基本光刻工艺流程

第八章基本光刻工艺流程-表面准备到曝光概述最重要的光刻工艺是在晶圆表面建立图形。这一章是从解释基本光刻工艺十步法和讨论光刻胶的化学性质开始的。我们会按照顺序来介绍前四步（表面准备到对准和曝光）的目的和执行方法。目的完成本章后您将能够：1．勾画出基本的光刻工艺十步法制程的晶圆截面。2．解释正胶和负胶对光的反应。3．解释在晶圆表面建立空穴和凸起所需要的正确的光刻胶和掩膜版的极性。4．列出基本光刻十步法每一步的主要工艺选项。5．从目的4的列表中选出恰当的工艺来建立微米和亚微米的图形。6．解释双重光刻，多层光刻胶工艺和平整化技术的工艺需求。7．描述在小尺寸图形光刻过程中，防反射涂胶工艺和对比增强工艺的应用。8．列出用于对准和曝光的光学方法和非光学方法。9．比较每一种对准和曝光设备的优点。介绍光刻工艺是一种用来去掉晶圆表面层上的所规定的特定区域的基本操作（图8.1）。Photolithography是用来定义这个基本操作的术语。还有其它术语为Photomasking,Masking,Oxide或者MetalRemoval（OR,MR）和Microlithography。光刻工艺是半导体工艺过程中非常重要的一道工序，它是用来在不同的器件和电路表面上建立图形（水平的）工艺过程。这个工艺过程的目标有两个。首先是在晶圆表面建立尽可能接近 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 规则中所要求尺寸的图形。这个目标被称为晶圆的分辨率（resolution）。图形尺寸被称为电路的特征图形尺寸（featuresize）或是图像尺寸（imagesize）。第二个目标是在晶圆表面正确定位图形（称为Alignment或者Registration）。整个电路图形必须被正确地定位于晶圆表面，电路图形上单独的每一部分之间的相对位置也必须是正确的（图8.2）。请记住，最终的图形是用多个掩膜版按照特定的顺序在晶圆表面一层一层叠加建立起来的。图形定位的的要求就好像是一幢建筑物每一层之间所要求的正确的对准。很容易想象，如果建筑物每一层和每一层不能很好地对准，那么它会对电梯以及楼梯带来什么样的影响。同样，在一个电路中，如果每层和它的上一层不能很好地对准可能会导致整个电路的失效。因为在光刻蚀工艺过程中的每一步都会有变异，所以对特征图形尺寸和缺陷水平的控制是很难的。光刻的过程是一个权衡的过程（请看光刻工艺每一步的介绍）。除了对特征图形尺寸和图形对准的控制，在工艺过程中的缺陷水平的控制同样也是非常重要的。光刻操作步骤的数目之多和光刻工艺层的数量之大可以看出光刻工艺在半导体工艺过程中是一个主要的缺陷来源。图8.1基本光刻工艺Wafer晶圆Surfacelayer表面层Patternedlayer图形层图8.2五层掩膜的硅栅二极管Gatemask栅掩膜Wellmask阱掩膜Contactmask接触掩膜Metalmask金属掩膜PadmaskPAD掩膜光刻蚀工艺概述光刻蚀工艺是和照相、蜡纸印刷比较接近的一种多步骤的图形转移过程。首先是在掩膜版上形成所需要的图形，之后通过光刻工艺把所需要的图形转移到晶圆表面的每一层。图形转移是通过两步来完成的。首先，图形被转移到光刻胶层（图8.3）。光刻胶是和正常胶卷上所涂的物质比较相似的一种感光物质。曝光后会导致它自身性质和结构的变化。如图8.3所示，光刻胶被曝光的部分由可溶性物质变成了非溶性物质。这种光刻胶类型被称为负胶，这种化学变化称为聚合（polymerization）。通过化学溶剂（显影剂）把可以溶解的部分去掉，在光刻胶层就会留下一个孔，这个孔就是和掩膜版不透光的部分相对应的。图8.3第一次图形转移－掩膜/图形到光刻胶层ProcessStep工艺步骤Purpose目的Alignmentandexposure对准和曝光（目的是掩膜版和图形在晶圆上的精确对准，和光刻胶的曝光。负胶是聚合的）Development显影（目的是去除非聚合的光刻胶）Mask/Reticle掩膜/图形Resist光刻胶Oxidelayer氧化层Wafer晶圆第二次图形转移是从光刻胶层到晶圆层（图8.4）。当刻蚀剂把晶圆表面没有被光刻胶盖住的部分去掉的时候，图形转移就发生了。光刻胶的化学性决定了它不会在化学刻蚀溶剂中溶解或是慢慢溶解；它们是抗刻蚀的（etchresistant），因此它们称作Resist或是Photoresist。在图8.3和图8.4的例子中，晶圆表面形成了空穴。空穴的形成是由于在掩膜版上那一部分是不透光的。如果掩膜版的图形是由不透光的区域决定的，称为亮场掩膜版（clearfieldmask）（图8.5）。而在一个暗场掩膜版中，在掩膜版上图形是用相反的方式编码的。如果按照同样的步骤，就会在晶圆表面留下凸起（图8.6）。刚刚我们介绍了对光有负效应的光刻胶，称为负胶。同样还有对光有正效应的光刻胶，称为正胶。光可以改变正胶的化学结构从不可溶到可溶。这种变化称为光溶解（photosolubilization）。图8.7显示了用正胶和亮场掩膜版在晶圆表面建立凸起的情况。图8.4第二次图形转移－从光刻胶层到晶圆层ProcessStep工艺步骤Etch刻蚀（目的是将晶圆顶层通过光刻胶的开口去除）Purpose目的Photoresistremoval（strip）光刻胶去除（目的是从晶圆上去除光刻胶层）Oxidelayer氧化层Resist光刻胶Wafer晶圆图8.5掩膜/图形的极性Lightfield亮场Darkfield暗场图8.6光刻中的空穴和凸起PhotomaskingHole光刻的空穴Phtomaskingisland光刻的凸起图8.8显示了用不同极性的掩膜版和不同极性的光刻胶相结合而产生的结果。通常来讲我们是根据尺寸控制的要求和缺陷保护的要求来选择光刻胶和掩膜版极性，从而使电路工作的。这些问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 会在这一章的工艺部分讨论。