五、顯影

晶圓完成對準和曝光后，器件或電路的圖案被以曝光和未曝光區域的形式記錄在光刻膠上。通過對未聚合光刻膠的化學分解來使圖案顯影。顯影技術被設計成使之把完全一樣的掩模版圖案復制到光刻膠上。不良的顯影工藝造成的問題是顯影不充分，它會導致開孔的尺寸不正確，或使開孔的側面內凹。在某些情況下，顯影不夠深而在開孔內留下一層光刻膠。第3個問題是過顯影，這樣會過多地從圖形邊緣或表面上去除光刻膠。要在保證高深寬比的塞孔的直徑一致，和由于清洗深孔時液體不易進人而造成的清洗困難的情況下，保持具有良好形狀的開孔是一個特殊的挑戰。

1）正光刻膠顯影

曝光后，預期的圖形在正光刻膠中按照聚合光刻膠(啟動條件)和未聚合的光刻膠(由曝光引起的)的區域被編碼。兩個區域(聚合的和未聚合的區域)有不同的溶解率，約為1:4。這意味著在顯影中總會從聚合的區域失去一些光刻膠。使用過度的顯影液或顯影時間過長可能導致光刻膠薄到不能接受的程度，其結果是可能導致在刻蝕中翹起或斷裂。

在光刻膠圖案邊緣的過渡區

有兩種類型的化學顯影液用于正光刻膠,堿-水溶液和非離子溶液。堿-水溶液可以是氫氧化鈉或氫氧化鉀。因為這兩種溶液都含有可動的離子污染物,所以在制造敏感的電路時不能使用。大多數用正光刻膠的工藝線使用非離子的四甲基氫氧化銨(TMAH)溶液。有時要添加表面活性劑來去除表面張力，使溶液更易親合品圓表面。正光刻膠的水溶性使它們在環保上比有機溶液的負光刻膠更具吸引力。

接著的顯影步驟是為了停止顯影過程和從晶圓表面去除顯影液的沖洗。對正光刻膠沖洗用的是水，它帶來的是更簡單的處理和成本的降低，并有利于環境。正光刻膠的顯影工藝比負光刻膠更為敏感”。影響結果的因素是軟烘焙時間和溫度、曝光度、顯影液濃度、時間、溫度，以及顯影方法。顯影工藝參數由所有變量的測試來決定，下圖顯示了一個特定的工藝參數對線寬的影響。

顯影劑溫度和曝光關系與線寬變化的比較

當使用正光刻膠時，顯影和清洗工藝的嚴格控制是尺寸控制的關鍵。對正光刻膠顯影液清洗的化學品是水。它的作用與負光刻膠清洗液相同，但是更便宜、使用更安全，更容易處理。

2）負光刻膠顯影

在光刻膠上成功地使圖案顯影要依靠光刻膠的曝光機理。負光刻膠暴露在光線下，會有一個聚合的過程，它會阻止光刻膠在顯影液中分解。在兩個區域間有足夠高的分解率，使得聚合的區域光刻膠幾乎沒有損失。大多數負光刻膠顯影是用二甲苯作為顯影液，它還被用作負光刻膠配方中的溶液。

顯影完成前還要進行沖洗。對于負光刻膠，通常使用"-醋酸丁酯作為沖洗化學品，因為它既不會使光刻膠膨脹也不會使之收縮，從而不會導致圖案尺寸的改變。對具有臺階圖案的品圓，可能使用一種性質較溫和的 Stoddard 溶劑。

3）濕法顯影

有幾個方法用于光刻膠顯影。方法的選擇依據包括光刻膠極性、特征圖形尺寸、缺陷密度的考慮、刻蝕層的厚度以及產能。

4）干法(或等離子)顯影

硬烘焙是在掩膜工藝中的第二個熱處理操作。它的作用實質上和軟烘焙是一樣的--通過溶液的蒸發來固化光刻膠。然而，對于硬烘焙，其唯一目標是使光刻膠和晶圓表面有良好的黏結，這個步驟有時稱為刻蝕前烘焙，

1) 硬烘焙的方法

硬烘焙在設備和方法上與軟烘焙相似。對流爐，在線及手動熱板、紅外線隧道爐，移動帶傳導爐和真空爐都用于硬烘焙。

2) 硬烘焙工藝

硬烘焙的時間和溫度的選取與在軟烘培工藝中是相同的。起始點是由光刻膠制造商推薦的工藝。之后，工藝被精確調整，以達到黏結和尺寸控制的要求。一般使用對流爐的硬烘焙的溫度是從130℃~200℃進行30分鐘。對于其他方法，時間和溫度有所不同。設定最低溫度使光刻膠圖案邊緣和晶圓表面達到良好黏結。熱烘焙增強黏結的機理是脫水和聚合。加熱使水分脫離光刻膠，同時使之進一步聚合，從而增強了其耐刻蝕性。硬烘焙溫度的上限以光刻膠流動點而定。光刻膠有像塑料的性質，當加熱時會變軟并可流動。當光刻膠流動時，圖案尺寸便會改變。當在顯鏡下觀察光刻膠流動時將會明顯增厚光刻膠邊緣。極度的流動會在沿圖案邊緣處顯示出邊線。邊線是光刻膠流動后在光刻膠中留下的斜坡而形成的光學作用。

硬烘焙是緊跟在顯影后或馬上在開始刻蝕前來進行的。在大多數生產情況中硬烘焙是由和顯影機并排在一起的隧道爐來完成的。當使用此種操作規程時，把品圓存放在氮氣中或是立即完成檢驗步驟以防止水分重新被吸收到光刻膠中，這一點非常重要。

