Yield Engineering Systems-HMDS VAPOR PRIME 工藝應(yīng)用說明

摘要
自 70 年代初以來，旋轉(zhuǎn)分配的 HMDS 底漆已被用于提高光刻膠對(duì)基材的附著力。 目前，HMDS 氣相底漆已成為一種成熟且廣泛使用的光刻膠涂層技術(shù)。 由于減少了化學(xué)品消耗，并且經(jīng)過處理的表面在數(shù)周內(nèi)保持化學(xué)穩(wěn)定性，因此蒸汽底漆更安全、更便宜。 在這篇綜述論文中，我們討論了蒸汽灌注程序的各個(gè)方面； 旋涂、軌道分配HMDS 程序與 YES -HMDS Vapor Prime Oven 系統(tǒng)之間的比較結(jié)果。 我們還提供了一個(gè)統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn) (DOE) 的示例，用于優(yōu)化特定應(yīng)用的過程參數(shù)，并總結(jié)了在德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn) (DOE) 的結(jié)果。

介紹
HMDS（六甲基二硅烷）首先在美國(guó)專利 3,549,368 中由 IBM 的 R. H. Collins 和 F. T. Devers (1970) 描述為半導(dǎo)體應(yīng)用的光刻膠粘合促進(jìn)劑。 從那時(shí)起，HMDS 蒸氣底漆已成為光刻膠涂層應(yīng)用中一種廣為人知的首選技術(shù)。 它允許減少化學(xué)消耗，可以在數(shù)周內(nèi)保持化學(xué)穩(wěn)定性（Ut，UCB）。 除了適當(dāng)?shù)母街�力外，表面水分也是一個(gè)主要因素，它也會(huì)降低抗蝕劑的附著力，并可能導(dǎo)致抗蝕劑圖案剝落或通過抗蝕劑下的裂縫進(jìn)行不需要的橫向蝕刻。 YES Vacuum Vapor prime 提供了在同一工藝室中結(jié)合脫水和灌注的優(yōu)勢(shì)。
 

“Yield Engineering Systems 結(jié)合了最有效的真空烘烤和蒸汽底漆應(yīng)用方法。通過使用相同的腔室，該系統(tǒng)為脫水和蒸汽灌注創(chuàng)造了一個(gè)加熱的真空環(huán)境，大大降低了晶片再水化或污染的風(fēng)險(xiǎn)。”

– 普林斯頓大學(xué)，微/納米制造實(shí)驗(yàn)室

HMDS (六甲基二硅氮烷 ) 工藝:

HMDS 與氧化物表面反應(yīng)形成強(qiáng)鍵，如圖 1 所示，但同時(shí)留下自由鍵與光刻膠反應(yīng)并提高附著力。
 

*圖 1：用 HMDS 處理的氧化硅表面的行為。
 

使用脫水烘烤（YES 工藝）對(duì) HMDS 進(jìn)行蒸汽灌注 : HMDS 將束縛水合晶片表面的分子水并隨著晶片表面變得更加疏水而增加液體接觸角。 還需要初始高溫烘烤和脫水過程，以對(duì)基材進(jìn)行均勻穩(wěn)定的蒸汽底漆處理。 在 HMDS 應(yīng)用之前需要這樣一個(gè)完整的脫水過程來產(chǎn)生穩(wěn)定的表面，如圖 2 所示。
 

圖 2：在 HMDS 工藝之前經(jīng)過和不經(jīng)過脫水的 HMDS 涂層表面的行為

HMDS 主要性能比較研究極端亞微米范圍內(nèi)的關(guān)鍵特征尺寸不斷減小，因此在其制造過程中需要卓越的光刻程序。 光刻膠的附著力一直備受關(guān)注，因?yàn)樗�直接影響蝕刻圖像關(guān)鍵尺寸的控制。 因此，HMDS 工藝也已在各種涂布機(jī)軌道上實(shí)施，并取得了不同程度的成功。

SVG Coater Track 與 YES HMDS Vapor Prime 工藝Kate O’Brien 在加州大學(xué)伯克利分校的 Marvell 納米實(shí)驗(yàn)室研究了各種常用 HMDS 應(yīng)用方法的 HMDS 啟動(dòng)效應(yīng)。 在她的研究中，通過使用各種技術(shù)比較處理過的樣品上的水滴接觸角行為來監(jiān)測(cè)不同 HMDS 技術(shù)的效果。 處理后立即從三個(gè)不同的 YES HMDS Vapor Prime 程序收集的接觸角圖像和接觸角數(shù)據(jù)，帶有 SVG 涂布機(jī)軌道和鼓泡槽，如圖2 所示。所有三個(gè) YES HMDS 程序都證明了與 帶起泡器的濕罐和流行的 SVG 涂布機(jī)軌道。
 

*圖 3：接觸角與從每次處理后立即收集的各種 HMDS 應(yīng)用方法獲得的相關(guān)接觸角圖像的比較。

在這項(xiàng)研究中，接觸角也進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)三周的監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖 3 所示。所有樣品都表現(xiàn)出良好的長(zhǎng)期表面穩(wěn)定性，所有三個(gè)樣品使用 YES HMDS 蒸汽底漆爐底漆都表現(xiàn)出一貫的優(yōu)異性能
 