光刻十步法把图像从掩膜版上转移到晶圆表面是由多个步骤来完成的（图8.9）。特征图形尺寸、对准容忍度、晶圆表面情况和光刻层数都会影响到特定光刻工艺的难易程度和每一步骤的工艺。许多光刻工艺都被定制成特定的工艺条件。然而，大部分都是基本光刻十步法的变异或选项。我们所演示的这个工艺过程是一个亮场掩膜版和负胶相作用的过程。从第1步到第7步发生了第一次图形转移。在第8,9,10步中，图形被转移到了晶圆表面层（第二次图形转移）。图8.7图形用正光刻胶和亮场掩膜版转移以建立凸起ProcessStep工艺Purpose目的Maskreticle掩膜步骤版/图形Alignmentand目的是掩膜版和晶圆Resist光刻胶Exposure对准和图形在晶圆上的Oxidelayer氧化曝光精确对准，和光刻层胶的曝光。正胶被光溶解。Development显影去除非聚合光刻晶圆胶Etch刻蚀表层去除晶圆Photoresist光刻胶去除晶圆removal光刻胶去除图8.8掩膜版和光刻胶极性的结果MaskPolarity掩膜版极性Clearfield亮场Darkfield暗场Negative负Positive正Hole空穴Island凸起PhotoresistPolartity光刻胶极性通过把基本光刻十步法列出来，并且根据不同类型的掩膜版和不同极性的光刻胶的组合把相应的截面图出来，就会很容易理解本光刻十步法的工艺过程。本书强烈建议读者，一定在精通基本光刻十步工艺之后再去学习先进的光刻工艺过程。基本的光刻胶化学光刻胶被应用在印刷工业上已经超过了一个世纪。在二十世纪二十年代，人们才发现它在印刷电路板领域可以有广泛的应用。半导体工业采纳这种技术来生产晶圆是在二十世纪五十年代。在二十世纪五十年代末，EastmanKodak和Shipley公司分别设计出适合半导体工业需要的正胶和负胶。光刻胶是光刻工艺的核心。准备、烘焙、曝光、刻蚀和去除工艺会根据特定的光刻胶性质和想达到的预期结果而进行微调。光刻胶的选择和光刻胶工艺的研发是一项非常漫长而复杂的过程。一旦一种光刻工艺被建立，是极不情愿改变的。很少有光刻工程师会冒着失去整个工艺的风险去试用一种新的光刻胶来达到某种仅仅是边际的收获。光刻胶的组成光刻胶的生产既是为了普通的需求，也是为了特定的需求。它们会根据不同的光的波长和不同的曝光源而进行调试。光刻胶具有特定的热流程特点，用特定的方法配制而成来与特定的表面结合。这些属性是由光刻胶里不同化学成分的类型、数量以及混合过程来决定的。在光刻胶里面有四种基本的成份：聚合物、溶剂、感光剂和添加剂（图8.10）。图8.9十步光刻工艺工艺步骤目的1.表面准备清洁和干燥晶圆表面2.涂光刻胶在晶圆表面均匀涂抹一薄层光刻胶3.软烘焙加热部分蒸发光刻胶溶剂4.对准和曝光目的是掩膜版和图形在晶圆上的精确对准，和光刻胶的曝光。负胶是聚合的5.显影非聚合光刻胶的去除6.硬烘焙对溶剂的继续蒸发7.显影目检检查表面的对准情况和缺陷情况8.刻蚀将晶圆顶层通过光刻胶的开口去除9.光刻胶去除将晶圆上的光刻胶层去除10.最终目检表面检查以发现刻蚀的不规则和其它问题具光敏性和对能量敏感的聚合物。对光刻胶光敏性有影响的成分是一些对光和能量敏感的特殊聚合物。聚合物是由一组一组大而且重的分子组成的，这些分子里面包括碳、氢和氧。塑料就是一种类型的聚合物。普通应用的光刻胶被设计成与紫外线和激光反应。它们称为光学光刻胶（opticalresist）。还有其它光刻胶可以与X射线或者电子束反应。在一个负胶中，聚合物曝光后会由非聚合状态变为聚合状态。实际上这些聚合物形成了一种相互连结的物质，它是抗刻蚀的物质（图8.11）。在大多数负胶里面，聚合物是聚异戊二烯类型。早期的负胶是基于橡胶类型的聚合物。Hunt公司研发了第一个人工合成的聚异戊二烯聚合物结构。当光刻胶被正常光照射也会发聚合反应。为了防止意外曝光，负胶的生产是在黄光的条件下进行的。正胶的基本聚合物是苯酚-甲醛聚合物，同样也称为苯酚-甲醛Novolak树脂（图8.12）。在光刻胶中，聚合物是相对不可溶的。在用适当的光能量曝光后，光刻胶转变成更为可溶状态。这种反应称为光溶解反应（photosolubilization）。光刻胶中光溶解部分会在显影工艺中用溶剂去掉。图8.10光刻胶成份成份功能聚合物当被对准机光源曝光时，聚合物结构由可容变成聚合（或反之）溶剂稀化光刻胶，通过旋转形成薄膜感光剂在曝光过程中控制和/或调节光刻胶的化学反应添加剂各种添加的化学成分实现工艺效果，例如染色图8.11负胶化学（a）.Double-bond:双键（b）.Unpolymerized：未聚合的Polymerized:聚合的Energy:能量图8.12苯酚-甲醛Novolak树脂结构（由:W.S.Deforest,Photoresist:MaterialandProcesses,McGraw-HillNewYork,1975）Orthoposition（2and6）:邻位（2和6）Metaposition（3and4）:间位（3和4）Paraposition（4）:对位（4）Meta-cresol:间甲酚Formaldehyde:甲醛光刻胶会和许多形式的能量反应。这些形式的能量通常是指（光能，热能等等），或者是指电磁光谱中具体的某一部分光（如UV,DUV,I-Line等）（参见曝光源部分）。在对准和曝光的章节中，会对曝光能量有详细的说明。有很多策略是专门用来实现小图形曝光的（参见正胶和负胶的比较一节）。一种是用狭波（或单波）曝光源。传统的基于Novolak的正胶已经被微调过了可以用在I-Line曝光源上。然而，在DUV曝光源上，这种光刻胶却不能很好的工作。光刻胶生产商已经发明了化学放大光刻胶（chemicallyamplifiedresists）以用在DUV曝光源上。化学放大的意思是光刻胶的化学反应会通过化学催化剂而被加快。用于X射线和电子束上的光刻胶是不同于传统的正胶和负胶的聚合物。