基于雙掩模光刻機(jī)的真空復(fù)印機(jī)構(gòu)與工藝研究

蘆 剛，毛善高，李 順

( 中國(guó)電子科技集團(tuán)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、探測(cè)器、光電子器件、微波電路、MEMS（微電子機(jī)械系統(tǒng)）及其它新型電子元器件的單、雙面對(duì)準(zhǔn)及曝光工藝[1]。雙面光刻機(jī)根據(jù)工作原理可分為雙面對(duì)準(zhǔn)單面曝光和單面對(duì)準(zhǔn)雙面曝光兩大類型。具體選擇哪一種雙面光刻機(jī)，半導(dǎo)體廠商需要根據(jù)產(chǎn)品的工藝特點(diǎn)來綜合考量后，才能確定選擇適應(yīng)于自身產(chǎn)品的雙面光刻機(jī)。

1 雙面對(duì)準(zhǔn)單面曝光原理及特點(diǎn)

雙面對(duì)準(zhǔn)單面曝光型光刻機(jī)具有2 套對(duì)準(zhǔn)觀察系統(tǒng)和1 套曝光系統(tǒng)，其曝光方式可以實(shí)現(xiàn)真空接觸曝光、硬接觸曝光、軟接觸曝光、接近式曝光。曝光模式多樣化，對(duì)準(zhǔn)精度高，曝光分辨率高。

其工作原理主要是采用底部對(duì)準(zhǔn)（BSA）原理，在頂部對(duì)準(zhǔn)（TSA）觀察系統(tǒng)支持下，已經(jīng)完成基片的單面曝光。根據(jù)底部對(duì)準(zhǔn)原理，將所需掩模版裝載固定后，手動(dòng)驅(qū)動(dòng)底面對(duì)準(zhǔn)顯微鏡兩物鏡的位置移動(dòng)及焦距調(diào)整，直到掩模版上的兩對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記清晰地出現(xiàn)在監(jiān)視器上，此時(shí)選定物鏡的位置，掩模版上標(biāo)記圖形已被計(jì)算機(jī)的圖像卡存貯起來；然后將基片送入對(duì)準(zhǔn)臺(tái)，掩模版和基片背面上的標(biāo)記圖形同時(shí)出現(xiàn)在監(jiān)視器上，形成動(dòng)、靜兩畫面迭加，使用手動(dòng)對(duì)準(zhǔn)工作臺(tái)（X、Y、θ）的微調(diào)手柄，使基片標(biāo)記與掩模標(biāo)記對(duì)準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)雙面對(duì)準(zhǔn)，如圖1 所示。

圖1 雙面對(duì)準(zhǔn)單面曝光對(duì)準(zhǔn)原理圖

2 單面對(duì)準(zhǔn)雙面曝光原理及特點(diǎn)

單面對(duì)準(zhǔn)雙面曝光型光刻機(jī)[2]具有一套底部對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)和上下兩套曝光系統(tǒng)，其曝光方式為軟接觸曝光。對(duì)準(zhǔn)精度相對(duì)較低，曝光分辨率偏低，但生產(chǎn)效率較高。

雙掩模光刻機(jī)雖然存在對(duì)準(zhǔn)精度低、曝光分辨率低的不利因素，但在功率電子器件、微波電路、MEMS（微電子機(jī)械系統(tǒng)）等器件生產(chǎn)中，具有雙面工藝要求，其基片上下兩面需要首次同時(shí)曝光作為基準(zhǔn)，這種雙面光刻機(jī)依然存在巨大的應(yīng)用領(lǐng)域。因此，如何在現(xiàn)有的設(shè)備上通過技術(shù)提升，進(jìn)一步提高雙掩模光刻機(jī)的曝光分辨率及曝光線條的均勻一致性具有重要的意義。

雙掩模光刻機(jī)的對(duì)準(zhǔn)原理如圖2 所示。

圖2 雙掩模光刻機(jī)對(duì)準(zhǔn)原理圖

2.1 雙掩模對(duì)準(zhǔn)過程

上掩模版向下運(yùn)動(dòng)和下掩模版接觸，完成兩掩模版的楔形誤差補(bǔ)償，然后4 個(gè)氣缸鎖定上掩模版架，保持兩掩模版的平行，驅(qū)動(dòng)電子數(shù)顯微分頭，使上掩模版向上微動(dòng)一對(duì)準(zhǔn)間隙，在顯微鏡的觀察下驅(qū)動(dòng)下掩模版作X、Y、θ 向運(yùn)動(dòng)使兩掩模版上的圖形標(biāo)記對(duì)準(zhǔn)，對(duì)準(zhǔn)后上掩模版升至最高位置，至此完成版-版的對(duì)準(zhǔn)。

