大型涂胶显影机的设计要点

胡延兵 魏猛 罗强

沈阳芯达半导体设备 有限公司，辽宁省沈阳市 110000

摘要

在芯片制程中涂胶显影设备起到了不可或缺的作用，利用机械人的传片及模块的工艺加工可实现晶圆在各工艺模块之间的运输与加工等功能，并通过配合光刻机从而建立晶圆的光刻胶涂覆、固化、图像对准、曝光、显影等光刻工艺流程。在本文中首先将对涂胶显影机的发展经历进行简要概述，然后对与光刻机联线生产，共同完成光刻工艺制程的现代大型涂胶显影机的特点需求进行分析，在此之后将根据生产流程需求对大型涂胶显影机的设计要点与相关原理进行全面阐述，最后将结合光刻机发展过程中不同代的涂胶显影机的功能需求与相关参数对大型涂胶显影机在半导体行业的未来进行分析与展望。

关键词：涂胶显影机；光刻胶；显影；光刻机；设计要点

一、涂胶显影机发展概述

半导体生产中有前道工艺和后道工艺， 前道工艺指的是从硅片加工开始直到在硅片上制成集成电路结束的工艺流程。更精细的几何形状对于实现高水平的集成电路一体化至关重要。为了达到更精细的设计标准，光刻工艺起到核心作用。这个过程是由曝光设备执行的，并通过涂胶显影机利用光刻胶将电路图案刻在晶圆上。涂胶显影机以及曝光设备必须满足不同客户与生产环境的需求，因此满足复杂涂胶工艺和相应的处理技术的要求以及同时保持高度可靠性尤为重要。[1]

涂胶显影产品的技术发展过程，是紧跟光刻工艺技术节点和光刻胶的特性技术。涂胶显影技术产品从1980年代MARK系列机型发展到2000年代Lithius系列机型，随着其内部工艺技术模块以及所匹配的光刻机类型的变化，设备的布局结构、环境技术控制参数、控制系统平台技术等诸多因素都发生了相应的改变。不同类别光刻胶所对应的不同年代不同类型光刻机以及相关的涂胶显影机机型和相关参数如表1所示。

表格 1：涂胶显影产品的技术发展进程

在涂胶显影技术应用过程中自动化生产为制造工艺不仅带来了更高的可靠性与精度，同时提高了生产速率以及更高的可编程灵活度，从而为涂胶显影流程带来更高的质量保证。在此同时，模块化设备为流程提供了更多可能性与更高的装配灵活度，模块化设备采用的集装箱式结构设计具有很好的移动性能和独立使用性能[2]。因此可将涂胶显影发展过程通过自动化程度与模块化程度大致分为三个阶段，即手工操作阶段，自动化阶段以及模块自动化阶段。

在二十世纪中期，涂胶显影工艺是在独立的桌上型的甩胶台上进行，通过对显影槽内的晶片手动操作完成显影流程；涂胶显影工艺发展至八十年代，施用了适应365纳米曝光波长的光刻胶，以平面化流水线形式轨道式排列实现自动取片等功能，从而初步实现了涂胶显影工艺的自动化过程；九十年代后，涂胶显影工艺可适应248纳米、193纳米曝光波长的光刻胶，可在立体化集散式的模块化涂胶显影机上全自动实施，其机型范例如图3所示。

图 1：TEL Lithius 系列涂胶显影机[3]

二、现代大型涂胶显影机特点与需求

涂胶显影机作为光刻机的输入端不仅要在曝光前完成光刻胶的涂覆流程同时还要作为输出端负责曝光后图形的显影功能。因此涂胶显影机的性能既会对细微曝光处的形成造成直接影响，同时还会依照其显影工艺的图形质量与误差等不同因素对后续蚀刻、离子注入工艺中的图形转移结果产生显著的作用。现代大型涂胶显影机与光刻机联线生产，共同完成光刻工艺制程。光刻工艺包括涂胶、涂胶后软烘、曝光前对准、曝光、曝光后烘烤、显影、显影后硬烘等步骤。随着光刻机的发展，现代大型涂胶显影机将依照光刻机的联线生产要求提供符合相应的光刻工艺的功能需求。