图8.13的列表包括了用在光刻胶产品上的聚合物。正胶和负胶相对的优点以及应用会在工艺部分结尾处介绍。图8.13光刻胶比较表极感光性光刻胶聚合物性（Coul/cm2）曝光光源正性酚醛树脂（间甲酚甲醛）+3-5x10-5紫外负性聚（异戊二烯）-紫外PMMA聚（甲基甲基丙烯酸脂）+5x10-5电子束电子束/深紫PMIPK聚（甲基异丙烯基酮）+1x10-5外PBS聚（丁烯1砜）+2x10-6电子束聚（三氟乙烷基氯丙烯酸TFECA脂）+8x10-7电子束共聚物（α氰乙基丙烯酸电子束/X-射COP（PCA）α氨基乙烷基丙烯酸脂）-5x10-7线PMPS聚（甲基戊烯1砜）+2x10-7电子束溶剂。光刻胶中容量最大的成份是溶剂。溶剂使光刻胶处于液态，并且使光刻胶能够通过旋转的方法涂在晶圆表面。光刻胶是和涂料相类似的，包含有染色剂，这种染色剂在适当的溶剂中会被溶解。用于负胶的溶剂是一种芬芳的二甲苯。正胶中，溶剂是乙氧基乙醛醋酸盐或者是二甲氧基乙醛。光敏剂。化学光敏剂被添加到光刻胶中用来产生或者控制聚合物的特定反应。在负胶中，没有处理过的聚合物会和紫外光光谱上特定范围的光反应。光敏剂被加到光刻胶中用来限制反应光的波谱范围或者把反应光限制到某一特定波长的光。1在负胶中，一种称为Bis-aryldiazide的混合物被加到聚合物中来提供光敏性。在正胶中，光敏剂是O-naphthaquinonediazide。添加剂。不同类型的添加剂和光刻胶混合在一起来达到特定的结果。一些负胶包含有染色剂，它在光刻胶薄膜中用来吸收和控制光线。正胶可能会有化学的抗溶解系统。这些添加剂可以阻止光刻胶没有被曝光的部分在显影过程被溶解。光刻胶的表现要素光刻胶的选择是一个复杂的程序。主要的决定因素是晶圆表面对尺寸的要求。光刻胶首先必须有产生那些所要求尺寸的能力。除了那些还必须有在刻蚀过程中阻隔刻蚀的功能。在阻隔刻蚀的作用中，在保持有特定厚度的光刻胶层中一定不能存在针孔。另外，光刻胶必须能和晶圆表面很好的粘连，否则刻蚀后的图形就会发生扭曲，就像是如果在印刷过层中蜡纸没有和表面粘紧的话，就会得到一个溅污的图形。以上那些，连同工艺纬度和阶梯覆盖度，都是光刻胶的表现要素。在光刻胶的选择过程中，工艺工程师通常会在不同的表现因素中做出权衡的决定。光刻胶是复杂化学工艺和设备的一部分，它们必须一起工作来产生好的图形结果，并且使生产高效。分辨力在光刻胶层能够产生的最小的图形通常被作为对光刻胶的分辨力（resolutioncapability）的参考。产生的线条越小，说明分辨力越强。一种特定光刻胶的分辨力，实际是指特定工艺的分辨力，它包括曝光源和显影工艺。改变其它的工艺参数会改变光刻胶固有的分辨力。总的来说，越细的线宽需要越薄的光刻胶膜来产生。然而，光刻胶膜必须要足够厚来实现阻隔刻蚀的功能，并且保证不能有针孔。光刻胶的选择是这两个目标的权衡。纵横比（aspectratio）是用来衡量光刻胶的分辨力和光刻胶厚度之间关系的（图8.14）。纵横比是光刻胶厚度与图形打开尺寸的比值。正胶比负胶有更高的纵横比，也就是说对于一个给定的图形尺寸开口，正胶的光刻胶层可以更厚。由于正胶的聚合物分子尺寸更小，所以它可以分解出更小的图形。其实这就有点像用更小的刷子来画一条更细的线。图8.14纵横比Resist:光刻胶粘连能力作为刻蚀阻隔物，光刻胶层必须和晶圆表面层粘连很好，才能够忠实地把光刻胶层的图形转移到晶圆表面层。在半导体生产过程中，对于不同的表面，光刻胶的粘连能力是不同的。在光刻胶工艺中，有好些步骤是特意的为了增加光刻胶对晶圆表面的自然粘连能力而设计的。负胶通常比正胶有更强的粘连能力。光刻胶曝光速度，灵敏性和曝光源光刻胶对光或者射线主要的反应就是结构上的变化。一个主要的工艺参数就是反应发生的速度。反应速度越快，在光刻蚀区域晶圆的加工速度就越快。负胶通常需要5到15秒的曝光时间，然而正胶需要用上3到4倍的时间。光刻胶的灵敏性是与导致聚合或者光溶解发生所需要的能量总和相关的。另外，这种与灵敏性相关的能量又是和曝光源特定的波长有联系的。对这种属性的理解需要对电磁光谱的性质非常熟悉（图8.15）。通过这些性质我们确定了一些不同类型的能量：可见光、长波光、短波光等等。实际上它们都是电磁能量（或者射线），并且根据它们波长的不同而被区分开来，波长越短的射线能量越高。图8.15电磁光谱X-射紫外线可见红外短无线电广播无线电名称伽马射线线（UV）光线波波波长（cm）10-1110-810-610-410-3102104普通的正胶和负胶会和光谱中UV和DUV的部分反应（图8.16）。有一些光刻胶是被设计成和某一范围内特定的光波波峰反应的（图8.18g,h,Ilines）。有一些光刻胶被设计成和X射线或者电子束反应。光刻胶灵敏性，作为一个参数，是通过能够使基本的反应开始所需要的能量总和来衡量的。它的单位是毫焦每平2方厘米。能够和光刻胶反应的那些特定的波长称为光刻胶的光谱反应特征。图8.17是一种光刻胶的光谱反应特征图。光谱图中的波峰部分是携带高能量的波长区域（图8.18）。在光刻蚀工艺过程中所用的不同的光源会在“对准和曝光”章节中介绍。工艺宽容度在读者阅读光刻工艺的每一个工艺步骤的时候，应该时刻记住这样一个事实，那就是光刻工艺的根本目标就是在晶圆表面层忠实地再现所需要的图形尺寸。每一个步骤都会影响最终的图形尺寸，并且每一步工艺步骤都有它内部变异。有些光刻胶对工艺变异容忍性更强，那就是说，它们有更宽的工艺纬度。工艺纬度越宽，在晶圆表面达到所需要尺寸的可能性就越大。1图8.16紫外光和可见光光谱（由：Elliott）Wavelength:波长DUV:深紫外UV:紫外NearUV:近紫外Visible:可见图8.17曝光反应曲线（源自：ShipleyMegapositXP-89131Resist）Wavelength:波长Absorbance:吸收率图8.18汞光谱（Hg）（来自：SiliconProcessingfortheVLSIEra，WolfeandTauber）WavelengthinNM:波长（纳米）Relativeintensity:相对强度针孔针孔是光刻胶层尺寸非常小的空穴。