一致。如果計量所得誤差超過設備參數，則不能進行工藝生產，需要檢查設備故障。

4 結束語

在半導體工藝中，烘烤是非常重要的一步。通過工藝和設備技術的研究，在實際生產過程中明確工作任務，保證工藝生產質量，提高工藝和設備可靠性，減少設備故障。