1、与光刻机联线生产，适应光刻机的需求

光刻机是整条生产线的标杆设备，它决定了整条生产线的工艺技术等级与产能，涂胶显影机的一切作业是围绕光刻机进行的。当今，最先进的光刻机是荷兰ASML公司生产的EUV极紫外线光刻机，国内目前没有这种设备。国内生产主要产品线是DUV深紫外线光刻机，主要产品为荷兰ASML产品和日本尼康NIKON产品，其结构模型图如图4所示。

图 2：ASMLTWINSCANNXT 1900i光刻机(a)与NIKON模型结构(b)[4]

2、顺利执行ArF及KrF光刻胶的涂覆与显影

由于现代大型涂胶显影机所应用的主要应用场景为DUV深紫外线光刻机为代表的国内生产产线，其光源曝光波长193纳米并在ArF及KrF光刻胶的胶面上进行曝光，因此现代大型涂胶显影机必须满足条件完成顺利旋涂ArF及KrF光刻胶及显影曝光后的ArF及KrF光刻胶模的任务目标。

3、及时进行曝光后的烘烤

晶圆在DUV光刻机曝光之后，光的热敏效应在胶膜内仍然进行，因此在涂胶显影机PEB模块曝光后需及时烘烤并快速冷却后终止曝光边际线的延伸，完成曝光工艺。

4、满足光刻机产能需求

现代大型涂胶显影机的结构构造需适配对标光刻机生产的直径为300毫米的晶圆，其次为满足不同光刻工艺需求提高生产灵活性，设备每小时产能需设置在120、150、180片三个挡内。

5、满足产线上优化设备占地空间的要求

为使设备于生产线上兼顾生产要求与尽可能保障空间利用率，设备的设计需不断优化以适应生产环境。

三、涂胶显影机设计要点

本章节将简要介绍现代大型涂胶显影剂的设计要点，用以满足生产需求，结合光刻机完成光刻工艺。

1、与光刻机联线生产，适应光刻机的需求

为实现涂胶显影机与光刻机之间的晶圆的灵活传递，需要在涂胶显影机与光刻机之间加装一个接口装置IF（Interface）。如图所示，其中蓝色部分为涂胶显影机主体，黄色部分为光刻机，紫色部分为IF接口装置。

图 3：涂胶显影机与光刻机联线的接口装置示意图

接口装置IF的主要功能是在涂胶显影机与光刻机联机之间传递晶片，当两台机器生产产能不匹配时可以缓存晶片，并且后续的光刻机曝光工序将通过其内部安装的曝光后烘烤模块进行。IF装置内还可增添晶圆边缘曝光模块和晶圆冷却模块等，这些模块的数量信息、位置信息可根据工艺要求而变化。设计要点如下：

（1）通过机械方式连接涂胶显影机与光刻机，使其可以单独抽拉分离，从而保证涂胶显影机和光刻机能够进行定期维护维修；

（2）该接口机械部分，满足涂胶显影机和光刻机不同高度位置的要求；

（3）该接口电控部分，满足涂胶显影机和光刻机通讯协议的信号定义端口需求；

（4）该接口装置内部满足半导体前道生产高净化的要求，内部气氛压力小于光刻机，但大于涂胶显影机，避免交叉污染。

2、满足ArF及KrF光刻胶对涂胶显影机内部环境的要求

涂胶显影机内部环境，是指内部风流方向要求、不同区域或腔池压力要求、区域内的洁净度指标、温湿度，及区域内的氨含量指标等。

设计要点如下：

（1）分区设计：将300mm晶圆匀胶显影机的主机部分分为若干个小环境区域，依照功能作用可分为机器人活动区域、离心工艺模块区域、热板工艺模块区域，按照结构布局可分为片盒区域、涂胶区域、显影区域、接口区域。

（2）设备阳压设计：设备整体为阳压状态（外泄风），内部小环境阳压状态依照区域分区设计不同而异，接口区域阳压值最大，离心处理工艺区域涂胶显影其次，热处理工艺区域第三高，工艺传片机器人区域第四高，最小阳压区域为片盒区。

（3）设备内风流方向：所有区域及腔池内风流方向，自上而下设计，风流走向为向下流动，各个小环境保证控制系统布局如表2所示，各个小环境内的温度、湿度、风速、氨含量、颗粒度等指标可按照不同的工艺要求进行调节。