工藝工程上的一個目標是有盡可能多的共同工藝。對于硬烘焙工藝來說，由于各種晶圓表面的不同黏接性質有時會給工藝帶來困難。更加困難的表面，如鋁和摻雜磷的氧化物，有時要經高溫硬烘焙或在即將要刻蝕之前對其在對流爐中進行二次硬烘焙。

七、顯影檢驗

在顯影和烘焙之后就要完成光刻掩膜工藝的第一次質檢。恰當地說，應該叫顯影檢驗(developinspect),簡稱DI。檢驗的目的是區分那些通過最終掩膜檢驗可能性很小的晶圓;提供工藝性能和工藝控制數據;以及分揀出需要返工的晶圓。

返工循環過程

晶圓被送回掩膜工藝稱為返工(rework)或重做(redo)。工藝師的目標是保持盡可能低的返工率，應小于10%，而5%是一個受歡迎的水平經驗顯示經過光刻返工的晶圓在最終工藝完成時有較低的分選良品率。返工會引起黏結問題，并且再次傳輸操作會導致晶圓污染和損壞。如果太多的晶圓返工將使整個分選良品率受到嚴重影響，并且生產線將被堵塞。

保持低返工率的第二個原因與在進行返工晶圓處理時要求另外的計算和標識有關。顯影檢驗良品率和返工率隨掩膜水平而變。總體上，在掩膜次序中的第一級有較寬的特征圖形尺寸、較平的表面和較低的密度，所有這些會使掩膜良品率更高。在晶圓到了關鍵的接觸和連線步驟時，返工率呈上升趨勢。

1） 顯影檢驗拒收分類

一般來說，在顯影檢查和最終檢查時有6類主要的晶圓問題發生，包括:

• 超出圖形尺寸(關鍵尺寸測量)的規范.

• 圖形未對準

• 表面污染

• 在光刻膠中有孔洞或劃痕

• 污漬或其他表面不規則物

• 具有畸變的圖形

2）顯影檢驗的方法

檢驗設備的描述后面內容單獨講。

自動檢驗:隨著芯片尺寸的增大和元件尺寸的減小，工藝變得更加繁多并精細，較老的和相對慢的人工檢驗(見下文)的效率也到了極限。可探測表面和圖案失真的自動檢驗系統成為在線和非在線檢驗的選擇。自動檢驗系統提供了更多數據，反過來，這又使工藝師能夠刻畫出工藝特色并對工藝加以控制。它們也具有一致性，而人在做重復性的工作時能力上會發生變化，產生疲勞。然而，一些像非常小顆粒這樣的缺陷，以及前面光刻步驟帶來的問題可能從自動系統探測中漏檢。對于分析，光學顯微鏡仍然是有用的。

自動檢查系統除了增加生產效率外，還有精確性問題。隨著提及的圖形線條寬度正在變得更小，在更密集的圖形中極小的缺陷也變得致命。掃描電子顯微鏡(SEM)能夠測量更小的尺寸和檢測更小的顆粒及表面缺陷。原子力顯微鏡用于測量表面平整度和檢測不規則圖形。X射線分光計被用于污染檢測。目的是全部晶圓在線檢查，而有些技術也需要離線分析。

在芯片設計時，設計測試圖形用來測量如關鍵尺寸這些參數。隨著品圓上層數增多，對于缺陷和其他表面問題的檢測復雜性難度增大。通常，空白“檢測”晶圓將包含在工藝批中。在特別工藝步驟引入的缺陷和污染，在檢測晶圓上更容易被檢測和測量。

人工檢驗:下面流程圖顯示了一個典型的人工顯影檢驗次序。第一步是用眼睛直觀檢驗晶圓表面。由于沒有使用放大鏡，所以這種檢驗有時又稱為1倍檢驗(1倍放大等于肉眼的視覺水平)。檢驗可以在正常的室內光線下進行,但是更多時候晶圓要在直射的白光或高密度紫外線下進行。檢驗時晶圓與光線成一定的角度。用這種方法可以非常有效地檢查出膜厚的不均勻、粗顯影問題、劃傷及污染，特別是污漬。

隨著芯片密度的提高，其單個部分也變得更小，這依次要求更高的放大倍數來看它們。增大放大倍數使視場變窄了,依次增加了檢查晶圓的操作時間。通常，對于一個大直徑、低缺陷的晶圓取樣所要求的時間是禁止的。

3）在顯影檢驗階段拒收的原因

有很多原因可使晶圓在顯影檢驗時被拒收。一般地，要找的僅是那些在當前光刻掩膜步驟中增加的缺陷。每一片品圓都會帶有一些缺陷和問題,并且品圓到達當前步驟時有可接受的質量，在這一原理下，從上一步留下的缺陷一般會被忽略掉。如果一片晶圓有嚴重的問題而在上一步未被發現，就會從本批中拿掉。

這種檢驗一般是一個“首個-失效"原則(frst-failbasis)。就是說檢查繼續檢驗晶圓直到達到一個拒收的水平,并確認要拒收的晶圓。每片晶圓的信息被記錄在清單上以做統計和分析用。自動和半自動光學檢驗儀有電子記憶用來累積和收集拒收數據。在顯影檢驗階段典型的拒收是:

• 破損晶圓
• 劃傷
• 沾污
• 光刻膠中有針孔
• 圖形對準錯誤
• 橋接
• 光刻膠翹起
• 不完全顯影
• 顯影不足
• 無光刻膠
• 光刻膠流動
• 用錯版
• 關鍵尺寸(CD)

橋接的導線

參考文獻：

未完待續......

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