针孔是有害的，因为它可以允许刻蚀剂渗过光刻胶层进而在晶圆表面层刻蚀出小孔。针孔是在涂胶工艺中由环境中的微粒污染物造成的，也可以由光刻胶层里结构上的空穴造成。光刻胶层越薄，针孔越多。因此，厚膜上的针孔比薄膜上的要少，但是它却降低了光刻胶的分辨力。这两个因素是光刻胶厚度选择过程中的一个典型的权衡。正胶的一个重要的优点就是更高的纵横比，这个特性能够允许正胶用更厚的光刻胶膜，达到想要的图形尺寸并且针孔更少。微粒和污染水平光刻胶，像其它的工艺化学品一样，必须在微粒含量、钠和微量金属杂质以及水含量方面能达到严格的标准。阶梯覆盖度晶圆在进行光刻工艺之前，晶圆表面已经有了很多层。随着晶圆生产工艺的进行，晶圆表面得到了更多的层。对于光刻胶阻隔刻蚀的作用，它必须在以前层上面保持有足够膜厚。光刻胶用足够厚的膜覆盖晶圆表面层的能力是一个非常重要的参数。热流程在光刻工艺过程中有两个加热的过程。第一个称为软烘焙，它是用来把光刻胶里的溶剂蒸发掉。第二个称为硬烘焙，它发生在图形在光刻胶层被显影之后。硬烘焙的目的是为了增加光刻胶对晶圆表面的粘连能力。然而，光刻胶作为像塑料一样的物质，在硬烘焙工艺中会变软和流动。流动的量会对最终的图形尺寸有重要的影响。在烘焙的过程中光刻胶必须保持它的形状和结构，或者说在工艺设计中必须要考虑到热流程带来的尺寸变化。工艺工程师的目标就是使烘焙尽可能达到高温来使光刻胶粘连能力达到最大化。这个温度是受光刻胶热流程特性限制的。总的来说，光刻胶热流程越稳定，它对工艺流程越有利。正胶和负胶的比较直到二十世纪七十年代中期，负胶一直在光刻工艺中占主导地位。随着超大规模集成电路和2微米到5微米图形尺寸范围的出现使负胶的分辨力变得吃紧。正胶存在了20多年，但是它们的缺点是粘连能力差，而且它们良好分辨力和防止针孔能力在那时也并不需要。到了二十世纪八十年代，正胶逐渐渐被接受。这个转换过程是很不容易的。转化到正胶需要改变掩膜版的极性。不幸的是，它不是简单的图形翻转。用掩膜版和两种不同光刻胶结合而在晶圆表面光刻得到的尺寸是不一样的（图8.19）。由于光在图形周围会有衍射，用负胶和亮场掩膜版组合在光刻胶层上得到的图形尺寸的要比掩膜版上的图形尺寸小。用正胶和暗场掩膜版组合会使光刻胶层上的图形尺寸变大。这些变化必须在掩膜版的制作和光刻工艺的设计过程中考虑到。换句话说，光刻胶类型的转变需要一个全新的光刻工艺。图8.19图形尺寸的变化随着：（a）亮场掩膜版和负胶组合，图形尺寸减小；（b）暗场掩膜版和正胶组合，图形尺寸增加Wafer晶圆Unpolymerizedresist非聚合光刻胶Polymerizedresist聚合光刻胶对于大多数掩膜版来说，图形大部分都是空穴。用正胶和暗场掩膜版组合还可以在晶圆表面得到附加的针孔保护（图8.20）。亮场掩膜版在玻璃表面会倾向于有裂纹。这些裂纹称为玻璃损伤（glassdamage），它会挡住曝光源而在光刻胶表面产生不希望的小孔，结果就会在晶圆表面刻蚀出小孔。那些在光刻胶透明区域上的污垢也会造成同样的结果。在暗场掩膜版上，大部分都是被铬覆盖住的，所以不容易有针孔出现。因此晶圆表面也就会有比较少的空穴。图8.20（a）有污垢和玻璃损伤裂纹的亮场掩膜版；（b）显影后在负胶上的结果Exposure曝光Chrome铬Dirt污垢GlassCrack玻璃裂纹Negativeresist负胶Oxide氧化物Wafer晶圆负胶的另一个问题是氧化。这是光刻胶和空气中氧气的反应，它能使光刻胶膜厚变薄20%。而正胶没有这种属性。成本一直是一个主要的考虑因素。正胶比负胶的成本要高，但这种高成本可以通过高良品率来抵消。这两种类型的光刻胶的显影属性也是不同的。负胶所用的显影剂非常容易得到，聚合和非聚合区域的可溶性有很大的不同。在显影过程中，图形尺寸相对保持恒定。正胶相对来讲聚合区域和非聚合区域的可溶性区别较小，它需要用仔细准备过的显影剂来显影，并且在显影过程中需要进行温度控制。溶解阻止系统被特意的加入进来，以便在显影过程中控制图形尺寸。从下一步到最后一步光刻工艺是去处光刻胶，它是在化学溶剂中或是在等离子系统中进行的。总的来说，去除正胶会比去除负胶要容易，它发生在那些受环境影响比较小的化学品中。生产先进的集成电路厂商通常会选择正胶，而对于那些图形尺寸大于2微米的工艺还是在用负胶。图8.21显示了这两种类型光刻胶属性的比较。光刻胶的物理属性光刻胶的表现要素已经被详细的说明了，所有基本光刻工艺十步法工艺都和光刻胶的物理性质和化学性质有一定联系。而这些性质都受光刻胶生产商的严格的控制。固体含量光刻胶是一种液体，它通过旋转的方法涂到晶圆表面。光刻胶留在晶圆表面的厚度是由涂胶工艺的参数和光刻胶的属性--固体含量（solidcontent）和粘度（viscosity）来决定的。图8.21正负胶比较结果参数负胶正胶纵横比（分辨力）更高粘连力更好曝光速度更快针孔数量更少阶梯覆盖度更好成本更高显影液有机溶剂水溶性溶剂光刻胶去除剂氧化工步酸酸金属工步氯化溶剂化合物普通酸溶剂光刻胶是由聚合物，光敏剂和添加剂混合在溶剂中构成的。不同的光刻胶会包含有不同数量的固体物。这个数量指的就是光刻胶的固体含量，它是由光刻胶中重3量百分比来表示的。固体含量的范围通常在20%到40%之间。粘度粘度是液体流动数量上的测量。高粘度液体，例如牵引车车油，流动较慢。低粘度液体，例如水，比较容易流动。对于这两种情况，流动的机理是一样的。当液体被灌注时，液体中的分子之间相互滚动。当分子滚动时，它们之间存在一种引力。这种引力起到了一种类似于内部摩擦力的作用。而粘度就是这种摩擦力的测量。粘度可以通过几种不同的技术方法测量。其中一种是落球粘度计量器。在这种测量仪器中，一个尺寸和重量都被测量过的球被投入到装有液体的管子中，然后纪录它通过两个标记的时间。液体粘度越高，球通过标记的时间就越长。