鄢紅軍

摘 要：以往清洗光掩膜時(shí)采用的清洗技術(shù)用到了濃硫酸、SC-1等溶劑，會(huì)在一定程度上導(dǎo)致硫酸根以及銨根離子殘留在膜表面。隨著微影技術(shù)時(shí)代的到來(lái)，光掩膜在使用一段時(shí)間后，能夠從殘留的離子中析出部分硫酸鹽晶體，被業(yè)界稱(chēng)為光掩膜“Haze”。受到大量結(jié)晶的影響，光掩膜的穿透率會(huì)降低，無(wú)法保持薄膜晶體管（TFT）的完整性，進(jìn)而對(duì)TFT生產(chǎn)廠家造成極大的影響。因此，在實(shí)際生產(chǎn)階段，采用新興的臭氧水與深紫外曝光清洗技術(shù)，取代以往的硫酸清洗技術(shù)，并以批量生產(chǎn)為基礎(chǔ)，優(yōu)化相關(guān)工藝、設(shè)備的設(shè)計(jì)以及日常維護(hù)程序，以供參考。

關(guān)鍵詞：光掩膜;清洗技術(shù);結(jié)晶生長(zhǎng);深紫外光照射

光掩膜的概念比薄膜晶體管（Thin Film Transistor，TFT）簡(jiǎn)單，層次較少，工藝步驟也較為簡(jiǎn)單，主要特征較為明顯。然而，掩膜的光學(xué)補(bǔ)償（Optical Compensation，OPC）特征等同于印刷階段的TFT尺寸特征。如果單個(gè)TFT產(chǎn)生了缺陷，就會(huì)對(duì)相應(yīng)的圖形顯示造成影響。然而，如果單個(gè)掩膜產(chǎn)生了缺陷，所有的圖形顯示就會(huì)受到影響。采用光學(xué)技術(shù)對(duì)掩膜缺陷進(jìn)行檢測(cè)，掩膜上只要產(chǎn)生光波動(dòng)，就會(huì)導(dǎo)致缺陷被忽略。所以，本研究闡述了掩膜存在的缺陷以及檢測(cè)方法和消除方法。

1?光掩膜的缺陷

光掩膜的缺陷可以分為軟、硬兩種。硬缺陷通常需要采用檢查設(shè)備進(jìn)行圖形檢測(cè)，以掩膜為基礎(chǔ)，對(duì)比圖形、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)或其他表面同一圖形。此類(lèi)缺陷通常能夠被修復(fù)，需要采用各種化學(xué)物質(zhì)對(duì)其局部進(jìn)行激發(fā)，或采用相關(guān)技術(shù)進(jìn)行加工，添加缺失的材料或去除不必要的物質(zhì)。

軟缺陷指的是污染缺陷，由于顆粒通常較小，雖然不會(huì)對(duì)圖形造成損害，但是會(huì)導(dǎo)致光刻線條在TFT上無(wú)法保持完整。在清洗掩膜的過(guò)程中，通常能夠去除軟缺陷。霧狀缺陷（Haze）也是一種軟缺陷[1]。

2?光掩膜的傳統(tǒng)清洗技術(shù)

以往清洗光掩膜時(shí)采用的美國(guó)RCA實(shí)驗(yàn)室洗凈技術(shù)，是美國(guó)為了清洗TFT發(fā)明的，能夠去除各種TFT和光掩膜的污染物，通常也叫標(biāo)準(zhǔn)清洗。RCA采用SC-1和SC-2這兩種溶液，在wafer表面去除污染微粒以及金屬碎屑，而光掩膜對(duì)微粒污染的移除僅采用了SC-1。

傳統(tǒng)清洗機(jī)器的架構(gòu)如圖1所示，進(jìn)料、出料區(qū)域分別在設(shè)備的前端、后端，槽中首先工作的是一堆硫酸槽，隨后通過(guò)清洗槽去除水中的離子，然后進(jìn)入SC-1溶液槽，再由清洗槽去除水中的離子，最后在含有異丙醇的槽中干燥。

以往在清洗的過(guò)程中，光掩膜首先進(jìn)入硫酸槽，主要是為了氧化污染物。在硫酸溶液中，按照特定比例加入雙氧水，加強(qiáng)氧化作用，反應(yīng)式為：

H2SO4+H2O2←→H2SO5+H2O（1）

硫酸槽完成工作后，通常需要用大量清水沖洗[2]，然后進(jìn)入含有SC-1溶液的槽。SC-1在去除物理污染物方面有著顯著的效果，反應(yīng)式為：

Si+2H2O2→SiO2+2H2O（2）

NH3+H2O←→NH4OH（3）

SiO2+NH4OH←→Si（OH）4+NH3（4）

同時(shí)，在SC-1溶液中增加了超聲波振蕩，極大地提高了微粒污染物的去除率。經(jīng)過(guò)SC-1溶液處理后，仍需用大量去離子水進(jìn)行沖洗，以去除殘留的各種化學(xué)物質(zhì)。最后在IPA槽中提拉光掩膜，使其表面干燥。

