芯路历程：神奇的旋涂

文 /

刘显和，复旦大学青年副研究员，法国斯特拉斯堡大学化学与物理博士。

任志伟，复旦大学微电子学院硕士研究生。

张振鹏，复旦大学微电子学院硕士研究生。

伍强，复旦大学研究员、博士生导师，美国耶鲁大学物理学博士。

集成电路产业链的独立自主可控发展是国家战略性需求，是《中国制造2025》的重要目标之一。在集成电路制造中，光刻占用超过1/3的成本。通过光刻机对旋涂有光刻胶的硅片进行曝光，再经过显影、刻蚀等步骤，集成电路图形就可以转移到硅片上。那么，光刻胶怎样才能又好又快地涂到硅片上呢？

在日常生活中就有类似的场景：在做煎饼果子时，面点师傅会将面糊滴到旋转中的加热盘中央，通过旋转将面糊均匀摊在整个加热盘上烘焙。

光刻胶的旋涂原理与其类似，依靠硅片吸附台旋转时产生的离心力，将光刻胶均匀涂到衬底表面。不同的是，在芯片制造中，光刻胶的旋涂要求更加严格，需要综合考虑光刻胶的厚度、均匀性、黏附性和沾污等问题，而这些步骤都由涂胶-烘焙-显影一体式轨道机中的涂胶子系统完成。

我们先从实验室的简易匀胶机入手，介绍旋涂原理。KW-4A型匀胶机可设置两级转速和旋转时间。

KW-4A型匀胶机

更先进的匀胶机还可设置每级转速对应的加速度，实现匀胶的精细化调控。匀胶机工作时，利用真空吸附台吸附硅片，硅片台带动硅片高速旋转来将光刻胶均匀地涂敷到硅片上。对主流的300毫米直径硅片而言，涂胶的转速为600～2 500转/分，小直径的硅片转速可以更高。将转速折算为线速度的话，最大线速度可达到141.3千米/时，与我国特快型火车的速度相当。我们还发现，成膜的厚度与转速的开方成反比，即转速越快，成膜的厚度越薄。这个转速范围可以对应约2倍的膜厚变化，如果需要进一步改变其厚度，就需要适当调节光刻胶的黏度。以涂覆于小直径硅片的PMMA（一种高分子聚合物，又称亚克力或有机玻璃）电子束光刻胶为例，黏度越小，转速越大，旋涂的膜就越薄。

在旋涂过程中，多余的胶会被离心力甩出，但会有一部分堆积在硅片边缘，增加边缘厚度，甚至在表面张力与吸附力的作用下流到硅片背面，影响后续工艺。因此，光刻轨道机中的涂胶子系统在实验室的简易匀胶机基础上，增加了边缘去胶喷头、硅片底部去胶喷头和排风抽吸系统。

涂胶子系统示意图

边缘去胶喷头可以把硅片边缘的多余光刻胶去除。底部去胶喷头可以把流淌到硅片背面的光刻胶去除，降低后道工序里硅片台被沾污的可能性。排风系统则可以将高速转动甩离硅片的光刻胶快速排出，避免胶滴撞击涂胶槽的边缘回溅形成缺陷。

涂胶子系统中的光刻胶旋涂流程可分为4个步骤。一是喷涂溶剂浸润硅片表面，让后续光刻胶在硅片表面流动更加容易，均匀覆盖在硅片表面，且不会留有气泡。二是高速匀胶，用较高的角加速度和速度将光刻胶扩展到整个硅片表面。三是成膜，进行20～30秒的成膜转动，通过调节转速达到目标厚度。四是边缘和背面去胶，通过溶剂把硅片边缘和背面附着的光刻胶清洗干净。

另外，旋涂过程可能会产生若干缺陷。例如：不合适的转速将导致光刻胶形成拖尾型缺陷；若硅片存在污染颗粒或硅片表面起伏过大，将导致颗粒物或气泡缺陷。在实际生产中，溶剂管道可能含有微量金属污染，有些金属元素会与光刻胶发生反应吸附在硅片表面，造成缺陷。如果光刻胶供应回路的气密性不良，空气会进入管道形成微气泡，这些微气泡随着光刻胶进入硅片上，也会形成气泡缺陷。生产空档期的光刻胶静置在回路中，容易集聚形成大的团聚物，其在显影液中的溶解速度低，会导致后续工艺形成桥接缺陷或“盲洞”缺陷。在喷涂光刻胶过程中，由于光刻胶喷头外面或者回吸后的液面因为溶剂接触空气挥发，光刻胶浓缩发生结晶吸附在喷头上，在下一次喷涂时也会在硅片上造成缺陷。只有解决了这些缺陷，才能旋涂出符合芯片生产要求的光刻胶面。

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《科学画报》2023年第12期

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