光刻技术是集成电路制造中的核心技术之一，目前聚酰亚胺材料己被应用于半导体领域。在芯片制造工艺中，对于膜厚均匀性与缺陷的控制直接影响到芯片的良率与性能，提高膜厚均匀性与减少显影后的缺陷是至关重要的，在聚酰亚胺的涂胶显影工艺中，由于其本身的高黏度特性，存在片内均匀性较差与显影后边缘残留的缺陷。基于此，本文以黏度为12000CP的负性非感光聚酰亚胺材料为基础，目标膜厚16μm，研究了聚酰亚胺材料的涂胶显影工艺，提高了涂胶膜厚均匀性，解决了显影后边缘残留问题。
1.聚酰亚胺涂胶显影工艺
本文中实验采用沈阳芯源公司自主研发的KS-S150型前道Track设备，该机型可完成涂胶与显影工艺。
聚酰亚胺材料作为具有特殊性质的材料，其光刻工艺参数也不同于普通光刻胶。聚酰亚胺的特殊性质给光刻工艺造成了一定的难度，比如其远高于普通光刻胶的黏稠度和不稳定性等。普通光刻胶的黏稠度是10~1000CP，而聚酰亚胺材料的黏稠度达到了2000~15000CP。因此，为了能够实现大规模聚酰亚胺产品的量产，保证工艺良率，工艺仍需优化。
本实验工艺流程：非感光负性聚酰亚胺材料涂覆（PIcoating）→感光光刻胶涂覆（PRcoating）→曝光（EXP）→边缘曝光（WEE）→显影（DEV）。
1.1传统聚酰亚胺材料涂胶显影工艺
在芯片制造工艺中，可以大致分为:硅片的清洗、氧化、光刻胶涂覆、曝光、显影、刻蚀、离子注入等。其中最关键的就是涂胶、对准曝光和显影。涂胶工艺是由Track设备完成的，采用的是旋转式涂胶方法。光刻胶通过喷胶系统喷出，紧接着就是完成涂胶工序。此系统主要包括底部的真空吸盘将硅片固定在涂胶盘上、打胶系统、排风系统、速度可控的旋转马达、胶泵以及边缘去胶模块。
在传统聚酰亚胺的涂胶工艺中，采用在晶圆中心打胶，然后用高速甩的方式摊开，在摊胶的过程中，由于该材料黏度较高，需要一定时间才可以均匀摊开，过程中，由于胶的溶剂挥发固化以及旋转时间长，会导致中部偏薄、边缘偏厚的情况，导致均匀性差。在软烘时，聚酰亚胺材料对于烘烤条件（温度、排风）等要求极高，以往涂胶时热板盘盖常采用关闭的方式，在聚酰亚胺材料涂覆过程中，采用该方式，由于盘盖的排风结构（EXH在盘盖中心），会导致膜厚中心更薄，均匀性差。
对于洗边液，聚酰亚胺材料配套的洗边液的洗边效果较差，在实际应用中，无法达到普通PR涂覆时的切边效果，若涂胶时边缘存在切不整齐的问题，在后续显影工艺中，边缘就容易出现聚酰亚胺材料的残留，影响后续工艺。
1.2聚酰亚胺材料涂胶工艺
为了解决聚酰亚胺材料涂胶时中心点低、均匀性差的问题，故对涂覆时的打胶方式进行研究。
优化打胶方式，采用螺旋式打胶。涂胶时，打胶手臂移动，手臂从晶圆某一位置向中心移动，选择合适的手臂移动速度、承片台旋转速度、胶泵打胶速率相配合，找出合适的打胶起始位置，进行实验。实验时根据打胶量与打胶速率，计算好打胶时间，结合打胶起始位置，调整好手臂移动速度，使得手臂移动到晶圆中心时，还可以在中心定点打胶一段时间，这样以保证中间区域膜厚。
为继续提高膜厚均匀性，对软烘条件进行研究，实验发现，在软烘时，热盘内的风流对膜厚均匀性影响较大，由于热盘结构的原因，热盘盘盖排风口的位置在盘盖的中部，导致中部排风量大而边缘排风量少，使得中心部位膜厚偏低、边缘膜厚偏高。为了解决该问题，实验中，将热盘盘盖状态由close状态设置为open状态，保证晶圆表面风流均匀，在受热烘烤时聚酰亚胺材料内的溶剂可均匀挥发，可提高膜厚均匀性。
1.3聚酰亚胺材料显影工艺
影响聚酰亚胺显影工艺的因素较多，随着烘烤的条件、胶的厚度、曝光能量以及显影方式等多种因素而不断变化，并且它是产生各种缺陷的关键因素。如果显影不足会造成显影不净，而显影过度则会造成过显，导致线宽偏大。由于聚酰亚胺高黏稠度导致它相对一般光刻胶而言较难被显影干净，所以选择两次显影方式。聚酰亚胺的显影工艺是光刻工艺中至关重要的部分。本实验中，聚酰亚胺较难被清洗干净的位置为晶圆边缘，存在PI微残留。