另一种技术称为Ostwalk-Cannon-Fenske方法，它是通过测量一定量液体通过给定孔的时间。大多光刻胶生产商是通过在光刻胶中转动风向标来测量粘度的。粘度越高，在恒定速度下移动风向标所需要的力就越大。旋转风向标的测量方法说明了粘度的力相关性。粘度的单位是厘泊（centipoise）（百分之一泊）。它是以法国科学家Poisseulle命名的，Poisseulle调查研究了液体的粘性流动。Onepoise等于dynesecondper厘米。粘度单位厘泊更准确的说明了绝对粘度（absoluteviscosity）。另外一种单位称为Kinematic粘度，它是centistoke，是由绝对粘度（厘泊）除以光刻胶密度而的到的。粘度会随着温度的变化而变化；因此，它的指定值是在特定温度条件下 声明 无利益冲突声明中华医学会杂志社职业健康检查不够规范教育部留学服务中心亲友住房声明 的，通常是25C。粘度是在涂胶工艺中决定光刻胶厚度的主要参数。粘度和光刻胶固体含量密切相关。固体含量越高，光刻胶粘度就越高。表面张力光刻胶表面张力也会影响涂胶工艺的结果。表面张力是液体表面吸引力的测量（图8.22）。具有高表面张力的液体在一个平面上会不易流动。表面张力会使液体在表面或管子中拉成一球面。折射系数光刻胶的光学性质会在曝光系统中产生作用。一个性质是折射（refraction），或者说光通过一个透明或者半透明介质时会被弯曲。物体在水中的实际位置和你在水表面看到它的位置是不一样的，这种现象也是折射。这是由于光线被物质减慢而造成的。折射系数（theindexofrefraction）是光在物质中速度相对于光在空气中的速度的测量（图8.23）。它是反射角度和撞击角度的比值。对于光刻胶，它的折射率和玻璃比较接近，大约是1.45。光刻胶的存储和控制光刻胶是一种精细的高科技混合物。它们的生产是高精密度的。一旦一种光刻工艺被开发，它的持续成功是靠对工艺参数日复一日的控制和恒定的光刻胶产品。提供光刻胶批与批之间的一致性是光刻胶生产商的责任。保持光刻胶批与批之间的一致性则是使用者的责任。光刻胶的几个特性决定了光刻胶储存和控制所需要的条件。图8.22表面张力LowSurfaceTensionFromLowMolecularAttractiveFaces:低分子吸引面的低表面张力HighSurfaceTensionFromHighMolecularAttractiveFaces:高分子吸引面的高表面张力图8.23折射指数，（a）90度入射光；（b）成角度光在透明薄膜中折射ReflectiveSubstrate:反射性衬底TransparentFilm:透明薄膜光热敏感度光和热都会激化光刻胶里的敏感机制，而这些本来是应该在受控的光刻工艺过程中来完成的。光刻胶必须在存储和处理过程中受到保护，以免产生不希望的反应进而影响到光刻工艺的结果。这就是为什么在光刻工艺区域使用黄光。光刻胶使用褐色的瓶子来存储也是由于同样的原因。彩色玻璃也可以保护光刻胶，以免受到杂散光的照射。正确的光刻胶存储和运输需要把温度严格地控制在生产商所要求范围之内。粘性敏感度粘性的控制对于良好的膜厚控制是最基本的。要想保持光刻胶的粘性，光刻胶在使用之前必须保持封闭状态。打开瓶子会使光刻胶里的溶剂蒸发，光刻胶里的固体含量就会相应增加，进而光刻胶的粘性就会增强。如果光刻胶从塑料管中喷洒出来，那么这种塑料物质必须经过测试以保证光刻胶不会从这种物质中滤取可塑剂。可塑剂会增加光刻胶的粘性。光刻胶还可以存储在密封的真空袋中。光刻胶在存储和运输过程中都要受到保护。在使用过程中，光刻胶喷洒时，密封袋连续塌进，以保证空气不会到达光刻胶表面。保存期光刻胶容器都有推荐的保存期。问题还是光刻胶自身的聚合和光学溶解。随着时间的推移，光刻胶里的聚合物会发生变化，当光刻胶用于生产时它的性能就会受到影响。清洁度不用说，所有用来喷洒光刻胶的设备都保持在尽可能洁净的条件下。除了系统中颗粒污染物的影响，干化的光刻胶也会累积在光刻胶管内进而污染光刻胶，所以光刻胶管必须定期地清洗。清洗代理商必须核实它和光刻胶的兼容性。例如，TCE不能用于负胶，因为它能在光刻胶中产生气泡。光刻工艺接下来的部分要来介绍基本的光刻工艺十步法。其中包括每一步的目的、技术考虑和挑战、选项和工艺控制方法。表面准备贯穿全文，我们会用不同的类推方法来帮助读者理解复杂的工艺过程。对于光刻工艺的一个很好的类比就是涂漆工艺。即使是一个业余的油漆匠也会很快学会，要想最终得到一个平滑而且结合很好的膜，表面必须干燥而且干净。这个道理在光刻工艺过程中也同样适用。为确保光刻胶能和晶圆表面很好粘贴，必须要进行表面准备。这一步骤是由三个阶段来完成的：微粒清除，脱水，涂底胶。微粒清除晶圆几乎总是从一个清洁的区域来到光刻蚀区域的，例如氧化、掺杂、化学汽相淀积（oxidation,doping,CVD）然而，晶圆在存储，装载，和卸载到片匣过程中，可能会吸附到一些颗粒状污染物，而这些污染物是必须要被清除掉的。根据污染的等级和工艺的需要，可以用几种不同的微粒清除方法（图8.24）。最极端的情况是，可能会给晶圆进行化学湿法清洗，这种方法和氧化前清洗比较相似，它包括酸清洗，水冲洗，和烘干。所使用的酸必须要和晶圆表面层兼容。微粒清除方法和第7章所介绍的是一样的：手动气吹，机械洗刷，和/或者高压水喷溅。图8.24旋转前晶圆清洗方法高压氮气吹除化学湿法清洗旋转刷刷洗高压水流脱水烘焙我们已经提到过，晶圆表面必须要干燥以增加它的粘贴能力。一个干燥的表面称作憎水性（hydrophobic）表面，它是一种化学条件。在憎水性表面上液体会形成小滴，例如水在刚刚打完蜡的汽车表面上会形成好多小水珠。憎水性表面有益于光刻胶的粘贴（图8.25）。晶圆在进行光刻蚀加工之前表面通常是憎水性的。不幸的是，当晶圆暴露于空气中的湿气或是清洗结束后的湿气时，表面会变成亲水性（hydrophilic）。在这种条件下液体会在晶圆表面形成一个比较大的水洼，就像是水在没有打蜡的汽车表面一样。亲水性表面同时也称作含水的表面。