2.2 掩模與基片對(duì)準(zhǔn)過程

硅片由機(jī)械手送入上、下掩模版之間，機(jī)械手向下運(yùn)動(dòng)，使硅片和下掩模版接觸，完成掩模版與硅片的楔形誤差補(bǔ)償，然后氣缸鎖定硅片（機(jī)械手找平碗），保持掩模版與硅片的平行，驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的步進(jìn)電機(jī)，使硅片向上運(yùn)動(dòng)一對(duì)準(zhǔn)間隙（對(duì)準(zhǔn)間隙可在工業(yè)觸摸屏上設(shè)定），驅(qū)動(dòng)手柄系統(tǒng)作X、Y、θ 向運(yùn)動(dòng)使下掩模版與硅片的圖形標(biāo)記對(duì)準(zhǔn)，對(duì)準(zhǔn)后機(jī)械手向下運(yùn)動(dòng)將硅片無漂移地（吹氮?dú)猓┓诺较卵谀０嫔希瑱C(jī)械手退出，至此完成版與片的對(duì)準(zhǔn)。

3 雙面對(duì)準(zhǔn)光刻機(jī)及工藝實(shí)驗(yàn)

根據(jù)雙面光刻機(jī)[3]的原理，研制的雙面掩模光

刻機(jī)對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 雙面掩模光刻機(jī)對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)

采用雙面掩模光刻機(jī)在生產(chǎn)線上對(duì)曝光參數(shù)

的統(tǒng)計(jì)，掩模版尺寸及樣片尺寸測(cè)量如表1 所示。

時(shí)至今日，傳統(tǒng)中國(guó)山水畫的創(chuàng)作者們?nèi)匀辉趶那拜叺漠嬜髦屑橙I(yíng)養(yǎng)，學(xué)習(xí)他們甘于平淡的藝術(shù)精神。從政治經(jīng)濟(jì)環(huán)境來說，現(xiàn)今的社會(huì)和古代社會(huì)已發(fā)生了天壤之別，當(dāng)今的山水畫作者所處的時(shí)代背景決定了他們并不會(huì)完全像古代畫家一樣去追求離塵出世。然而中國(guó)文化的內(nèi)核一直未曾改變，都是以儒釋道為核心的。這一點(diǎn)決定了中國(guó)山水畫的藝術(shù)追求不會(huì)發(fā)生根本的轉(zhuǎn)變，隱逸山林、心生出離的基調(diào)也不會(huì)徹底改變。

表1 曝光數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表 μm

由表1 基片抽樣檢測(cè)結(jié)果可以看出，基片曝光線條均勻性誤差大，其不均勻性誤差在30%，為了進(jìn)一步檢測(cè)曝光線條均勻性誤差，在不同批次取出不同數(shù)量，共計(jì)50 片，進(jìn)行檢測(cè)測(cè)量，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析，其曝光線條不均勻性正態(tài)分布如圖4 所示。

圖4 曝光基片偏差正態(tài)分布曲線

由此證明，雙掩模光刻機(jī)采用軟接觸曝光模式，其曝光線條的均勻性達(dá)不到雙面對(duì)準(zhǔn)單面曝光光刻機(jī)的曝光水平。

在單面光刻機(jī)中，其曝光模式對(duì)分辨率有很大的影響。表2 列出了接觸接近式光刻機(jī)中幾種曝光方式通常可達(dá)到的曝光分辨率。

表2 接觸接近式曝光機(jī)曝光分辨率

從表2 可以看出，在真空接觸模式下，其曝光分辨率最好，受此啟發(fā)，能否在雙面光刻機(jī)上增加真空復(fù)印模式功能，從而提高曝光分辨率應(yīng)該是可行的。為此對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)分析，完善改進(jìn)了雙掩模的版架機(jī)構(gòu)，增加了真空復(fù)印裝置，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 雙面掩模真空復(fù)印機(jī)構(gòu)

通過對(duì)改進(jìn)后的雙面光刻機(jī)進(jìn)行工藝驗(yàn)證，驗(yàn)證曝光分辨率及曝光線條均勻性。實(shí)驗(yàn)采用改進(jìn)型SB-402 雙面光刻機(jī)、UV-A 型紫外輻射照度計(jì)（配備365 nm 探頭）、光刻膠和去離子水等。采用雙面光刻機(jī)成熟優(yōu)化好的工藝參數(shù)及條件，曝光工藝條件采用AZ5214E 正膠，φ100 mm 標(biāo)準(zhǔn)硅片，勻膠工藝步驟為：（1）熱板前烘去除表面水分，前烘時(shí)間60 s，溫度90 ℃；（2）采用半自動(dòng)勻膠機(jī)旋涂曾粘劑HDMS，轉(zhuǎn)速設(shè)置600 r/min，前烘時(shí)間60 s，溫度90 ℃；（3）采用半自動(dòng)勻膠機(jī)進(jìn)行勻膠，勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置4 500 r/min，光刻膠厚度控制在1～1.5 μm。曝光模式采用真空復(fù)印，光照強(qiáng)度為10 mW/cm2，曝光時(shí)間為3 s，堅(jiān)膜后烘設(shè)置熱板溫度為90 ℃，時(shí)間為90 s。采用PDM-2038 顯影液，顯影后使用去離子水清洗樣片表面。

