Yield Engineering Systems-HMDS VAPOR PRIME 工藝應用說明
摘要
自 70 年代初以來，旋轉分配的 HMDS 底漆已被用于提高光刻膠對基材的附著力。 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。 由于減少了化學品消耗，并且經(jīng)過處理的表面在數(shù)周內(nèi)保持化學穩(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)之間的比較結果。 我們還提供了一個統(tǒng)計設計實驗 (DOE) 的示例，用于優(yōu)化特定應用的過程參數(shù)，并總結了在德克薩斯大學達拉斯分校進行的統(tǒng)計設計實驗 (DOE) 的結果。
介紹
HMDS（六甲基二硅烷）首先在美國專利 3,549,368 中由 IBM 的 R. H. Collins 和 F. T. Devers (1970) 描述為半導體應用的光刻膠粘合促進劑。 從那時起，HMDS 蒸氣底漆已成為光刻膠涂層應用中一種廣為人知的首選技術。 它允許減少化學消耗，可以在數(shù)周內(nèi)保持化學穩(wěn)定性（Ut，UCB）。 除了適當?shù)母街ν猓砻嫠忠彩且粋�主要因素，它也會降低抗蝕劑的附著力，并可能導致抗蝕劑圖案剝落或通過抗蝕劑下的裂縫進行不需要的橫向蝕刻。 YES Vacuum Vapor prime 提供了在同一工藝室中結合脫水和灌注的優(yōu)勢。
“Yield Engineering Systems 結合了最有效的真空烘烤和蒸汽底漆應用方法。通過使用相同的腔室，該系統(tǒng)為脫水和蒸汽灌注創(chuàng)造了一個加熱的真空環(huán)境，大大降低了晶片再水化或污染的風險。”
– 普林斯頓大學，微/納米制造實驗室
HMDS (六甲基二硅氮烷 ) 工藝:
HMDS 與氧化物表面反應形成強鍵，如圖 1 所示，但同時留下自由鍵與光刻膠反應并提高附著力。
*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 HMDS 進行蒸汽灌注 : 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，以對基材進行均勻穩(wěn)定的蒸汽底漆處理。 在 HMDS 應用之前需要這樣一個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注，因為它直接影響蝕刻圖像關鍵尺寸的控制。 因此，HMDS 工藝也已在各種涂布機軌道上實施，并取得了不同程度的成功。
SVG Coater Track 與 YES HMDS Vapor Prime 工藝Kate O’Brien 在加州大學伯克利分校的 Marvell 納米實驗室研究了各種常用 HMDS 應用方法的 HMDS 啟動效應。 在她的研究中，通過使用各種技術比較處理過的樣品上的水滴接觸角行為來監(jiān)測不同 HMDS 技術的效果。 處理后立即從三個不同的 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 涂布機軌道和鼓泡槽，如圖2 所示。所有三個 YES HMDS 程序都證明了與 帶起泡器的濕罐和流行的 SVG 涂布機軌道。
*圖 3：接觸角與從每次處理后立即收集的各種 HMDS 應用方法獲得的相關接觸角圖像的比較。
在這項研究中，接觸角也進行了長達三周的監(jiān)測，結果如圖 3 所示。所有樣品都表現(xiàn)出良好的長期表面穩(wěn)定性，所有三個樣品使用 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 技術處理的樣品的長期接觸角行為。
*圖 1、3 和 4 經(jīng)加州大學伯克利分校的 Marvell 納米實驗室許可重印，來自 Kate O’Brien 關于 HMDS 應用方法的報告。
旋涂與 YES HMDS Vapor Prime 工藝
在 UTD 上進行了 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，兩種方法的實驗行為如圖 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)計設計實驗 (DOE) 是半導體工藝表征中的一種流行技術。 已報告的 HMDS 工藝 DOE 在脫水烘烤、分配時間、分配流速和化學反應時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)計實驗旨在研究烤箱溫度 (°C) 和初始持續(xù)時間 (秒) 的影響以及溫度*時間的相互作用。