在含水的表面光刻胶不能很好粘贴（图8.25）。有两个重要的方法来保持一个憎水性表面。一种方法是把室内湿度保持在50%以下，并且在晶圆完成前一步工艺之后尽可能快地对晶圆进行涂胶。另一种方法是把晶圆存储在用干燥并且干净的氮气净化过的干燥器中，或者存储在干燥的小环境中，例如SMIF盒子（见第四章）。为了使晶圆表面达到可以接受的粘贴属性，需要加入一些附加的步骤。这些步骤包括：脱水烘焙和涂底胶。一个加热的操作可以使晶圆表面恢复到憎水性条件。针对三种不同的脱水机制脱水烘焙有三种温度范围。在150到200摄氏度的温度范围内（低温），晶圆表面会被蒸发。到了400摄氏度（中温），和晶圆表面结合比较松水分子会离开。当温度超过750摄氏度（高温）时，晶圆表面从化学性质上讲恢复到了憎水性条件。图8.25亲水性表面与厌水性表面对照HydrophilicSurface:亲水性表面HydrophobicSurface:厌水性表面在大多数光刻蚀工艺中，只用低温烘焙。因为低温的温度范围可以通过热板，箱式对流传导或者真空烤箱很容易的达到。低温烘焙的另一个好处就是在进行旋转工艺之前不用花费很长的时间等待晶圆冷却，系统可以很容易地把这一步和旋转烘焙结合起来，进而形成脱水-旋转-烘焙系统。这些加热系统的解释在“软烘焙”一节中。高温烘焙很少用到。一个原因是750摄氏度高温通常只能通过管反应炉才能达到，而那些管反应炉都比较大，而且不能和旋转烘焙工艺结合。第二个原因就是温度本身。在750摄氏度高温下，晶圆内掺杂结合处能够移动（那不是所希望的）并且晶圆表面的可移动离子污染物可以移入晶圆内部，从而造成器件可靠性和功能的问题。晶圆涂底胶除了脱水烘焙外，晶圆还可以通过涂化学底胶步骤来保证它能和光刻胶粘贴的很好。涂漆时，所选择的底漆有很好的吸附表面的功能并且能够为正式涂漆提供一个平滑的表面。在半导体光刻蚀工艺中，底胶的作用是和这一点比较相似的。底4胶从化学上把晶圆表面的水分子系在一起，因此增加了表面的粘附能力。有好些化学品提供了涂底胶的功能，但是目前被广泛应用着的是六甲基乙硅烷（HMDS）。HMDS是由IBM公司的R.H.Collins和F.T.Deverse发明的，它的说明在美国专利3,549,368中有所说明。HMDS是由在溶液中混合了10%到100%二甲苯而得到的。而准确的混合物是由洁净室里的环境因素和特定的晶圆表面来决定。和涂漆的底胶不一样，几个分子厚的底胶就足够具有提供粘附催化剂的作用了。沉浸式涂底胶给晶圆涂底胶最简单的方法是把晶圆浸渍在一烧杯液体中。但这种方法的缺点是只能进行手动操作，而且会使晶圆在HMDS中暴露于污染物。旋转式涂底胶对于大多数光刻蚀工艺，晶圆是在光刻胶涂胶吸盘上来进行涂底胶的（图8.26）。HMDS是以手动或者自动的方式从注射器中喷洒出来的。自动旋转器（看下一节）有一个单独的系统，它用来在涂光刻胶之前在晶圆表面喷洒HMDS。当旋转的晶圆涂完HMDS后，吸盘的转速被提高以便使HMDS层干燥。旋转式涂底胶最大的好处是它可以和涂光刻胶步骤在一起连续地进行。蒸汽式涂底胶浸泡式涂底胶和旋转式涂底胶都要求HMDS液体和晶圆表面直接的接触。每当晶圆和液体接触时，晶圆就会有被污染的危险。另外一个考虑就是在涂光刻胶之前HMDS层必须要被干燥，湿HMDS会溶解光刻胶层底部，并且会干涉曝光，显影和刻蚀。最后一点是，HMDS相对比较昂贵，在旋转式涂胶过程中大量的HMDS被喷洒在晶圆表面以确保足够的覆盖面，而其中大部分HMDS都被浪费掉了。以上所考虑的那些问题可以通过蒸汽式涂底胶来解决。蒸汽式涂底胶通过三种形式来实践的。两种形式是在常压下进行的，一种是在真空中进行的（图8.27）。其中一种常压系统采用一个带有喷水式日饮水口的反应室和干燥反应室相连。氮气以气泡状通过HMDS并且携带着HMDS进入反应室，晶圆就在这个反应室中进行涂胶。另一种常压系统采用一个存有液体HMDS的蒸汽脱脂器给HMDS加热至沸点，之后晶圆被悬置于蒸汽中进行涂胶。图8.26底胶旋转喷洒Resist:光刻胶Primer:底胶器Wafer:晶圆Chuck:吸盘Vacuum:真空图8.27蒸汽式涂底胶法（a）常压式；（b）真空烘焙式蒸汽涂底胶Carriergas:运载空气Prime:底胶Vapor:蒸汽Vacuum:真空第三种蒸汽技术是真空蒸汽涂底胶，它用一个密封的HMDS长颈瓶和一个真空烤箱或是单一晶圆反应室相连。刚开始晶圆在充满氮气的烤箱中被加热。在温度达到150C后，反应室切换成真空。一旦达到真空水平，阀门打开并且HMDS蒸汽通过负压被吸入反应室。在反应室内，当蒸汽充满整个反应室时，晶圆就会被彻底的涂底胶。即使在高湿度环境中，这种方法也显示了很好的粘贴寿命。真空蒸汽涂底胶的另一个好处就是能和脱水烘焙，涂胶步骤合并在一起，并且它能非常显著降低HMDS的使用量。真空蒸汽涂底胶在光刻工艺过程中增加了额外的一步，它是在箱式烤箱中完成的。许多自动涂胶器系统中都包括有真空蒸汽涂底胶器。涂光刻胶涂胶工艺的目的就是在晶圆表面建立薄的、均匀的、并且没有缺陷的光刻胶膜。这些好的质量很容易说到，但是它却需要用精良设备和严格的工艺控制才能达到。一般来说，光刻胶膜厚从0.5微米到1.5微米不等，而且它的均匀性必须要达到只有正，负0.01微米的误差。也就说，对于1.0微米厚的光刻胶膜只有1%的变化。普通的光刻胶涂胶方法有三种方法：刷法、滚转方法和浸泡法。但是这三种方法中没有一种能够达到光刻胶工艺所要求的质量标准。在涂底胶的那一节中我们简单地介绍旋转涂胶方法，这也就是我们普遍应用的涂胶方法。涂胶器有手动的，半自动的，和全自动的设计。自动化程度不同，所应用的系统也会不同。在下文我们会有所介绍。然而，每个系统光刻胶膜的沉积确实是共通的。涂胶工艺被设计成防止或是降低晶圆外边缘部分光刻胶的堆起。称为边缘水珠（edgebead），这种堆起会在曝光和刻是过程中造成图形的变形。静态涂胶工艺晶圆在涂完底胶之后会停在针孔吸盘上面，这就为下一步涂胶工艺准备好了。