超臨界二氧化碳處理技術(shù)在光刻技術(shù)中的應(yīng)用

引言

作為半導(dǎo)體器件和MEMS微加工技術(shù)基礎(chǔ)的光刻技術(shù)中，顯影和清洗等濕法工藝是必不可少的。在本稿中，介紹了能夠定量評(píng)價(jià)超臨界CO2處理對(duì)微細(xì)光刻膠圖案―基板間的粘接強(qiáng)度帶來(lái)的影響的、用于微小結(jié)構(gòu)材料的粘接強(qiáng)度試驗(yàn)法。 并且，實(shí)際利用該試驗(yàn)法，測(cè)量在不同的超臨界CO2處理?xiàng)l件下制作的微細(xì)光刻膠圖案的粘附強(qiáng)度，通過(guò)超臨界處理?xiàng)l件提高粘附強(qiáng)度的定量性證明了這一點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)

該微細(xì)加工技術(shù)還應(yīng)用于Micro―electro―mechanical system(MEMS)器件的微機(jī)械元件的制造。 MEMS器件是指在基板上集成由數(shù)～數(shù)百微米尺寸的部件構(gòu)成的微機(jī)械元件和電子電路。 圖1顯示的是一般的半導(dǎo)體·MEMS微加工技術(shù)的示意圖。 圖1左圖是作為半導(dǎo)體器件制造基礎(chǔ)的二維微細(xì)加工技術(shù)，利用光刻法，在通過(guò)旋涂等在基板上薄薄涂布的感光性光刻膠膜上，利用紫外線、電子束等對(duì)微細(xì)圖案進(jìn)行曝光、顯影，從而在基板上用高分子光刻膠薄膜制作超微細(xì)圖案的技術(shù)。 通過(guò)利用該微細(xì)抗蝕劑圖案作為掩模對(duì)基板上的薄膜進(jìn)行蝕刻，或者利用該微細(xì)抗蝕劑圖案作為模具進(jìn)行氣相沉積、電鍍等，在基板上制作高密度集成電路。

在MEMS器件中，通過(guò)組合該二維光刻法和三維微加工雙方的微細(xì)加工技術(shù)并反復(fù)實(shí)施，同時(shí)進(jìn)行超微細(xì)電子電路和微小機(jī)械要素的制造、組裝。

如前項(xiàng)所述，由于急劇的高集成化，光刻膠的圖案寬度急劇減少，與此相對(duì)，光刻膠膜厚的減少率較低，其結(jié)果是微細(xì)光刻膠圖案的高長(zhǎng)寬比（圖案高度/圖案寬度）化得到了發(fā)展。

為了解決顯微抗蝕劑圖案與各種溶液之間起作用的表面張力的問(wèn)題。 圖2顯示的是由于超細(xì)微抗蝕劑圖案的細(xì)微化、狹窄化、高長(zhǎng)寬比化而產(chǎn)生的新問(wèn)題的模式圖。 在顯影·清洗等濕法工藝中，由于光刻膠圖案變窄·高長(zhǎng)寬比化，在表面張力的影響下，各種溶液向光刻膠圖案間的侵入·循環(huán)·排出受到阻礙（圖2上圖）。 因此，沒(méi)有足夠的新鮮溶液供應(yīng)到微細(xì)化的光刻膠圖案內(nèi)部的各個(gè)角落，導(dǎo)致微細(xì)化圖案的顯影不良和圖案底部的清洗不良。 而且，在利用微細(xì)圖案的電鍍和蝕刻等濕法工藝中，如果向圖案內(nèi)部的新鮮溶液循環(huán)受到阻礙，反應(yīng)就無(wú)法進(jìn)行，因此會(huì)發(fā)生電鍍不良和蝕刻不良等各種問(wèn)題。 另一方面，在干燥過(guò)程中，由于毛細(xì)力的影響，在超微細(xì)化和高縱橫比的抗蝕劑圖案的間隙中殘留大量溶液，并且由于圖案內(nèi)部的毛細(xì)力和外部的氣壓之間的差，在圖案外部產(chǎn)生力。

以下介紹實(shí)際將超臨界CO2應(yīng)用于光刻的顯影·清洗·干燥工序等的研究事例。 作為將超臨界CO2應(yīng)用于光刻顯影的例子，有利用超臨界CO2溶解某種高分子的性質(zhì)，用超臨界CO2成功顯影導(dǎo)入了甲基硅氧烷結(jié)構(gòu)和碳氟化合物結(jié)構(gòu)的光刻膠的研究14），15）。 此外，還進(jìn)行了在加入添加劑的超臨界CO2溶劑中可顯影的EUV曝光用光刻膠的開(kāi)發(fā)16），17），以及為使極性聚合物的顯影成為可能的向超臨界CO2溶劑中添加氟化銨鹽等的研究開(kāi)發(fā)。

為了防止這種情況的發(fā)生，需要對(duì)微細(xì)光刻膠圖案的粘接強(qiáng)度和工藝條件的關(guān)系進(jìn)行定量評(píng)價(jià)的方法。構(gòu)成半導(dǎo)體·MEMS器件的微小結(jié)構(gòu)部件大多是為了制作微小尺寸的部件而新開(kāi)發(fā)的材料，或者用特殊的制造法制作的。 由于這些只能通過(guò)微小尺寸得到，因此不能適用于使用通常尺寸的試驗(yàn)片的材料評(píng)價(jià)試驗(yàn)，其機(jī)械特性有很多不明確之處。 而且，微結(jié)構(gòu)材料的機(jī)械特性受到光刻和微加工等各工藝條件的強(qiáng)烈影響，但由于工藝工序涉及多個(gè)方面，其影響程度目前還不清楚。