以往用來(lái)清洗光掩膜的技術(shù)已經(jīng)得到了穩(wěn)定、成熟的應(yīng)用，對(duì)各種污染微粒物質(zhì)都有顯著的去除效果，并且產(chǎn)出速度非?？?，只需對(duì)設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)單的維護(hù)保養(yǎng)即可，制程良率較高，能夠超過(guò)99%。由于此清洗工藝使用了大量硫酸和氨水，經(jīng)過(guò)所有流程的處理后，光掩膜表面會(huì)殘留硫酸根離子和氨根離子，在使用一段時(shí)間后就會(huì)產(chǎn)生Haze缺陷。

目前，除了傳統(tǒng)的槽式清洗外，Spin清洗已經(jīng)成了清洗光掩膜的主流方式，如圖2所示。

Spin清洗是把槽式清洗集中在一臺(tái)清洗設(shè)備內(nèi)，把清洗功能分到各個(gè)手臂上，光掩膜置于Chuck上旋轉(zhuǎn)，硫酸雙氧水手臂旋轉(zhuǎn)到光掩膜上部，噴出硫酸雙氧水的混合液到光掩膜上，氧化去除有機(jī)物。Spin清洗增加了一個(gè)刷洗功能：手臂上有一個(gè)自旋的刷子，可以去除光掩膜上的大顆粒臟物。首先，SC-1加超聲波，去除光掩膜上的微小顆粒，同時(shí)防止臟物返粘到光掩膜上。其次，將冷熱水交替使用，進(jìn)一步去除表面殘留的化學(xué)物質(zhì)。最后，快速旋轉(zhuǎn)甩干。但由于Spin清洗使用了硫酸和氨水，光掩膜上也會(huì)殘留硫酸根離子和氨根離子，使用一段時(shí)間后也會(huì)產(chǎn)生Haze缺陷。

3?光掩膜的先進(jìn)清洗技術(shù)

為了避免光掩膜表面出現(xiàn)Haze缺陷，相關(guān)行業(yè)在剝離和清洗階段，開(kāi)始采用新清洗工藝來(lái)代替以往清洗光掩膜所采用的Piranha化學(xué)藥液，該清洗工藝中不含硫酸鹽，其所包含的物質(zhì)有臭氧水、氧化水以及氧離子等，并且采用了172 nm波長(zhǎng)的紫外線進(jìn)行曝光。

3.1? 臭氧清洗技術(shù)

以臭氧水取代硫酸溶液，能夠減少殘留的硫酸根，那么就需要臭氧水有較強(qiáng)的氧化作用。電勢(shì)能較強(qiáng)的臭氧能夠氧化和腐蝕大量有機(jī)物和金屬。污染光掩膜的金屬顆粒在氧化作用下會(huì)變成金屬離子，進(jìn)而從膜表面脫離，然后與清洗溶液共同排出。有機(jī)物不論是否飽和，都能夠通過(guò)與臭氧的反應(yīng)生成CO2、H2O。臭氧濃度在反應(yīng)階段逐漸降低，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生特定的氫氧離子，其活性較強(qiáng)，且電勢(shì)能和氧化性比臭氧高，隨著氫氧離子參與反應(yīng)，能夠更快地氧化有機(jī)物，使其成為CO2和H2O。臭氧水與金屬、有機(jī)物的反應(yīng)流程分別如圖3～4所示。

3.2? 紫外光照技術(shù)

紫外光（Ultraviolet，UV）曝光的主要目的有：（1）在長(zhǎng)鏈化合物中，通過(guò)UV打斷化學(xué)鍵，變成更易去除殘留的化合物。（2）能量光子提供高能量，能夠在光掩膜表面激發(fā)殘留在晶格中的晶狀化合物，并且能夠加快反應(yīng)速度，在清洗階段通過(guò)照射實(shí)現(xiàn)殘留離子的萃取。（3）使光掩膜表面具備更強(qiáng)的活性，實(shí)現(xiàn)光掩膜表面由疏水性向親水性的轉(zhuǎn)變，從而使化學(xué)藥液在膜表面分布得更均勻。（4）在化學(xué)清洗過(guò)程中進(jìn)行照射，能夠使化學(xué)反應(yīng)更快。例如，波長(zhǎng)為172 nm的深紫外線，光子的能量達(dá)到了7.21l eV，大于有機(jī)化合物的大量化學(xué)鍵，所以在有機(jī)化合物中能夠打斷大部分化學(xué)鍵[3]。