* 圖 4：使用各種 HMDS 技術(shù)處理的樣品的長(zhǎng)期接觸角行為。

*圖 1、3 和 4 經(jīng)加州大學(xué)伯克利分校的 Marvell 納米實(shí)驗(yàn)室許可重印，來自 Kate O’Brien 關(guān)于 HMDS 應(yīng)用方法的報(bào)告。

旋涂與 YES HMDS Vapor Prime 工藝

在 UTD 上進(jìn)行了 YES 蒸氣灌注和傳統(tǒng)自旋灌注程序之間類似的壽命比較研究，兩種方法的實(shí)驗(yàn)行為如圖 4 所示。圖 4 中的曲線顯示了蒸氣灌注晶片上的穩(wěn)定接觸角 至少兩周，而旋涂底漆晶片的接觸角在三天后降到推薦的接觸角以下。
 

** 圖 5：蒸汽底涂晶片的接觸角穩(wěn)定性和壽命行為顯示出良好的穩(wěn)定性至少兩周，旋涂底涂晶片的接觸角在三天后降到推薦接觸角以下。

III: DOE 中的 HMDS 工藝特征
統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn) (DOE) 是半導(dǎo)體工藝表征中的一種流行技術(shù)。 已報(bào)告的 HMDS 工藝 DOE 在脫水烘烤、分配時(shí)間、分配流速和化學(xué)反應(yīng)時(shí)間的影響方面都表現(xiàn)出良好的一致性。 以類似的方式，統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)旨在研究烤箱溫度 (°C) 和初始持續(xù)時(shí)間 (秒) 的影響以及溫度*時(shí)間的相互作用。

設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)在 UT Dallas 潔凈室進(jìn)行，收集接觸角數(shù)據(jù)用于效果和相互作用分析。 DOE 的響應(yīng)是在實(shí)驗(yàn)期間收集的后處理接觸角 (°)。 SAS Institute JMP 4.0 軟件用于對(duì)收集的過程結(jié)果進(jìn)行建模。 請(qǐng)參閱文檔“HMDS 過程設(shè)置”#SP2003-LI-001 版權(quán)所有 © 2003 達(dá)拉斯德克薩斯大學(xué)，了解實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)。

** 表 1. 效果測(cè)試總結(jié)

各種影響和相互作用的測(cè)試結(jié)果匯總在表 2 中。表 2 以數(shù)字方式顯示蒸氣初始時(shí)間對(duì)接觸角的影響最大，其次是溫度 * 初始時(shí)間的相互作用，最后是溫度。 這些影響分別在圖 6 (a)、(b) 和 (c) 中進(jìn)行了圖示。
 

Prime Time (b)  Temperature* Prime Time (c) Temperature

**圖 6：圖 a、b 和 c 分別以圖形方式描繪了蒸汽黃金時(shí)間效應(yīng)。

** 表 2、圖 5 和圖 6 中的 DOE 實(shí)驗(yàn)結(jié)果經(jīng)德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校 Erik Jonsson 工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院許可轉(zhuǎn)載，文檔“HMDS Process Setup”# SP2003-LI-001 版權(quán)所有 © 2003 德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校。

IV: YES HMDS工藝:
腔室泵清洗循環(huán)：沉積過程從泵開始，并在初始烘烤 10 分鐘后清洗 150C 預(yù)熱真空室的循環(huán)，以適當(dāng)?shù)厥够�板脫水�?將腔室抽真空至低壓并重新充入純氮?dú)鈹?shù)次以完全去除水蒸氣。 最初的可編程預(yù)熱脫水步驟提供了足夠的加熱時(shí)間來將晶片預(yù)熱到 150°C 的工藝溫度。 典型的 YES-58TA HMDS Vapor Prime 工藝循環(huán)如圖 9 所示。
 

圖 7：典型的 YES-58TA HMDS Vapor Prime 工藝循環(huán)。

Vapor Prime：循環(huán)吹掃完成后，工藝室將降低 1 T 壓力，比打開蒸汽閥之前裝有 HMDS 化學(xué)品的燒瓶真空度更高。 當(dāng)蒸氣閥打開時(shí)，腔室將化學(xué)蒸氣吸入腔室。 HMDS 蒸氣然后與晶片反應(yīng)。 5 分鐘的汽化時(shí)間通常是晶圓廠對(duì)裸硅晶圓進(jìn)行底漆處理的標(biāo)準(zhǔn)。 汽化時(shí)間是可調(diào)的，可以根據(jù)需要增加，以確保對(duì)各種類型的表面進(jìn)行底漆處理。

工藝流程圖：整個(gè)脫水和初始工藝可分為四個(gè)不同的工藝步驟，如圖 8 所示
 

圖 8：YES-58TA HMDS Vapor Prime 工藝流程圖

HMDS 工藝驗(yàn)證：通常通過在工藝室中包含監(jiān)控晶片并使用測(cè)角儀監(jiān)控工藝前后的接觸角來驗(yàn)證工藝結(jié)果。