書(shū)籍：《華林科納-半導(dǎo)體工藝》

文章：超臨界二氧化碳處理技術(shù)在光刻技術(shù)中的應(yīng)用及其對(duì)微抗蝕劑圖案附著力的影響

編號(hào)：JFKJ-21-1105

作者：華林科納

引言

作為半導(dǎo)體器件和MEMS微加工技術(shù)基礎(chǔ)的光刻技術(shù)中，顯影和清洗等濕法工藝是必不可少的。在本稿中，介紹了能夠定量評(píng)價(jià)超臨界CO2處理對(duì)微細(xì)光刻膠圖案―基板間的粘接強(qiáng)度帶來(lái)的影響的、用于微小結(jié)構(gòu)材料的粘接強(qiáng)度試驗(yàn)法。 并且，實(shí)際利用該試驗(yàn)法，測(cè)量在不同的超臨界CO2處理?xiàng)l件下制作的微細(xì)光刻膠圖案的粘附強(qiáng)度，通過(guò)超臨界處理?xiàng)l件提高粘附強(qiáng)度的定量性證明了這一點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)

該微細(xì)加工技術(shù)還應(yīng)用于Micro―electro―mechanical system(MEMS)器件的微機(jī)械元件的制造。 MEMS器件是指在基板上集成由數(shù)～數(shù)百微米尺寸的部件構(gòu)成的微機(jī)械元件和電子電路。 圖1顯示的是一般的半導(dǎo)體·MEMS微加工技術(shù)的示意圖。 圖1左圖是作為半導(dǎo)體器件制造基礎(chǔ)的二維微細(xì)加工技術(shù)，利用光刻法，在通過(guò)旋涂等在基板上薄薄涂布的感光性光刻膠膜上，利用紫外線、電子束等對(duì)微細(xì)圖案進(jìn)行曝光、顯影，從而在基板上用高分子光刻膠薄膜制作超微細(xì)圖案的技術(shù)。 通過(guò)利用該微細(xì)抗蝕劑圖案作為掩模對(duì)基板上的薄膜進(jìn)行蝕刻，或者利用該微細(xì)抗蝕劑圖案作為模具進(jìn)行氣相沉積、電鍍等，在基板上制作高密度集成電路。

在MEMS器件中，通過(guò)組合該二維光刻法和三維微加工雙方的微細(xì)加工技術(shù)并反復(fù)實(shí)施，同時(shí)進(jìn)行超微細(xì)電子電路和微小機(jī)械要素的制造、組裝。

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如前項(xiàng)所述，由于急劇的高集成化，光刻膠的圖案寬度急劇減少，與此相對(duì)，光刻膠膜厚的減少率較低，其結(jié)果是微細(xì)光刻膠圖案的高長(zhǎng)寬比（圖案高度/圖案寬度）化得到了發(fā)展。

為了解決顯微抗蝕劑圖案與各種溶液之間起作用的表面張力的問(wèn)題。 圖2顯示的是由于超細(xì)微抗蝕劑圖案的細(xì)微化、狹窄化、高長(zhǎng)寬比化而產(chǎn)生的新問(wèn)題的模式圖。 在顯影·清洗等濕法工藝中，由于光刻膠圖案變窄·高長(zhǎng)寬比化，在表面張力的影響下，各種溶液向光刻膠圖案間的侵入·循環(huán)·排出受到阻礙（圖2上圖）。 因此，沒(méi)有足夠的新鮮溶液供應(yīng)到微細(xì)化的光刻膠圖案內(nèi)部的各個(gè)角落，導(dǎo)致微細(xì)化圖案的顯影不良和圖案底部的清洗不良。 而且，在利用微細(xì)圖案的電鍍和蝕刻等濕法工藝中，如果向圖案內(nèi)部的新鮮溶液循環(huán)受到阻礙，反應(yīng)就無(wú)法進(jìn)行，因此會(huì)發(fā)生電鍍不良和蝕刻不良等各種問(wèn)題。 另一方面，在干燥過(guò)程中，由于毛細(xì)力的影響，在超微細(xì)化和高縱橫比的抗蝕劑圖案的間隙中殘留大量溶液，并且由于圖案內(nèi)部的毛細(xì)力和外部的氣壓之間的差，在圖案外部產(chǎn)生力。