几立方厘米的光刻胶被堆积在晶圆的中心（图8.28）并且允许被涂开成一个小的水洼，这个小的水洼被继续涂开直到光刻胶覆盖了晶圆的大部分。水洼的大小是一个工艺参数，它是由晶圆的大小和所用光刻胶的类型决定。所涂光刻胶总量的大小是非常关键的。如果量少了会导致晶圆表面涂胶不均，如果量大了会导致晶圆边缘光刻胶的堆积或是光刻胶流到晶圆背面（图8.29）。当水洼达到规定的直径，吸盘会很快的加速到一个事先定好的速度。在加速过程中，离心力会使光刻胶相晶圆边缘部扩散并且甩走多余的光刻胶，只把平整均匀的光刻胶薄膜留在晶圆表面。在光刻胶被分散开之后，高速旋转还会维持一段时间以便使光刻胶干燥。光刻胶膜的最终厚度是由光刻胶粘度，旋转速度，表面张力和光刻胶的干燥属性来决定。实践中，表面张力和干燥属性时光刻胶的自身性质，粘度和转速之间的关系是由光刻胶供应商所提供的曲线来决定的或者是根据特定的旋转系统而建立的。图8.28静态旋转工艺Apply:涂胶Spread:铺展Spin:旋转Vacuum:真空HighRPM:高转速图8.29光刻胶覆盖ResistDeposit:光刻胶浇注InsufficientCoverage:不充分覆盖CompleteResistCoverage:完整光刻胶覆盖ExcessiveResist:过多光刻胶AfterSpin:旋转后图8.30光刻胶厚度与旋转速度对照（承蒙KTIChemicals允许）SpinSpeed（RPM）:转速（RPM）ResistThickness（Angstroms）:光刻胶厚度（埃）尽管旋转速度被指定来控制光刻胶膜厚，但是最终膜厚是由实际的旋转加速度来建立的。涂胶器的加速属性必须被详细说明，而且它必须被定期维护以保证它在旋转工艺中保持恒定。动态喷洒在20世纪70年代，大直径晶圆对均匀光刻胶膜的需求促成了动态旋转喷洒技术的研发（图8.31）。对于这种技术，晶圆在以500rpm低速旋转的时候，光刻胶被喷洒在晶圆表面。低速旋转的作用是帮助光刻胶最初的扩散。用这种方法我们可以用较少量的光刻胶而达到更均匀光刻胶膜。光刻胶扩展开之后，旋转器加速至高速来完成最终的光刻胶扩展并得到薄而且均匀的光刻胶膜。图8.31动态旋转喷洒LowRPM:低转速Vacuum:真空HighRPM:高转速移动手臂喷洒动态喷洒技术的一项提高是进一步的移动手臂喷洒（图8.31）。手臂从晶圆的中心向晶圆的边缘缓慢的移动。这个动作会给最初和最后一层带来更好的表面均匀性。移动手臂喷洒，还能节省光刻胶，特别是对于大直径晶圆。手动旋转器手动旋转器是一个简单的机器，它包括从一个到四个真空吸盘，一个马达，一个转速计，和一个用来连结真空的接口。每个头用一个捕获杯包围着，用来收集剩余的光刻胶，并且把那些光刻胶输导到一个收集容器中。捕获杯也是用来预防晶圆加速旋转时把光刻胶从晶圆表面甩走。这个工艺是用氮气枪来去除微粒开始的。晶圆被用镊子或是真空吸笔固定在探头上，吸盘的真空同时也被打开。接着HMDS从注射器或者是压榨瓶中喷洒到晶圆表面，晶圆同时也在旋转和烘干。最后，光刻胶水洼从另外的注射器或者是压瓶中喷洒到晶圆表面。大多数在手工旋转器商进行的涂胶工艺使用的是静态喷洒方法。图8.32移动手臂喷洒ApplywithMovingArm:使用移动手臂涂胶Vacuum:真空Spread:铺展HighRPM:高转速自动旋转器一个半自动涂胶器增加了光刻胶自动吹气，光刻胶喷洒，和旋转周期的功能。氮气吹气是通过真空吸盘上面一个单独的管子来完成的。这个管子连接着加压的氮气源（图8.33）。在喷洒反应室里面还有一个用来涂底胶的管子和一个光刻胶喷洒管。光刻胶管子是从加压氮气容器或者是通过隔膜泵来供给光刻胶的。由于氮气会被吸收到光刻胶里面，所以工业上基本上已经不再用氮气加压光刻胶喷洒系统了。在光刻胶喷洒周期完成之后，氮气会从光刻胶里面出来，这样会在光刻胶膜上留下小孔。而隔膜泵则不会出现这样的问题。图8.33自动旋转器图示AutoWaferLoad:自动晶圆装载ToExhaust:通向排气N2OBlowOff:N2O吹除SpinMotor:旋转电机Vacuum:真空CatchCup:捕获杯Primer:底胶器Resist:光刻胶TransfertoCassetteorSoftBake:传送到晶圆盒或软烘焙图8.34有回吸自动喷洒NoDrawback:无回吸WithDrawback:有回吸ResistBall:光刻胶球SolventEvaporation:溶剂蒸发自动光刻胶喷洒器具备负压的功能，它能在光刻胶喷洒操作完成之后自动地把光刻胶吸回到喷洒管中。这个回吸功能，减少了管子中光刻胶暴露的表面，从而防止了暴露的光刻胶会干化成硬球儿而落到晶圆表面（图8.34）。对于一个全自动系统，所有的旋转工艺事件是用微处理器来控制的。这个系统能够把自动地晶圆从片匣中取出来放在吸盘上，进行喷洒和烘干，这些操作完成之后再把晶圆放回到片匣中。标准的系统配置是一条流水线，就像是轨道。生产上的涂胶机一般会有二个到四个轨道。一个完整的系统可以包括一个晶圆清洗模块、脱水涂底胶模块、涂胶模块，伴随着晶圆上载和下载装置还会有软烘焙箱。背面涂胶在某些器件的工艺中，需要在光刻过程中保持晶圆背面氧化物的存在。一种方法是通过在晶圆背面涂光刻胶来完成。这种背面涂胶的要求仅仅是一个足够厚的光刻胶膜来阻隔刻蚀。通常晶圆是在正面涂胶完成之后通过一个滚动机在晶圆背面进行涂胶的（图8.35）。另外还有一种背面刻蚀保护系统，它是通过在晶圆背面附加上一种塑料薄片来达到的。软烘焙软烘焙是一种以蒸发掉光刻胶中一部分溶剂为目的的加热过程。软烘焙完成之后，光刻胶还保持“软”状态，而不是被烘焙成像灰烬一样。蒸发溶剂有两个原因。溶剂的主要作用是能够让光刻胶在晶圆表面涂成一薄层，在这个作用完成以后，溶剂的存在干扰余下的工艺过程。第一个干扰是在曝光的过程中发生的。光刻胶里面的溶剂会吸收光，进而干扰光敏感聚合物中正常的化学变化。第二个问题是和光刻胶粘连有联系的。通过涂漆工艺的理解，我们可以知道光刻胶的烘干（溶剂的蒸发）会帮助光刻胶和晶圆表面更好的粘结。