4?新興清洗技術(shù)的提升策略

在部分制程中采用的先進(jìn)光掩膜，在生產(chǎn)TFT階段采用的曝光波長(zhǎng)都是413 nm。采用以往的清洗技術(shù)對(duì)光掩膜進(jìn)行清洗，如果進(jìn)行大量曝光，會(huì)在6個(gè)月后產(chǎn)生Haze缺陷。在導(dǎo)入臭氧水并且清洗技術(shù)由硫酸作用轉(zhuǎn)變?yōu)?65 nm的UV曝光后，如果進(jìn)行大量曝光，也會(huì)在18個(gè)月后產(chǎn)生Haze缺陷。因此，需要在新技術(shù)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化相關(guān)參數(shù)和其他流程，以進(jìn)一步控制結(jié)晶生長(zhǎng)。

目前的生長(zhǎng)時(shí)間對(duì)設(shè)備及其清洗流程造成了影響，因此，需要全面分析光掩膜結(jié)晶的形成因素。影響因素較多，并且會(huì)相互作用。影響結(jié)晶周期的因素有清洗階段臭氧水的使用技術(shù)、所設(shè)定的備用程序以及清洗階段的應(yīng)急措施等。本研究在此類(lèi)因素中挑選了有效、可行的因素，對(duì)其進(jìn)行改善，優(yōu)先對(duì)清洗程序的臭氧水使用技術(shù)和清洗參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

4.1? 優(yōu)化清洗程序

根據(jù)相關(guān)測(cè)定，萃取殘留離子的效果與365 nm UV曝光效果以及高溫?zé)崴饔眯Ч睦塾?jì)時(shí)間有關(guān)，作用時(shí)間越長(zhǎng)，萃取效果越好。然而，為了使光掩膜表面及其相位保持完整，不能按照我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)定單個(gè)程序的清洗時(shí)間。同時(shí)由試驗(yàn)可知，殘留硫酸根離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與是否頻繁使用新程序進(jìn)行清洗有較大的關(guān)系。因此，通過(guò)設(shè)定特定的量化指標(biāo)，經(jīng)過(guò)硫酸程序的多次清洗，減少臭氧水程序需要清洗的次數(shù)。在減少這個(gè)指標(biāo)后，殘留硫酸根離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)并沒(méi)有改變。如果這個(gè)指標(biāo)較小，殘留離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)就會(huì)比1×10-9更小。所以，只需要在清洗程序中盡可能地采用臭氧水來(lái)代替硫酸，就能夠使殘留離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小。在剛引入清洗技術(shù)時(shí)，只有兩個(gè)清洗步驟用到臭氧水，也就是Bef-mount clean和final clean。根據(jù)驗(yàn)證，只有1st strip、Bef-mosi dry clean和2nd strip這3個(gè)清洗步驟不用臭氧水。程序的其他清洗步驟中都可以用臭氧水。采用部分清洗步驟替代臭氧水后，根據(jù)指標(biāo)，清洗次數(shù)下降了，殘留離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也會(huì)快速下降。因此，在硫酸清洗程序中，通過(guò)減少以往硫酸程序的清洗次數(shù)，增加臭氧水程序的清洗次數(shù)，能夠減少殘留的離子，改善結(jié)晶問(wèn)題[4]。

4.2? 優(yōu)化清洗參數(shù)

在設(shè)定清洗程序的過(guò)程中，主要涉及各步驟清洗作用所需的時(shí)間、清洗的物理功率等。為了使清洗良率達(dá)標(biāo)，需要盡可能地延長(zhǎng)4個(gè)清洗步驟所需的時(shí)間。為了控制相位損耗、延長(zhǎng)各步驟所需時(shí)間，要有針對(duì)性地調(diào)整化學(xué)溶液的溫度和濃度。當(dāng)收集的實(shí)際數(shù)據(jù)大于50片時(shí)，根據(jù)各項(xiàng)參數(shù)確定所需設(shè)定的數(shù)值。對(duì)清洗程序進(jìn)行完整的測(cè)定后可知，所有清洗指標(biāo)都符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，并且該清洗程序不僅保持了清洗良率，還在單次清洗完成后，將光掩膜表面殘留的硫酸根離子由3.8×10-9降到了2.6×10-9。

5?結(jié)語(yǔ)

受到大量結(jié)晶的影響，光掩膜的穿透率會(huì)降低，進(jìn)而無(wú)法保持TFT的完整性，給TFT生產(chǎn)廠家造成極大的影響。因此，需要在引入新興清洗技術(shù)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化清洗程序和清洗參數(shù)。

[參考文獻(xiàn)]

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[3]JAMES S.掩膜版清洗和光刻膠去除面臨的挑戰(zhàn)[J].集成電路應(yīng)用，2007，3（6）：28.

[4]陳堯.光掩膜霧狀缺陷改善與光刻良率提升[D].上海：上海交通大學(xué)，2008.