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以下介紹實(shí)際將超臨界CO2應(yīng)用于光刻的顯影·清洗·干燥工序等的研究事例。 作為將超臨界CO2應(yīng)用于光刻顯影的例子，有利用超臨界CO2溶解某種高分子的性質(zhì)，用超臨界CO2成功顯影導(dǎo)入了甲基硅氧烷結(jié)構(gòu)和碳氟化合物結(jié)構(gòu)的光刻膠的研究14），15）。 此外，還進(jìn)行了在加入添加劑的超臨界CO2溶劑中可顯影的EUV曝光用光刻膠的開(kāi)發(fā)16），17），以及為使極性聚合物的顯影成為可能的向超臨界CO2溶劑中添加氟化銨鹽等的研究開(kāi)發(fā)。

為了防止這種情況的發(fā)生，需要對(duì)微細(xì)光刻膠圖案的粘接強(qiáng)度和工藝條件的關(guān)系進(jìn)行定量評(píng)價(jià)的方法。構(gòu)成半導(dǎo)體·MEMS器件的微小結(jié)構(gòu)部件大多是為了制作微小尺寸的部件而新開(kāi)發(fā)的材料，或者用特殊的制造法制作的。 由于這些只能通過(guò)微小尺寸得到，因此不能適用于使用通常尺寸的試驗(yàn)片的材料評(píng)價(jià)試驗(yàn)，其機(jī)械特性有很多不明確之處。 而且，微結(jié)構(gòu)材料的機(jī)械特性受到光刻和微加工等各工藝條件的強(qiáng)烈影響，但由于工藝工序涉及多個(gè)方面，其影響程度目前還不清楚。

由于試驗(yàn)簡(jiǎn)便，因此在研究開(kāi)發(fā)現(xiàn)場(chǎng)被廣泛實(shí)施。 但是，該方法可以判定膠帶-試料間的附著力和基板-試料間的附著力中哪一個(gè)更強(qiáng)，因此很難進(jìn)行嚴(yán)密的定量評(píng)價(jià)。 除此之外，作為能夠?qū)迳现谱鞯谋∧みM(jìn)行直接試驗(yàn)的方法，還有劃痕試驗(yàn)另一方面，關(guān)于以MEMS的微機(jī)械要素等基板上制作的三維微小結(jié)構(gòu)材料為對(duì)象的定量粘接強(qiáng)度評(píng)價(jià)法，目前還沒(méi)有國(guó)內(nèi)外的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。 因此，對(duì)于三維精細(xì)結(jié)構(gòu)材料的定量粘附強(qiáng)度評(píng)估，需要統(tǒng)一的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

因此，下面整理了以三維微小結(jié)構(gòu)物為對(duì)象的定量粘接強(qiáng)度評(píng)價(jià)法標(biāo)準(zhǔn)化的必要條件。 首先是試驗(yàn)片形狀，考慮到要進(jìn)行各種工藝條件的評(píng)價(jià)，粘接強(qiáng)度試驗(yàn)片最好是制作容易、工藝工序少的簡(jiǎn)單形狀。 其次是試驗(yàn)方法，為了能夠適用于大范圍的試驗(yàn)機(jī)，要求試件的保持方法和對(duì)齊方法，以及對(duì)試件的加載方法要簡(jiǎn)單且容易。 另外，一般情況下，粘接強(qiáng)度數(shù)據(jù)有很大的偏差，因此有必要對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

