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      光掩膜缺陷和清洗:一種新環(huán)境

      2021-08-27 16:13:43鄢紅軍
      現(xiàn)代鹽化工 2021年3期

      鄢紅軍

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

      關鍵詞:光掩膜;清洗技術;結晶生長;深紫外光照射

      光掩膜的概念比薄膜晶體管(Thin Film Transistor,TFT)簡單,層次較少,工藝步驟也較為簡單,主要特征較為明顯。然而,掩膜的光學補償(Optical Compensation,OPC)特征等同于印刷階段的TFT尺寸特征。如果單個TFT產(chǎn)生了缺陷,就會對相應的圖形顯示造成影響。然而,如果單個掩膜產(chǎn)生了缺陷,所有的圖形顯示就會受到影響。采用光學技術對掩膜缺陷進行檢測,掩膜上只要產(chǎn)生光波動,就會導致缺陷被忽略。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備進行圖形檢測,以掩膜為基礎,對比圖形、設計數(shù)據(jù)庫或其他表面同一圖形。此類缺陷通常能夠被修復,需要采用各種化學物質對其局部進行激發(fā),或采用相關技術進行加工,添加缺失的材料或去除不必要的物質。

      軟缺陷指的是污染缺陷,由于顆粒通常較小,雖然不會對圖形造成損害,但是會導致光刻線條在TFT上無法保持完整。在清洗掩膜的過程中,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

      以往清洗光掩膜時采用的美國RCA實驗室洗凈技術,是美國為了清洗TFT發(fā)明的,能夠去除各種TFT和光掩膜的污染物,通常也叫標準清洗。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,而光掩膜對微粒污染的移除僅采用了SC-1。

      傳統(tǒng)清洗機器的架構如圖1所示,進料、出料區(qū)域分別在設備的前端、后端,槽中首先工作的是一堆硫酸槽,隨后通過清洗槽去除水中的離子,然后進入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。

      以往在清洗的過程中,光掩膜首先進入硫酸槽,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,加強氧化作用,反應式為:

      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,反應式為:

      Si+2H2O2→SiO2+2H2O(2)

      NH3+H2O←→NH4OH(3)

      SiO2+NH4OH←→Si(OH)4+NH3(4)

      同時,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SC-1溶液處理后,仍需用大量去離子水進行沖洗,以去除殘留的各種化學物質。最后在IPA槽中提拉光掩膜,使其表面干燥。

      以往用來清洗光掩膜的技術已經(jīng)得到了穩(wěn)定、成熟的應用,對各種污染微粒物質都有顯著的去除效果,并且產(chǎn)出速度非???,只需對設備進行簡單的維護保養(yǎng)即可,制程良率較高,能夠超過99%。由于此清洗工藝使用了大量硫酸和氨水,經(jīng)過所有流程的處理后,光掩膜表面會殘留硫酸根離子和氨根離子,在使用一段時間后就會產(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清洗設備內,把清洗功能分到各個手臂上,光掩膜置于Chuck上旋轉,硫酸雙氧水手臂旋轉到光掩膜上部,噴出硫酸雙氧水的混合液到光掩膜上,氧化去除有機物。Spin清洗增加了一個刷洗功能:手臂上有一個自旋的刷子,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,同時防止臟物返粘到光掩膜上。其次,將冷熱水交替使用,進一步去除表面殘留的化學物質。最后,快速旋轉甩干。但由于Spin清洗使用了硫酸和氨水,光掩膜上也會殘留硫酸根離子和氨根離子,使用一段時間后也會產(chǎn)生Haze缺陷。

      3?光掩膜的先進清洗技術

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

      3.1? 臭氧清洗技術

      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的氧化作用。電勢能較強的臭氧能夠氧化和腐蝕大量有機物和金屬。污染光掩膜的金屬顆粒在氧化作用下會變成金屬離子,進而從膜表面脫離,然后與清洗溶液共同排出。有機物不論是否飽和,都能夠通過與臭氧的反應生成CO2、H2O。臭氧濃度在反應階段逐漸降低,同時會產(chǎn)生特定的氫氧離子,其活性較強,且電勢能和氧化性比臭氧高,隨著氫氧離子參與反應,能夠更快地氧化有機物,使其成為CO2和H2O。臭氧水與金屬、有機物的反應流程分別如圖3~4所示。