設計的實驗在 UT Dallas 潔凈室進行，收集接觸角數(shù)據(jù)用于效果和相互作用分析。 DOE 的響應是在實驗期間收集的后處理接觸角 (°)。 SAS Institute JMP 4.0 軟件用于對收集的過程結果進行建模。 請參閱文檔“HMDS 過程設置”#SP2003-LI-001 版權所有 © 2003 達拉斯德克薩斯大學，了解實驗細節(jié)。
** 表 1. 效果測試總結
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Source |
Nparm | DF | Sum of Squares | F Ratio | Prob > F |
|
Source |
1 | 1 | 0.79757 | 1.5522 |
0.2680 |
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Temperature |
1 | 1 | 135.37852 | 263.4612 |
<.0001 |
| Temperature *Prime Time | 1 | 1 | 1 22.63740 | 263.4612 |
0.0012 |
各種影響和相互作用的測試結果匯總在表 2 中。表 2 以數(shù)字方式顯示蒸氣初始時間對接觸角的影響最大，其次是溫度 * 初始時間的相互作用，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間效應。
** 表 2、圖 5 和圖 6 中的 DOE 實驗結果經(jīng)德克薩斯大學達拉斯分校 Erik Jonsson 工程與計算機科學學院許可轉載，文檔“HMDS Process Setup”# SP2003-LI-001 版權所有 © 2003 德克薩斯大學達拉斯分校。
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 預熱真空室的循環(huán)，以適當?shù)厥够迕撍?將腔室抽真空至低壓并重新充入純氮氣數(shù)次以完全去除水蒸氣。 最初的可編程預熱脫水步驟提供了足夠的加熱時間來將晶片預熱到 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 化學品的燒瓶真空度更高。 當蒸氣閥打開時，腔室將化學蒸氣吸入腔室。 HMDS 蒸氣然后與晶片反應。 5 分鐘的汽化時間通常是晶圓廠對裸硅晶圓進行底漆處理的標準。 汽化時間是可調(diào)的，可以根據(jù)需要增加，以確保對各種類型的表面進行底漆處理。
工藝流程圖：整個脫水和初始工藝可分為四個不同的工藝步驟，如圖 8 所示
圖 8：YES-58TA HMDS Vapor Prime 工藝流程圖
HMDS 工藝驗證：通常通過在工藝室中包含監(jiān)控晶片并使用測角儀監(jiān)控工藝前后的接觸角來驗證工藝結果。
水滴接觸角測量是指示附著力的實用方法。 DOE 結果清楚地表明，在蒸汽灌注過程中，灌注時間是最重要的。從 DOE 的工作中可以清楚地看出，可以通過蒸汽底漆工藝優(yōu)化來改善和優(yōu)化水接觸角。
在加州大學伯克利分校和達拉斯分校進行的接觸角行為比較研究清楚并一致地表明，與 SVG 涂布機軌道和旋涂分配相比，YES HMDS 蒸汽底漆能力和預處理脫水能力的優(yōu)越性。
HMDS 是一種致癌物質(zhì)，應避免接觸。在 YES HMDS 烘箱中，用戶不會暴露在 HMDS 蒸氣中，并且使用不到 1 毫升的水來為多達 200 個晶圓上底漆。因此，與涂布機軌道或旋轉分配程序相比，蒸氣底漆更安全、更便宜，并且如實驗所示，可實現(xiàn)卓越的接觸角和卓越的長期穩(wěn)定性。
光刻是半導體制造過程中不可或缺的一部分。它用于描繪代表硅晶片表面特定器件或電路結構的圖案。這些圖案由光刻膠掩模制成，可保護其下方的基板免受后續(xù)處理。未受保護表面的物理或電氣特性會被各種類型的工藝步驟改變，例如蝕刻、沉積、離子注入、濺射等。這個循環(huán)重復多次，直到完成整個器件。光刻是一個耗時且昂貴的過程。附著力不足通常會導致 PR 翹起、圖案變形，在剝離抗蝕劑后需要再次重復該過程。如果 YES-HMDS 烤箱蒸汽底漆工藝可以在兩周內(nèi)消除一次光刻返工工藝，因為與使用涂布機軌道的 HMDS 底漆相比，它們具有優(yōu)異的附著力，這將為任何晶圓廠節(jié)省大量成本和時間。
Yield Engineering Systems 要感謝加州大學伯克利分校和達拉斯的 UT 允許重新打印與 YES Vapor prime 工具相關的實驗結果。