由于試驗(yàn)簡(jiǎn)便，因此在研究開(kāi)發(fā)現(xiàn)場(chǎng)被廣泛實(shí)施。 但是，該方法可以判定膠帶-試料間的附著力和基板-試料間的附著力中哪一個(gè)更強(qiáng)，因此很難進(jìn)行嚴(yán)密的定量評(píng)價(jià)。 除此之外，作為能夠?qū)迳现谱鞯谋∧みM(jìn)行直接試驗(yàn)的方法，還有劃痕試驗(yàn)另一方面，關(guān)于以MEMS的微機(jī)械要素等基板上制作的三維微小結(jié)構(gòu)材料為對(duì)象的定量粘接強(qiáng)度評(píng)價(jià)法，目前還沒(méi)有國(guó)內(nèi)外的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。 因此，對(duì)于三維精細(xì)結(jié)構(gòu)材料的定量粘附強(qiáng)度評(píng)估，需要統(tǒng)一的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

因此，下面整理了以三維微小結(jié)構(gòu)物為對(duì)象的定量粘接強(qiáng)度評(píng)價(jià)法標(biāo)準(zhǔn)化的必要條件。 首先是試驗(yàn)片形狀，考慮到要進(jìn)行各種工藝條件的評(píng)價(jià)，粘接強(qiáng)度試驗(yàn)片最好是制作容易、工藝工序少的簡(jiǎn)單形狀。 其次是試驗(yàn)方法，為了能夠適用于大范圍的試驗(yàn)機(jī)，要求試件的保持方法和對(duì)齊方法，以及對(duì)試件的加載方法要簡(jiǎn)單且容易。 另外，一般情況下，粘接強(qiáng)度數(shù)據(jù)有很大的偏差，因此有必要對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

該微小結(jié)構(gòu)部件的粘接強(qiáng)度測(cè)量中使用的試驗(yàn)裝置的必要條件為:①具有能夠?qū)⒓虞d夾具移動(dòng)到微小圓柱形試驗(yàn)片的加載位置的精密定位機(jī)構(gòu)；②具有能夠以一定位移速度對(duì)微小尺寸試驗(yàn)片進(jìn)行精確位移的機(jī)構(gòu)；③具有能夠精確測(cè)量、記錄當(dāng)時(shí)負(fù)荷的系統(tǒng)。

在此，展示了實(shí)際使用抗蝕劑材料制作微小圓柱圖案，進(jìn)行微小圓柱試驗(yàn)片―基板間的粘接強(qiáng)度試驗(yàn)，評(píng)價(jià)超臨界CO2工藝的例子。 本例使用的是以永久使用為目的開(kāi)發(fā)的環(huán)氧系厚膜抗蝕劑SU-8。 SU-8是利用通用的紫外線曝光的光刻法，可以容易地制作厚膜、高長(zhǎng)寬比的微細(xì)結(jié)構(gòu)物，因此作為發(fā)揮低彈性模量和穿透性等特征的永久使用的微細(xì)結(jié)構(gòu)部件，有望應(yīng)用于懸臂梁、微流路、光波導(dǎo)等領(lǐng)域的光刻膠。 使用該SU―8，在15 mm見(jiàn)方的硅基板上，通過(guò)光刻法在同一工藝條件下，制作了多個(gè)圓柱直徑125μm、圓柱長(zhǎng)度78―110μm的微小圓柱試驗(yàn)片。

表1表示超臨界CO2處理?xiàng)l件的例子。 在本例中，將SU―8微小圓柱試驗(yàn)片的基板分成兩部分，在相同條件下進(jìn)行超臨界CO2處理后，分別在不同條件下進(jìn)行減壓工序。

上述結(jié)果表明，在光刻的超臨界CO2處理中，如果控制減壓條件，就有可能提高SU―8微小光刻圖案的粘合強(qiáng)度。 像這個(gè)例子一樣，通過(guò)系統(tǒng)地改變超臨界CO2處理?xiàng)l件，定量地評(píng)價(jià)對(duì)微小光刻膠材料的粘著強(qiáng)度帶來(lái)的影響，可以認(rèn)為這將有助于將超臨界CO2工藝更積極地應(yīng)用于光刻工藝。

討論和總結(jié)

本文在整理利用超臨界二氧化碳的半導(dǎo)體·MEMS的微細(xì)加工技術(shù)中可能發(fā)生的問(wèn)題點(diǎn)的基礎(chǔ)上，介紹了能夠定量評(píng)價(jià)工藝對(duì)微細(xì)光刻膠圖案-基板間的粘附強(qiáng)度的影響的用于微小結(jié)構(gòu)材料的粘附強(qiáng)度試驗(yàn)法。 超臨界二氧化碳處理作為解決在年復(fù)一年的微細(xì)化、高長(zhǎng)寬比化、復(fù)雜化的微小加工技術(shù)中產(chǎn)生的表面張力和毛細(xì)管力問(wèn)題的方法是非常值得期待的，但另一方面，對(duì)高分子抗蝕劑材料的影響，特別是對(duì)粘著強(qiáng)度的影響也令人擔(dān)憂。

為了積極推進(jìn)超臨界二氧化碳處理技術(shù)的實(shí)用化，有必要定量評(píng)價(jià)該工藝對(duì)微小圖案的強(qiáng)度和附著力等機(jī)械性能的影響，保證其安全性。 而且，如果能夠明確工藝條件和微小圖案材料的機(jī)械性能的關(guān)系，就有可能通過(guò)超臨界二氧化碳處理積極地進(jìn)行高分子的改質(zhì)等。 微小尺寸材料的機(jī)械性能評(píng)價(jià)將成為將超臨界二氧化碳處理積極應(yīng)用于半導(dǎo)體制造技術(shù)的關(guān)鍵。

　　審核編輯：湯梓紅