抗反射层 – ARC

薄胶的厚度及其均匀性取决于曝光波长。由于光刻胶通常是在非单色波长或单色光的情况下进行曝光,在光刻胶表面或衬底上的入射光和反射光之间会产生干涉,导致光强在入射方向上的不均匀分布,这种不均匀分别通常呈现出波浪线形态,我们称之为驻波效应。
本文将会从基础物理的角度介绍“驻波效应”产生的原因,对曝光产生的影响,以及我们可以采取的改善手段。

光刻胶表面的反射及顶部抗反射层(TARC)

原理

在光刻胶曝光过程中,入射光(图1中的I0)在空气/光刻胶以及光刻胶/衬底界面上部分反射。对于垂直入射光,如果光刻胶的厚度是两束反射光IR1和IR2的光程差的整数倍。则构成干涉是构,因此出现干涉相长和干涉相消的光强。
IR1和IR2的强度相对于入射光的强度I0越大,这种效应越明显,IR1和IR2的强度差别越小,驻波效应也就越小。这取决于光刻胶的光学厚度和衬底的反射率等因素。

现实情况

用i线曝光(365 nm波长)在光刻胶中的半波长约为(折射率为1.6)114nm。因此,只要光刻胶薄膜厚度接近IR1和IR2光程差约为57nm。晶圆片表面上或晶圆间的光刻胶厚度相应的不均匀性通过这种干涉效应而发生改变,相应位置上的光刻胶膜就会有曝光剂量。

光刻胶厚度与光刻胶膜光吸收率之间的关系转化为光刻胶显影速率或光剂量,如图2所示,即所谓的摆幅曲线:光刻胶厚度 不可避免 几十纳米的变化幅度会带来显影速率或者响应的曝光剂量产生10%以上的变化,这使得光刻工艺的控制变得更困难。

图1 光在光刻胶与空气界面以及光刻胶与衬底界面上的反射示意图,以及增加TARC后的反射示意图

使用BB-UV(例如,h-line和i-line)光源曝光,这种效果比单色光源曝光效果更好,因为不同周期的几个摆幅曲线在会重叠而变得更加平滑。

图2 光刻胶摆幅度曲线,以及不同厚度下的显影效果图

改善措施

在光刻胶膜上涂上一层抗反射涂层(顶层抗反射涂层 – TARC)可降低入射光在空气/光刻胶界面的反射IR1(类似于透镜的光学薄膜)。因此,由于较低的IR1强度,光束IR2实际上可以继续建设性地或破坏性地干扰IR1,但只有在振幅大大降低的情况下,也比较了摆幅曲线的最小值和最大值之间的差异。

市场上有商业化TARC产品,可以利用旋涂的方法涂布在光刻胶表面,用来消除曝光过程中的驻波效应,显影后可用过溶剂去除。

尽管TARC很容易使用,但在每一个光刻过程中都应该权衡一下,如果有必要的话,通过比较实验来评估TARC的使用是否真的有必要,是否会带来预期的改进。

衬底表面的反射和底部抗反射 – BARC

原理

在光刻胶曝光过程中(图3),其穿过光刻胶并沿衬底方向运行的光束 IT 干扰从衬底反射并指向光刻胶表面的光IR。对于每个波长,光强的变化沿着 垂直于衬底方向周期性地波动,平行于光的入射方向。 这种光强分布的周期是光刻胶介质中光波长的一半,对于折射率为1.6的光刻胶中的i线(365nm)曝光大约是114nm。

朝向衬底的入射光IT和反射光TR光束的光强越接近,产生的干涉图案就越明显。基体反射越强,抗蚀剂膜吸收越少,越能满足这种条件。IT=IR这种情况越满足,衬底表面反射越强,光刻胶吸收越少。

下图4 展示了这种关系的基础上的数值模拟的抗蚀膜厚度可比的穿透深度的曝光波长。当衬底反射率为0%时,光掩膜“单缝”处的衍射图样决定了光强分布,而随着衬底反射率的增加,曝光波长方向光强分布呈现sin^2的趋势越明显。

图3 光在光刻胶中的入射和在衬底表面的反射,以及底部抗反射层示意图

对于薄的光刻胶膜,当反射光强 IT=IR这种关系时在光刻胶内部呈现sin^2分布的现象将会更加明显,与到光刻胶表面的距离没有关系。

实际效果

在曝光过程中,光刻胶上的强度分布是由光束经过光刻胶与衬底的界面反射后的光强的叠加,这种光强的不均匀分布会对显影产生影响,从而产生驻波效应。

一方面,显影后的光刻胶侧壁展现出平行于衬底表面的波浪形态,这也正是光强呈现sin^2周期性分布(图5所示)。

另一方面,显影速度在深度上呈周期性变化,在极端情况下 (100%在衬底上反射) 衬底狭缝附近光强呈现sin^2分布的最小值可以为零。

而在宽光谱曝光的情况下 ,g-line、h-line和i-line的光强sin^2分布会在不同的周期相互叠加而形成一个相对均匀的光强分布,这里描述的效果在单色光源曝光时会体现的更明显。

改善措施

在衬底和光刻胶膜之间的做抗反射层(底层抗反射涂层,BARC)使从衬底反射的光强度最小化,从而使与干扰相关的sin^2光强度分布的振幅最小化。

图4 反射率增加对光强分布的模拟图

如下图5中的SEM图所示,没有使用BARC时,光刻胶侧壁中的遵循sin^2光强分布形成的驻波、伴随产生的缺陷和孔洞缺陷以及使用BARC后由于衬底上的反射率的降低带来光刻胶断面的改善。

图5 有无BARC的光刻胶侧壁形态对比

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