      3.2? 紫外光照技術

      紫外光(Ultraviolet,UV)曝光的主要目的有:(1)在長鏈化合物中,通過UV打斷化學鍵,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,并且能夠加快反應速度,在清洗階段通過照射實現(xiàn)殘留離子的萃取。(3)使光掩膜表面具備更強的活性,實現(xiàn)光掩膜表面由疏水性向親水性的轉變,從而使化學藥液在膜表面分布得更均勻。(4)在化學清洗過程中進行照射,能夠使化學反應更快。例如,波長為172 nm的深紫外線,光子的能量達到了7.21l eV,大于有機化合物的大量化學鍵,所以在有機化合物中能夠打斷大部分化學鍵[3]。

      4?新興清洗技術的提升策略

      在部分制程中采用的先進光掩膜,在生產(chǎn)TFT階段采用的曝光波長都是413 nm。采用以往的清洗技術對光掩膜進行清洗,如果進行大量曝光,會在6個月后產(chǎn)生Haze缺陷。在導入臭氧水并且清洗技術由硫酸作用轉變?yōu)?65 nm的UV曝光后,如果進行大量曝光,也會在18個月后產(chǎn)生Haze缺陷。因此,需要在新技術的基礎上,優(yōu)化相關參數(shù)和其他流程,以進一步控制結晶生長。

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

      4.1? 優(yōu)化清洗程序

      根據(jù)相關測定,萃取殘留離子的效果與365 nm UV曝光效果以及高溫熱水作用效果的累計時間有關,作用時間越長,萃取效果越好。然而,為了使光掩膜表面及其相位保持完整,不能按照我國的標準來設定單個程序的清洗時間。同時由試驗可知,殘留硫酸根離子的質量分數(shù)與是否頻繁使用新程序進行清洗有較大的關系。因此,通過設定特定的量化指標,經(jīng)過硫酸程序的多次清洗,減少臭氧水程序需要清洗的次數(shù)。在減少這個指標后,殘留硫酸根離子的質量分數(shù)并沒有改變。如果這個指標較小,殘留離子的質量分數(shù)就會比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代替硫酸,就能夠使殘留離子的質量分數(shù)減小。在剛引入清洗技術時,只有兩個清洗步驟用到臭氧水,也就是Bef-mount clean和final clean。根據(jù)驗證,只有1st strip、Bef-mosi dry clean和2nd strip這3個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,清洗次數(shù)下降了,殘留離子的質量分數(shù)也會快速下降。因此,在硫酸清洗程序中,通過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,改善結晶問題[4]。

      4.2? 優(yōu)化清洗參數(shù)

      在設定清洗程序的過程中,主要涉及各步驟清洗作用所需的時間、清洗的物理功率等。為了使清洗良率達標,需要盡可能地延長4個清洗步驟所需的時間。為了控制相位損耗、延長各步驟所需時間,要有針對性地調整化學溶液的溫度和濃度。當收集的實際數(shù)據(jù)大于50片時,根據(jù)各項參數(shù)確定所需設定的數(shù)值。對清洗程序進行完整的測定后可知,所有清洗指標都符合標準規(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?結語

      受到大量結晶的影響,光掩膜的穿透率會降低,進而無法保持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的基礎上,優(yōu)化清洗程序和清洗參數(shù)。

      [參考文獻]

      [1]李德建.基于Haze缺陷降低的新型光掩膜清洗技術的工藝設定[D].上海:上海交通大學,2009.

      [2]張式軍.光污染—一種新型的環(huán)境污染[J].城市問題,2004(6):31-34.

      [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,2008.

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