减少底部抗反射涂层BARC的缺陷：对优化与分离过滤过程和打胶过程的研究
朴勇男 张晨阳 邢栗 李庆斌
【摘? 要】半导体器件制造业是当今世界上最清洁的制造业之一。在当今最先进的晶圆厂当中，所有的物质都被过滤到最小的粒径。这种做法对气体来说是相当容易的，但是过滤液体时相对较难，特别是光化学物质，如底部抗反射涂层（BARC），过滤器可能会出现堵塞、过滤速率下降的问题，进而导致通过过滤器的压降增加，或者过滤器退化。论文采用三种不同的底部抗反射涂層，基于泵中的不同粒径的过滤介质，并分别采用不同的速率，研究打胶过程和过滤过程的相互作用。
【Abstract】Semiconductor device manufacturing industry is one of the cleanest manufacturing industries in the world today. In today's most advanced fabs， all materials are filtered to the smallest particle size. This method is quite easy for gas， but it is relatively difficult to filter liquid， especially for photochemical substances， such as bottom anti-reflective coatings （BARC）. The filter may be blocked and the filtration rate will decrease， which will lead to the increase in the pressure drop through the filter or deterioration of the filter. The paper uses three different bottom anti-reflective coatings， based on the filter media with different particle sizes in the pump， and uses different speed rates to study the interaction between the gluing process and the filtration process.
【关键词】底部抗反射涂层（BARC）;缺陷;过滤器;打胶
【Keywords】bottom anti-reflective coatings （BARC）; defects; filter; gluing
【中图分类号】TN305.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文献标志码】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章编号】1673-1069（2021）04-0194-03
1 引言
集成器件制造商（IDM）对刻蚀后和涂胶后的缺陷极为挑剔。任何缺陷都可能导致器件失效，这将为设备制造商造成经济损失。器件制造过程涉及非常多的步骤，晶圆表面缺陷为零极为困难，因此，设备制造商展开了大量的研究工作，致力于将缺陷减少到最小。缺陷可能由很多的因素引起，例如，BARC涂层缺陷受打胶过程影响，包括打胶时的晶圆转速、打胶量、打胶速率等。通常情况下，集成器件制造商会在涂胶机上增加一个额外的过滤模块，用以尽量将BARC缺陷降至最少。
传统型号的胶泵，在打胶的同时液体被过滤器过滤，这意味着液体的过滤速率与打胶速率相同。对于孔径较大的过滤器来说这不是一个问题，然而，当今使用的过滤器孔径为0.01μm或更小，可能就会出现一定的问题，会导致过度压降，在打胶时出现不连续的现象。现在的泵被设计成过滤过程和打胶过程处于分离状态。现在的泵相当于将两个泵安装在一起，过滤泵会为打胶泵提供一个小储液罐，这个储液罐是在不打胶时被填充满的。在这种情况下，过滤泵就可以用不同于打胶速率的其他速率来过滤液体，而且可以使用孔径极小的过滤器去除最小的杂质污染物，保持低压降通过过滤器，提高过滤效率。
随着泵的灵活性增加，集成器件制造商在打胶过程设置时必须考虑另外一种因素。也就是说在给定一个特定的过滤器孔径时，最有效的过滤速率是多少？过滤速率取决于液体吗？实验中，采用不同的BARC材料进行不同的过滤速率来回答这些问题。结果表明，过滤速率和过滤器孔径对膜层缺陷密度有显著影响，而打胶时晶圆速度和打胶时间所发挥的作用较小。