在相同條件下，不同曝光模式下、不同真空度下的樣片進(jìn)行了樣片表面觀察，測(cè)量光學(xué)顯微鏡采用OLYMPUS 顯微鏡。為了保證觀測(cè)準(zhǔn)確性，采用9 點(diǎn)測(cè)量法。即每組觀測(cè)選擇同一樣片上的不少于9 個(gè)點(diǎn)，觀測(cè)部位和相同位置不同放大倍數(shù)下觀測(cè)。相同工藝條件下，兩種曝光模式曝光分辨率數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表3 所示。相同工藝條件下，不同真空度下的曝光分辨率如表4 所示。

表3 兩種模式曝光分辨率統(tǒng)計(jì)表

表4 不同真空度下的曝光分辨率統(tǒng)計(jì)表

因此，將曝光分辨率2 μm 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；同時(shí)在相同工藝條件下，不同基片曝光線條均勻性進(jìn)行檢測(cè)驗(yàn)證，以基體曝光面的4 個(gè)角及中間位置的曝光線條為1 個(gè)樣本，即樣本容量n=5；每25 片為一個(gè)循環(huán)，抽取1 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绫?、表6 所示。

表5 雙面上表面曝光線寬和樣本統(tǒng)計(jì)量 μm

表5、表6 中X1-X5為線寬統(tǒng)計(jì)量，根據(jù)計(jì)算統(tǒng)計(jì)量-R 圖的控制界限計(jì)算公式：

表6 雙面下表面曝光線寬和樣本統(tǒng)計(jì)量 μm

R 上控制界限線Ucl=D4·

R 下控制界限線Lcl=D3·

根據(jù)以上計(jì)算公式計(jì)算并將其控制圖繪制的Xbar-R 圖如圖6、圖7 所示。

圖6 雙面上表面曝光線寬的Xbar-R 圖

圖7 雙面下表面曝光線寬的Xbar-R 圖

光學(xué)顯微鏡放大500 倍時(shí)觀察樣片，如圖8所示。2 μm 和2.5 μm 線條中都沒有出現(xiàn)中間斷裂現(xiàn)象，線條平滑陡直無鋸齒。

圖8 曝光線條實(shí)驗(yàn)圖

4 雙面對(duì)準(zhǔn)光刻機(jī)程序優(yōu)化

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的不良現(xiàn)象的分析及多次的調(diào)試及程序優(yōu)化組合，即上版架下來與下掩模接觸后，延遲0.5 s，再將真空電磁閥打開，將兩塊掩模及基片間的空氣抽空，形成負(fù)壓，真空閥工作3 s，此時(shí)觀察上掩模版，發(fā)現(xiàn)其與基片接觸部位干涉條紋明顯增多，說明掩模版與基片貼附效果明顯好于未采用真空復(fù)印模式，上下快門打開基片曝光，為確保上版架抬升時(shí)，不被真空復(fù)印曝光模式產(chǎn)生的負(fù)壓破壞上掩模的找平效果，真空閥切換，與其排氣端連接的氮?dú)忾y打開，向掩模版吹氮?dú)? s，使其完全破壞掩模之間的負(fù)壓，然后上版架抬升，機(jī)械手取出曝光的基片。完善改進(jìn)的局部氣路系統(tǒng)如圖9 所示。

圖9 氣路改進(jìn)圖

5 結(jié)束語

通過反復(fù)多次的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出如下結(jié)論。雙掩模雙面光刻機(jī)通過采用真空復(fù)印模式，其曝光分辨率要優(yōu)于軟接觸曝光模式，且曝光線條的均勻一致性要好。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定可靠性，將改進(jìn)后的上版架機(jī)構(gòu)搭建到用戶的設(shè)備上，并作了相應(yīng)的氣路改造及程序升級(jí)。通過用戶現(xiàn)場(chǎng)多批次，500 片的曝光實(shí)驗(yàn)，并檢測(cè)及數(shù)據(jù)分析，其曝光線條的精度在±0.15 μm，解決了設(shè)備原有曝光線條不均的問題，基片整體質(zhì)量有了質(zhì)的提高，用戶非常滿意。

由此表明，通過改進(jìn)曝光方式，從而提高曝光工藝的可行性，進(jìn)一步證明工程技術(shù)人員要加強(qiáng)對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)品生產(chǎn)工藝的了解和學(xué)習(xí)，將半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝知識(shí)融入到半導(dǎo)體設(shè)備的設(shè)計(jì)研發(fā)中，充分理解一代工藝一代設(shè)備，只有這樣才能設(shè)計(jì)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。