显影工艺及显影喷嘴的应用

1　引言

随着IC工艺的高速发展对CD（Critical Dimension，关键尺寸、特征尺寸或线宽，是衡量一个企业IC工艺技术水准高低的技术指标）的要求不断减小，工艺水平已经进入亚微米级别，并且仍然不断减小级别。IC制造对光刻工艺的技术要求也随之更高。光刻工艺中的显影工艺也经历了几个世代的发展。在显影设备中，关键改进主要体现为显影喷嘴的改进。

图1　显影喷嘴的发展历程

通过图1可见，显影设备喷嘴的发展随着显影工艺的发展而不断改良，使其适应新的工艺需要。集成电路图形是通过显影后显现，显影质量的好坏决定了CD值是否能达到工艺要求。在其显影过程中，不只晶圆在显影工艺腔中做动，还会在显影之前与显影之后进行烘烤处理。因此，显影过程中对CD值产生影响的原因有多种。主要影响因素如下：显影腔体中down flow的大小、腔体中的温湿度控制、显影液流量的大小及显影液温度、显影喷嘴的高度及显影液时间等。

显影喷嘴是显影液供应喷洒系统的一个关键组件，是在该系统的终端负责将显影液均匀涂洒在晶圆表面，在该过程中出现显影缺陷的概率最大，因此显影喷嘴的设计尤为重要。本文将对IC制造过程中显影工艺及显影液供应系统中显影喷嘴的发展进行论述。

2　显影工艺及显影喷嘴的发展

2.1　显影工艺的发展

图2　光刻工艺的8个步骤

图3　正光阻显影成像示意图

        如图2和图3所示，显影工艺在光刻工艺过程中的中后期工序，以去除光刻胶形成工艺需求的图形为目的，使掩膜版的图形能够精确的投射到晶圆的光刻胶上。显影工艺过程中，显影液与光刻胶发生化学反应，显影后通过去离子水冲洗去除化学反应过程中的残留杂质。所有显影工艺的步骤都是保证CD值的工艺要求。CD值达到工艺要求，则认为光刻工艺加工过程的所有CD值都是符合工艺要求。

图4　显影缺陷示意图

在显影过程中，不成熟的工艺或显影机台本身问题都会造成芯片发生显影缺陷。显影缺陷有欠显影、过度显影等。欠显影的原因是由于显影液的量不足以与光刻胶发生完全的化学反应，导致线宽两侧有坡面，且会使不完全反应的光刻胶残留在晶圆表面，从而导致产品良率降低。过度显影的原因是由于显影液的量太大或显影液停留在晶圆太久导致线宽变大等，如图4显影缺陷示意图。

随着IC工艺的高速发展对CD（Critical Dimension，关键尺寸、特征尺寸或线宽）的要求不断减小，晶圆尺寸越来越大，电路结构越发复杂，原有老式的显影方法已经无法满足工艺要求。现有主流显影工艺为旋转喷涂与直线扫描。旋转喷涂是将显影液通过显影喷嘴在晶圆上方喷洒在旋转的晶圆上，并可以通过喷嘴扫描以实现更好的喷洒及覆盖效果；直线扫描是将显影液通过比晶圆直径稍大的显影喷嘴在晶圆上方沿直线运动喷洒在固定不动的晶圆上，一次扫描实现显影液对晶圆的完全覆盖。这两种主流显影方式都可以准确控制显影液流量，确保显影过程的反应均匀，降低显影液的流速对晶圆表面的冲击，并能很好地控制显影反应时间及节约显影液用量，这些都是为了满足更高显影均匀性的工艺要求。

2.2　显影喷嘴的发展

显影过程是在显影单元中进行的，显影单元中由一个离心电机通过真空承片台来承载晶圆，由几个喷嘴分别喷洒显影液、定影液及表面活化剂等。机械手将晶圆放置在真空承片台上，显影喷嘴将显影液喷洒到晶圆表面，显影完成后再由定影喷嘴将定影液喷洒在晶圆上，清洗掉显影残留，冲洗晶圆。最后真空承片台高速旋转甩掉晶圆表面液体。

显影液的喷洒一般分为两种：一种是静态喷洒，另一种是动态喷洒。静态喷洒显影液时，晶圆是静止不动的；动态喷洒时，晶圆缓慢转动。显影时间即显影液与光刻胶接触的时间。喷洒方式与显影喷嘴有关。显影喷嘴可以分为如下几类：第一类是扫描式，如图5（a）所示，显影喷嘴底部有一个狭长开孔，显影臂从晶圆上方移动，同时显影液从喷嘴底部出液口流出，在表面张力的作用下覆盖晶圆表面。显影臂可以从晶圆上方Scan一次也可多次，即一次显影液覆盖或多次显影液覆盖。第二类是多个喷嘴的动态喷洒，如图5（b）所示，显影喷嘴底部有多个小喷嘴。显影臂移动到晶圆中心后喷洒显影液，或从边缘到中心往复运动，同时晶圆缓慢转动，将显影液覆盖整个晶圆。第三类最为简单，为单一喷嘴，如图5（c）所示，通过Arm摆动带其运行至晶圆中心位，喷洒显影液，同时晶圆定速旋转，在离心力作用下，显影液沿径向稳定流动，使显影液覆盖整个晶圆。