图8.35滚动机涂胶ResistinDoctorBar:刮柄内的光刻胶Pump:泵Roller:滚动机CoatedWafer:已涂胶晶圆ResistSupply:光刻胶供给MylarBelt:聚酯带时间和温度是软烘的参数，它们是由评估矩阵来决定的。在光刻过程中，两大主要目标是正确的图形定义和在刻蚀过程中光刻胶和圆胶表面好的粘连。这两个目标都会受软烘温度的影响。不完全烘焙会在曝光过程中造成图像成形不完整和在刻蚀过程中造成多余的光刻胶漂移。过分烘焙会造成光刻胶中的聚合物产生聚合反应，并且不和曝光射线反应。光刻胶供应商会提供软烘温度和时间的范围，之后光刻工程师再把这些参数优化。负胶必须要在氮气中进行烘焙，而正胶可以在空气中烘焙。软烘焙的方法很多，它们是通过设备和三种热传导方法组合来完成的。热传递的三种方式是：传导、对流和辐射。热传导是热量通过直接接触物体的热表面传递。热板就是通过热传导加热。在热传导过程中，热表面的振动原子使待加热对象的原子也振动起来。由于它们的振动和碰撞，这些原子就会变热。一些脱水烘焙在对流烘箱中进行。使用对流加热的系统包括：家用强制对流炉、电吹风、空气和氮气烘箱，以及氧化炉。在这些系统中，一个装置将气体加热，然后利用鼓风机或压力将气体推向一个空间，这样一来，能量就传递给了物体。第三种方式是辐射。辐射这个词所描述的是电磁能量波在空间的传播。辐射波在真空和气体中都能够传播。太阳就是通过辐射将热量传递给地球的。加热灯也是靠辐射传递热量。辐射是RTP（RapidTemperatureProcess）系统所使用的加热方式。当物体受到辐射时，由波夹带着的能量直接传递给物体的分子。对流烘箱对流烘箱是非自动化生产线的主要烘焙设备（图8.36）。它是一个在隔热封闭环境中的不锈钢反应室。环绕反应室的管道提供氮气或空气，气体在被导入反应室前先经过一个加热器加热。反应室内配有放置晶圆承片器的搁架。承片器要在烘箱中停留预先设定的一段时间，这时加热气体会把它们的温度升高。在VLSI应用中使用的对流烘箱有比例调节器和高效过滤器（HEPA），用以保持洁净的烘焙环境。使用对流烘箱做软烘焙有几个缺点。第一是批与批之间的温度变异。这些变异来自：装载晶圆时门打开时间的长短，装载量，烘箱中所有部件达到恒定温度的不同时间。在烘箱中，不同位置的升温速度不同，这是由气体流量决定的。一个与对流加热相关联的工艺问题是光刻胶层的顶部有“结壳”的趋势，使溶剂存留在光刻胶中。手工热板在手工和实验室操作中，软烘焙经常使用一种简易的热板。把晶圆放在一个铝制夹具上，夹具有一个钻孔，里面装有一个刻盘温度计。晶圆被放在安装在热板上的夹具上（图8.38）。操作员监控温度计上温度的升高，当达到适当的温度时，将夹具移开。用一个控制良好的热板可得到有效的软烘焙。热板的一个工艺优势是它的背面加热。由于晶圆背面通过热传导受热，光刻胶层的表面就不会“结壳”，也就不会出现溶剂存留在光刻胶中的情况。热板加工依赖于操作员，且生产效率低。图8.36对流烘箱HeatedGas:加热气体Heater:加热器图8.37烘箱的结壳效应HotN2:热氮气Crust:硬壳Photoresist:光刻胶Wafer:晶圆图8.38（a）手工热板;（b）内置连续式热板;（c）内置式单片晶圆热板Lab:实验室MovingBeltConductor:移动带导热器In-Line:内置内置式单片晶圆热板热板加热的背面优势可以通过轨道系统获得。把单片晶圆热板装入回转系统中。晶圆离开回转器后被放在热板上，用真空将其固定在上面。晶圆和光刻胶被加热事先设定的一段时间，然后释放真空，晶圆被移至载片器中。为去掉溶剂蒸汽，这些内置系统要连接到工厂的排风系统上。移动带式热板在集成系统中，使用单片晶圆热板在生产率上的局限在于回转工步的总体时间。典型的回转时间为20~40秒，这就意味着要想使晶圆连续不停的“流动”，软烘焙就必须在这个时间范围内完成。这个时间长度对某些光刻胶和某些工艺来说太短了。解决这个问题的一个方法就是使用移动带式热板。把晶圆放到加热过的移动钢带上，设定温度和钢带速度以满足软烘焙的要求。这样就可以使晶圆连续不断的“流动”。移动带式红外烘箱对快速、均匀和不结壳的软烘焙方法的渴望，使得红外（IR）辐射源得以发展（图8.39）。红外烘焙比传导式烘焙要快得多，而且是“由内至外”加热。由内至外烘焙就是利用传导式热板烘焙的原理。红外波穿过光刻胶涂层，但并不将其加热。很像是日光穿过一扇窗，但并不给窗加热。然而，晶圆吸收了能量，变热，继而从底部加热光刻胶涂层。微波烘焙作为软烘焙加热源，微波具有红外线加热的优点，而且由于微波所带的能量更高，因此加热速度更快。软烘焙温度在1分钟内就完全可以达到。简短的时间适用于“载片器上”软烘焙。在回转后，立刻将微波源导向晶圆，从而完成软烘焙（图8.40）。真空烘焙对于一定数量的工艺步骤，真空烘焙提供了几大优点。真空烘箱与对流烘箱构型相似，只不过是连接到一个真空源。真空对于蒸发过程特别有效，这是因为减小的压力有助于溶剂的蒸发，于是就减少了对温度的依赖。然而，对于软烘焙，晶圆必须加热到一个均衡的温度。由于在真空烘箱中加热是靠热反应室内壁向晶圆辐射，由此就会产生一个问题。这种热传递方式有时被称作瞄准线式，因为为得到均匀性，每片晶圆都必须有各自对热源的明确的瞄准线。在一个箱型真空烘箱中，排满了竖直夹持晶圆的承片器，这个条件就不能满足。大多数真空烘箱所得到的温度均匀性都很差。图8.39移动带式红外（IR）加热FromSpinner:自旋转器图8.40微波加热MicrowaveSource:微波源Vacuum:真空真空和均匀热板加热的益处可以通过内置式，单片晶圆热板系统获得。图8.41的表格总结了各种不同的软烘焙方式。对准和曝光对准和曝光（A&E），从名字中可以看出这是一个双重作用的光掩膜过程。A&E的第一步是把所需图形在晶圆表面上定位或对准。第二步是通过曝光灯或其它辐射源将图形转移到光刻胶涂层上。前面提到过，