2 实验过程
本文选择DUV112、ARC29A和DUV42P这三种BARC进行实验，其分子量不同。测试使用英特格IntelliGen2型号的电动泵（如图1所示），搭载在沈阳芯源FT-300涂胶显影机平台上。使用0.39μm精度的KLA-Tencor缺陷量测工具进行晶圆上涂层缺陷检测。测试计划包括两个步骤：第一个是在泵上安装一个0.05μm的UPE过滤器，然后，进行一个设计好的实验，分析确认最低的缺陷密度涂层;第二步是换成其他粒径的过滤器，改变过滤速率并保持打胶过程不变。实验是基于过滤过程和打胶过程可以被视为相互独立的过程。
设计的实验使用了四个因素，即过滤速率、打胶量、打胶时间和打胶时晶圆速度，表1列出了为每个因素选择的范围，表2列出了用于测试的过滤器和过滤速率。
3 结果和分析
3.1 打胶过程
对于三種BARC材料，每种都具有不同的最佳打胶过程，所以每种BARC都在不同的打胶过程下进行，模拟结果表明了这一点。对于化学组成相似但分子量不同的DUV112和DUV42P，打胶时晶圆速度要求很高，大约需要4000转/min，而ARC29A需要大约3000转/min。除了DUV112外，打胶时间和打胶速率对涂层缺陷密度影响较小。
在本文的DOE模型中，过滤过程和打胶过程可以被视为相互独立的过程。这将允许对过滤器类型和孔径进行进一步的测试，并可改变过滤速率，只影响晶圆的缺陷密度。对于DUV42P来说，DOE实验结果表明0.05μm UPE过滤器的过滤速率应该具有需求很高，以达到最低的缺陷密度，这是与预期相反的。ARC29A的结果表明，过滤速度越慢缺陷密度越低。而对于DUV112来说，过滤速率的影响较为轻微。图2显示了3种BARC在不同因素作用下的缺陷密度结果。
3.2 过滤器测试
一旦确定了涂胶工艺过程，就可以开始进行该试验的第二部分。在此过程中，打胶过程保持不变，过滤介质、过滤粒径大小、过滤速率变化。这个测试将有助于让人们了解与过滤介质、孔径或过滤速率有关的趋势。一旦数据被收集和分析，结果将会表明，这些趋势具有BARC特性和过滤器特性。DUV112的趋势是随着过滤孔径的变化而变化的。较小的过滤器孔径会使缺陷密度降低，与过滤速率无关，如图3所示。这结论表明DUV112分子结构决定它容易通过较小的孔径，过滤速率是DUV112一个影响较弱的因素，如图4所示。在0.1ml/s的过滤速率时缺陷密度最大。如图5和图6所示，过滤介质在DUV42P中扮演着令人出乎意料的角色。这里的0.02μm PCM过滤器可以得到最低的缺陷密度。DUV42P是一种高分子量的BARC，表明PCM型过滤器更容易使DUV42P通过过滤器。数据也显示出增加过滤速率可以减少缺陷的趋势。这些数据也支持了压降是降低DUV42P缺陷的一个重要因素，对于DUV42P来说，需要一个最佳压降来使缺陷维持在最低水平。通过保持较高的过滤速率，聚合物的形状可以变形，以推动通过过滤器。
4 结论
过滤器过滤液体时会相对困难，因为形成聚合物的分子大小与过滤器的孔径尺寸接近。因此，过滤器可能会堵塞、过滤速率可能会下降，通过过滤器的压降可能会有所增加，或者过滤器可能出现退化现象。这些情况会导致BARC到达晶圆前发生化学变化，形成微气泡和凝胶颗粒。本文为了研究这些可能的相互作用，在机台上安装了英特格电动泵，跟踪查看打胶过程和过滤过程是否会对BARC的缺陷产生影响。采用型号为DUV112、ARC29A和DUV42P的BARC，通过泵中的不同粒径的过滤介质，并分别采用不同的速率，用以研究打胶过程和过滤过程的相互作用。这种英特格电动泵能够独立控制BARC的打胶过程和过滤过程。实验设计了不同影响参数，如打胶速率、过滤速率、打胶量等，这样人们就会知晓泵的整套系统对BARC膜层的影响，并且可以得到最优的条件来形成最洁净的BARC膜层。结果表明，过滤速率和过滤器孔径对膜层缺陷密度有显著影响，而打胶时晶圆速度和打胶时间所起的作用较小。过滤过程和打胶过程彼此分离的泵会减少晶圆缺陷。这为集成器件制造商提供了更多的减少缺陷和提高良率的选择，但是缺点是需要更多的设置步骤来确定得出最佳的过程。
【参考文献】
【1】金敏，王芳.晶圆表面光刻胶的涂覆与刮边工艺的研究[J].机械管理开发，2020（11）：55-56.
【2】王宽，刘敬成，刘仁，等.光刻胶用底部抗反射涂层研究进展[J].影响科学与光化学，2016（2）：123-135.