显影方式的选取与光刻胶的性能有关，为了避免曝光产生水渍，193nm浸没式光刻胶很不亲水，如果用静态喷洒，显影液会收缩聚集在一起，动态喷洒可以有效解决此问题。

不论是248nm，还是193nm，显影参数的选取都与光刻胶性能相关。对于静态显影，显影参数只有显影时间。优化方法为：对若干个晶圆做相同的曝光，将显影时间设置不同，测量并整理出不同显影时间的Bossung（柏桑）曲线。选择最优的显影条件，曝光能量的涨落不会导致线宽的大波动。如果选用动态喷洒，需要优化很多参数，如显影液流量、晶圆转速等。

显影后需要使用去离子水进行冲洗。去离子水冲洗不仅会使显影过程终止，而且会将显影过程产生的光刻胶颗粒等杂质冲洗干净。在冲洗过程中，晶圆旋转的离心力也会帮助去除表面杂质。有时为了得到更好的显影后清洗效果，使用多种灵活的冲洗工艺，如：可在冲洗过程中，晶圆的旋转速度忽快忽慢，并进行多次启停；使用这种转速变化会更有效的冲洗晶圆表面显影时所产生的杂质；或在冲洗过程中同时加上氮气在定影喷嘴旁吹气；加速晶圆表面显影时化学反应所产生的杂质迅速甩到晶圆边缘。

为了减少线条显影后倒塌的风险，可以通过减小光刻胶线条的高宽比例来实现。但这样会导致光刻胶图形太薄，不能提供足够的刻蚀保护。有消息显示，缩短显影时间也可以减小线条倒塌。线条倒塌的一个因素是显影液扩散进入光刻胶涂层的界面，降低了光刻胶的附着力。缩短显影时间可以有效避免显影液在此界面的扩散。

减小线条倒塌最有效的办法是减小水的表面张力及增大接触角。在冲洗晶圆的水中添加少量的活化剂可以达到此目的。在水中添加少量活化剂后，表面张力会大幅度下降，但再进一步添加活化剂后，表面张力减小的幅度就会变缓，而且维持在一定数值。

使用添加了活化剂的水冲洗晶圆紧跟在去离子水冲洗之后。这时去离子水仍然覆盖晶圆表面，尚未干燥，对光刻胶图形并未造成伤害。添加了活化剂的水喷洒在晶圆表面取代去离子水填充在光刻胶图形之间，之后对晶圆做干燥处理。

图5　显影喷嘴示意图

如图1所示，显影喷嘴的种类是随着显影工艺的优化而改进。H型喷嘴，是在显影腔体中从晶圆移动至晶圆中间位置往复运动，在此运动过程中距离晶圆一定高度进行显影液喷洒，保证显影液的流量及均匀性。E2型喷嘴则是为了使显影液一字排列紧贴晶圆适量喷洒，以达到减小对微图形的冲击、节约显影液的目的，该种方式更经济、更便捷。而对于LD型喷嘴则是编制配方使其从晶圆边缘运动到另一端边缘，在运动过程中边走边喷，从而提高显影液喷洒的一致性并保证喷嘴的清洁度，以此来满足工艺需求。随着显影工艺指标要求的提高和降低成本的需求，将会不断有新型的显影喷嘴被研制开发来满足新型显影工艺。

3　显影喷嘴对显影工艺缺陷的预防

图6　球型缺陷成因鱼骨图

在显影工艺过程中需要避免的一个重要缺陷即球型缺陷。如图6在显影工艺过程中造成球型缺陷的主要因素之一就是显影喷嘴。球型缺陷指当光刻胶喷淋在晶圆表面经旋转产生的离心力将其外延而形成一层光刻胶涂层的过程中，因多余光刻胶被甩出晶圆表面时，再碰撞到匀胶 Cup，经其向下顺流至排废口，由排废管排出。如果无法及时排出，而晶圆仍在高速运行，会使剩余的光刻胶飞扬，在晶圆表面形成细小的颗粒，再通过工艺单元的风流使其飘落在晶圆上，而该细小颗粒一般尺寸微小，类球状，经过曝光后，再通过显影工艺清洗后会在此处形成不完全曝光，从而形成球型缺陷。因此显影喷嘴的合理设计也是可以避免缺陷的产生。

4　结语

综上可知，显影喷嘴对于显影工艺的重要性。国内显影喷嘴的研制也有一定的进展，由清华大学与沈阳芯源共同开发研制的国产显影喷嘴已经在整机进行测试，通过对材料、导流板、保温、排气等机构的设计增强了显影喷嘴喷洒液体的稳定性。国内对半导体行业的大力扶持，校企联合力度的加强，相信在不久的将来国内设备商对于显影喷嘴的开发一定会研制出更多具有自主产权的新型显影喷嘴来满足新型显影工艺的需求，使国产半导体设备占据更大的份额。

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