表格 2：设备内风流方向控制系统

3、顺利执行ArF及KrF光刻胶的涂覆与显影

国内大型涂胶显影机主要进行i-线光刻胶、KrF光刻胶、ArF光刻胶的涂胶显影生产，所对应的光刻胶种类与特点如表3所示。

表格 3：光刻胶种类与特性

涂覆与显影过程的设计要点如下：

（1）涂胶、显影、热烘烤、晶圆冷却等工艺模块可通过内部工艺技术指标的控制实现对于不同种类光刻胶的涂胶显影生产；

（2）涂胶、显影、热烘烤、晶圆冷却等工艺模块的设计总体上采用封闭结构，以便于工艺实施时的精准控制；

（3）对于KrF光刻胶、ArF光刻胶的涂胶显影生产，温度、湿度、氨含量因素的控制等至关重要，需严格把控；

（4）保持模块的工艺技术指标的一致性可以大大提高设备整体的工艺性能。

4、及时进行曝光后的烘烤

晶圆在DUV光刻机曝光之后， 进入涂胶显影机PEB模块曝光后烘烤，温度的变化直接影响到工艺指标CD值，其具体变化规律如下图所示。

图 4：CD目标值随PEB模块内部温度变化的实验效果图

晶圆及时进入涂胶显影机PEB模块同样关键，在此过程中需保持PEB模块的环境温度。设计要点如下：

（1）PEB模块设计在靠近光刻机IF装置内或涂胶显影机的工艺区域内；

（2）涂胶显影机与光刻机须实现实时通讯，从而在曝光过程后执行晶圆进入涂胶显影机的传输过程，其传输控制要尽早在PEB模块中进行处理；

（3）PEB模块所需的技术指标要求较高。

5、满足光刻机产能需求

国内大型涂胶显影机对应的i-线光刻胶最大产能为80片/小时、KrF光刻胶最大产能为120片/小时、ArF光刻胶的最大产能为150片/小时。

设计要点如下：

（1）机台标准配置随着光刻胶种类而调整，具体表现在机台结构设计、模块的细化设计、机器人选配、设备流片的控制设计等方面；

（2）机台的结构设计首要因素需满足工艺技术的需求，其次需兼顾设备的操作灵活性与维护的方便性，再者要考虑相应的生产环境，最后要考虑经济适用性；

（3）工艺模块的精细化设计随着技术指标要求的增长而不断提升；

（4）工业机器人的选配，对于提升设备的产能起到关键作用。开发并应用新型机器人，是设备完善过程中的首要选择；

（5）控制系统的不断完善，也可大大助力设备产能的提升。

5、满足产线上优化设备占地空间的要求

大型涂胶显影机在工厂应用中，随着技术的进度与产能的提升，其占地空间不断加大，半导体生产厂的黄光生产线内环境技术指标高，价格昂贵，因此需对设备设计进行优化从而减小占地空间。

设计要点如下：

（1）分块化设计，将设备主工艺实施部分设在黄光区，辅助支撑部分设在次级区域；

（2）充分利用黄光区内有限区域，将设备结构设计向纵向方向发展；

四、涂胶显影机的展望

本文通过分析对接光刻机共同完成光刻工艺制程的现代大型涂胶显影机的相应的需求，来根据生产流程与生产环境全面阐述现代大型涂胶显影机的设计要点。近年来芯片的发展一度成为各国间的角逐点，带动全球晶圆厂设备的需求，也使得全球前道涂胶显影设备份额呈现增长态势。现如今国内地方政府推出集成电路投资基金，为半导体行业发展助力，从而为国产涂胶显影机带来巨大的发展契机。《中国制造2025》中提出明确要求，在2020年之前，90-32nm工艺设备国产化率达到50%，实现90nm光刻机国产化,封测关键设备国产化率达到50%。在2025年之前，20-14nm工艺设备国产化率达到30%，实现浸没式光刻机国产化。[5]

参考文献

2. H. Ito，M. Akimoto.TheFeatureof CLEAN TRACK LITHIUS Pro [R]，Tokyo electron limited annual report，2007

3. 德国ACHEMA展会趋势报告，模块化技术的未来趋势[C]，PROCESS《流程工业》，2018

4. TARA semiconductor technology, URL: https://www.tarasemi.com/listings/586568-tel-lithius-clean-track-8-inch-set-up

5. M. Heertjes,G, Leenknegt, H. Nijmeijer. Extended analytical charge modeling for permanent-magnet based devices : practical application to the interactions in a vibration isolation system [J],Proceedings of the American Control Conference,2009

6. 国家制造强国建设战略咨询委员会，《中国制造2025》重点领域技术路线图，2015:4-5

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