1.3.1边缘残留解决——PIcoating时EBR优化
由于显影后存在残留部分为wafer边缘位置，为证实实际造成残留的工序，特做了如下实验，在晶圆上涂覆PI材料，经烘烤之后，直接去用显影液冲洗，因该材料为非感光负性材料，故可以直接被显影液冲洗干净，实验证实，聚酰亚胺材料涂覆完成后，边缘无法被显影液冲洗干净，存在胶残留，可以认定该残留为聚酰亚胺材料涂覆（PIcoating）时影响。
观察PIcoating后晶圆表面，发现晶圆边缘存在轻微胶膜不整齐区域（微锯齿状），怀疑由于聚酰亚胺材料的高黏度原因，在光胶甩开的时候边缘会存在轻微拉丝，在旋转骤停后，胶丝存在回缩现象，造成边缘不整齐，该区域即为残留风险区域。为解决该问题，优化PIcoating。
（1）在PIcoating时做到边缘减薄，由于边缘清洗液无法做到将边缘整齐切掉，故只可起到边缘减薄的效果，以往边缘清洗开始步骤是在主转速膜厚控制步骤之后，本实验在主转速膜厚控制步骤开始时增加边缘清洗，以增加边缘冲洗时间，减薄边缘膜厚。涂胶显影工艺完成后，肉眼可见边缘残留明显减少，证明增加边缘清洗进行边缘减薄可解决部分边缘残留。
（2）在边缘清洗后，采用高速甩干的方法，将多余胶丝甩掉，防止其拉丝后旋转骤停导致胶丝回缩，这样可优化晶圆边缘区域，使边缘胶膜整齐，在该条件下，采用两次显影的方式可以做到显影后晶圆边缘无残留。
（3）边缘清洗经验值：清洗宽度>2mm，wafer边缘会产生较严重拉丝的现象。清洗宽度1~2mm，边缘锯齿状、不整齐。清洗宽度<1mm，边缘较整齐、无清洗、边缘厚、锯齿状。边缘清洗后高甩干转速可改善边缘效果。建议转速3000~6000r/min。
1.3.2边缘残留解决——bake温度优化
PIcoating时bake温度也是造成显影后边缘残留的影响因素之一，该聚酰亚胺材料涂覆完成后采用2次bake，根据材料厂商提供数据，bake温度范围110℃~130℃。首先采用不同软烤温度与时间的实验，观察其对显影后边缘残留的影响，这个实验所用的显影条件是两次显影，每次35s显影液浸泡时间。用光学显微镜观察了显影后芯片边缘的情况。根据不同温度与时间实验，温度升高或烘烤时间加长，都会使得显影后边缘残留现象加重，在不影响后续工艺的前提下，采用合适的烘烤温度与时间，可有效改善显影后边缘残留问题。
工艺流程中PRcoating时bake温度也会对聚酰亚胺材料造成影响，在PRcoating后烘烤时，下层的PI也同时被烘烤，间接地增加了PI的烘烤时间，在不影响后续工艺的前提下，采用合适的烘烤温度与时间，可有效改善显影后边缘残留问题。
1.3.3边缘残留解决——显影方式
本实验验证了不同显影方式对边缘残留问题的影响，在显影工艺中，常用的显影方式有静态显影方式和动态显影方式静态显影方式即在显影时，晶圆不转动；动态显影方式即在显影时，晶圆低速旋转。实验证明，显影液在显影时采用动态的方式，要优于静态的方式，可对边缘残留进行改善，显影时采用不同旋转速度也会影响边缘残留的去除。
显影时，不同的显影方式会对边缘残留有所改善，但效果不是很明显，因显影时的材料为经过多次烘烤固化后的，显影液去除的能力有限，边缘残留去除方式应以优化PIcoating为主。
2.结语
通过优化打胶方式将中心定点打胶方式改为螺旋打胶方式，将热盘盘盖从关闭状态改为打开状态，可解决膜厚均匀性差的问题；通过优化PIcoating时边缘清洗，增加边缘清洗时间与清洗后甩干转速，可有效改善显影后边缘残留问题，加之以优化聚酰亚胺材料涂覆时的软烘条件、PRcoating时软烘条件以及显影方式可解决显影后边缘残留问题，结合以上方式，可提高聚酰亚胺材料涂覆的整体工艺效果，提高生产良率。
作者：孙会权 王延明 李庆斌 邢 栗 （沈阳芯源微电子设备股份有限公司）
本文刊发于《中国高新科技》杂志2020年第21期
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