該微小結(jié)構(gòu)部件的粘接強(qiáng)度測(cè)量中使用的試驗(yàn)裝置的必要條件為:①具有能夠?qū)⒓虞d夾具移動(dòng)到微小圓柱形試驗(yàn)片的加載位置的精密定位機(jī)構(gòu)；②具有能夠以一定位移速度對(duì)微小尺寸試驗(yàn)片進(jìn)行精確位移的機(jī)構(gòu)；③具有能夠精確測(cè)量、記錄當(dāng)時(shí)負(fù)荷的系統(tǒng)。

在此，展示了實(shí)際使用抗蝕劑材料制作微小圓柱圖案，進(jìn)行微小圓柱試驗(yàn)片―基板間的粘接強(qiáng)度試驗(yàn)，評(píng)價(jià)超臨界CO2工藝的例子。 本例使用的是以永久使用為目的開(kāi)發(fā)的環(huán)氧系厚膜抗蝕劑SU-8。 SU-8是利用通用的紫外線曝光的光刻法，可以容易地制作厚膜、高長(zhǎng)寬比的微細(xì)結(jié)構(gòu)物，因此作為發(fā)揮低彈性模量和穿透性等特征的永久使用的微細(xì)結(jié)構(gòu)部件，有望應(yīng)用于懸臂梁、微流路、光波導(dǎo)等領(lǐng)域的光刻膠。 使用該SU―8，在15 mm見(jiàn)方的硅基板上，通過(guò)光刻法在同一工藝條件下，制作了多個(gè)圓柱直徑125μm、圓柱長(zhǎng)度78―110μm的微小圓柱試驗(yàn)片。

表1表示超臨界CO2處理?xiàng)l件的例子。 在本例中，將SU―8微小圓柱試驗(yàn)片的基板分成兩部分，在相同條件下進(jìn)行超臨界CO2處理后，分別在不同條件下進(jìn)行減壓工序。

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上述結(jié)果表明，在光刻的超臨界CO2處理中，如果控制減壓條件，就有可能提高SU―8微小光刻圖案的粘合強(qiáng)度。 像這個(gè)例子一樣，通過(guò)系統(tǒng)地改變超臨界CO2處理?xiàng)l件，定量地評(píng)價(jià)對(duì)微小光刻膠材料的粘著強(qiáng)度帶來(lái)的影響，可以認(rèn)為這將有助于將超臨界CO2工藝更積極地應(yīng)用于光刻工藝。

討論和總結(jié)

本文在整理利用超臨界二氧化碳的半導(dǎo)體·MEMS的微細(xì)加工技術(shù)中可能發(fā)生的問(wèn)題點(diǎn)的基礎(chǔ)上，介紹了能夠定量評(píng)價(jià)工藝對(duì)微細(xì)光刻膠圖案-基板間的粘附強(qiáng)度的影響的用于微小結(jié)構(gòu)材料的粘附強(qiáng)度試驗(yàn)法。 超臨界二氧化碳處理作為解決在年復(fù)一年的微細(xì)化、高長(zhǎng)寬比化、復(fù)雜化的微小加工技術(shù)中產(chǎn)生的表面張力和毛細(xì)管力問(wèn)題的方法是非常值得期待的，但另一方面，對(duì)高分子抗蝕劑材料的影響，特別是對(duì)粘著強(qiáng)度的影響也令人擔(dān)憂。

為了積極推進(jìn)超臨界二氧化碳處理技術(shù)的實(shí)用化，有必要定量評(píng)價(jià)該工藝對(duì)微小圖案的強(qiáng)度和附著力等機(jī)械性能的影響，保證其安全性。 而且，如果能夠明確工藝條件和微小圖案材料的機(jī)械性能的關(guān)系，就有可能通過(guò)超臨界二氧化碳處理積極地進(jìn)行高分子的改質(zhì)等。 微小尺寸材料的機(jī)械性能評(píng)價(jià)將成為將超臨界二氧化碳處理積極應(yīng)用于半導(dǎo)體制造技術(shù)的關(guān)鍵。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的《炬丰科技-半导体工艺》 超临界二氧化碳处理技术在光刻技术中的应用及其对微抗蚀剂图案附着力的影响的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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