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超纯水污染对浸没式光刻技术的影响和净化
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时间：2007-12-30 15:22:11 


 
超纯水污染对浸没式光刻技术的影响和净化
 2007年10月12日　　　　
为满足消费者希望得到尺寸更小、速度更快、功能更强大电子产品的要求，半导体工艺设计师和芯片制造商采用光刻技术，通过缩小电路的线宽来提高芯片的容量。为了保持竞争力，制造商们计划从干式光刻转向使用超纯水（UPW）液体浸没式光刻（LIL）加工技术。使用液体浸没式光刻技术加工，制造商可以得到比“干的”透镜系统分辨率更高的图像。但是，超纯水浸没技术现在遇到几个与水的透明度有关的特殊的难题，这些问题可以通过液体净化和流量控制技术来解决。
光刻技术中的极限波长LW（分辨率）可以通过下列公式得出：
LW = k1λ/NA
其中，λ为照射光波长；k1为光学/工艺参数；NA为数值孔径，NA = n×sinθ，其中，n为液体的折射率。
在浸没式光刻技术中，把折射率高的液体（例如超纯水，折射率n=1.44）放在最后的透镜和晶片之间（取代折射率较小的空气，空气折射率n=1）。折射率比较高的去离子水（DI water）有两个好处：提高分辨率和增加高达的50％的景深，把更微小电路线印刷到晶片上 。



图1因水中有机物吸收而产生的透镜云斑。

尽管存在这些潜在的好处，超纯水浸没式光刻技术仍面临着如何保持水的透明度（低光吸率）和纯净度（污染物的ppt级含量）等几个特有的难题。为了提高产量，制造商们必须保证晶片不受溶解在水中的材料或微粒的污染和影响。他们还必须保证，在扫描和曝光过程中或在液体输送、回收和再循环系统中，超纯水不会产生气泡。因为浸没式光刻技术要求水中所含有杂质水平必须是非常微量的，所以制造商必须严格按照表1中严格的水质指标（国际半导体技术蓝图ITRS超纯水指南2006，网址：http://www.itrs.net/）执行，并且严格控制去离子水的温度以消除与折射率有关的图样化缺陷。
这里提供的信息描述了不同的水污染物和特性对浸没工艺的影响，并且介绍通过净化和调节技术除去离子水中的这些污染物以防止图样化缺陷。

超纯水参数和对浸没工艺的影响
溶解在水中的气体和气泡、微粒、总有机碳（TOC）以及工艺材料和管道元件析出的物质（离子和有机物）都有可能会污染晶片并且影响去离子水的折射率。总有机碳值比表1所列出的液体更高的超纯水，能够吸收扫描仪发出的DUV（远紫外光）的能量，引起缺陷，它也可能会导致各种吸附物堆积在透镜上并且引起传输损耗。



图1是因吸收了水中的含氟有机物在透镜上产生的云斑。总有机碳监测设备检测不出含氟有机物，但是通过对不易挥发的残留物进行分析可以测出这些有害物质的存在。选择比较干净的构筑材料（例如Teflon ®）作为系统元件是减轻污染的关键。紫外线（UV）氧离子交换过程可以把大多数有机分子打碎、变成二氧化碳（CO2）分子和水（H2O）分子从而把总有机碳降低到ppt级。其他有机分子只能通过电离和氧离子置换的方法来分离。

溶解在水中的气体
溶解在超纯水中的气体会产生气泡，当它在液体中运动时会产生不利影响。如图2所示，直径为10微米的气泡干扰了非偏振平面波并投下明显的阴影。既然水是运动的，而且又携带有气泡，那么延长曝光时间可以降低气泡对任何点的影响。抗蚀剂与气泡间距离是导致对特征分辨率和精确度的影响存在差别的原因。
对送进来的超纯水做真空排气可以降低溶解在水中的气体（包括通过紫外线氧化源产生的气体/气泡）的浓度。要想让溶解在水中的气体浓度下降到ppb的水平，关键是要使用总有机碳析出物低和微粒脱落低的清洁设备。常规的排气设备在标准流动速度下有效（>75％有效），但是这些元件中脱落的总有机碳比较高，这限制了它们在紫外线氧化源上游的应用，作为初级排气设备的Teflon ® 排气设备，由于效率比较低（>40％有效）而显得价钱比较，但是它们本身出色的清洁能度它们成为紧跟在紫外线源后面比较理想的排气设备。

超纯水中的微粒
由于超纯水中的微粒可能会沉淀在晶片上或者在晶片曝光时投下阴影并且引起晶片缺陷，采用（POU）末端过滤清除尺寸在0.03微米以上的微粒是必要的。一种方法使用了额定为0.03微米的“全”Teflon 过滤器，它在清除0.03微米大的微粒的有效截留效率超过了99.7％。有一种即开即用的过滤器测试能够在必要的检测范围下提取金属（除盐酸的ICP-MS曲线），同时又不影响超纯水的完整性。

图2 微型气泡阴影。


金属离子、二氧化硅和硼的净化：把POU混床净化器和二氧化硅/硼净化器装在一起可以除去浸没系统中的离子。强力树脂可以除去大部分金属和弱游离的二氧化硅和硼。
温度控制：稳定的水温通过消除折射率的变化来防止成像缺陷。人们对进入晶片工厂的水温的波动不太了解，也没有按要求的值来控制温度。为了获得成功，制造商必须把涂敷点的温度精确地控制在不超出目标温度的0.001℃或者1mK以内。
图3是达到20.5℃目标温度的（POU）末端超纯水系统的稳定温度值。该系统的目标温度是20.5℃，偏差不能超过0.01℃。温度测量详细数据显示，精确度为±0.0013℃，分辨率为±0.0001℃。冷却水需要通过排气来防止任何气体通过热交换器中的可溶性聚四氟乙烯管（PFA tube）进入工艺超纯水。
液体流动控制




图3超纯水系统稳定而又准确的温度控制。

在注水过程中，把稳定的去离子水流精确地/可重复地送到照射区域以防止气泡附着在晶片或者透镜上，这也非常重要。水漫过晶片时的注水速度能够带走抗蚀剂反应的副产品、水溶性抗蚀剂和在曝光时产生的热量，以防止改变折射率。目前的流动速度控制要求稳定在0.4至1LPM。在一些比较新的设计中，流动速度需要达到3LPM才能保持温度的稳定性。在刚开始注水时，流动速度要比较慢，这样才能保证透镜下面完全充满水，然后在扫描阶段流动速度会比较快，这样才能保证带走副产品，同时也保证了水流在分级移动时水弯月面的完整性。我们在系统中使用了Entegris公司的流动控制模块来保证水流可以按照可重复的稳定的速度流过照射区域。
图4是在透镜区域模拟液体流动过程的计算流体力学（CFD）。最佳的流动速度是达到不会产生气泡的稳定的水弯月面的关键。



图4 在透镜-晶片区域模拟液体流动工艺。

总结
研究表明在193纳米激光设备下使用超纯水液体浸没式光刻技术能够使光刻能力超过45纳米。但是，在这个比较低的分辨率下需要通过工艺控制来消除液体污染物和减少缺陷。
浸没式光刻技术必须设计成能够输送经过净化的总有机碳值低、微粒低和溶解氧水平低的去离子水。必须降低污染物水平以消除激光穿过超纯水时产生的干扰。净化系统要通过稳定的热量控制把温度偏差控制在不超过目标温度的0.001℃以内，以确保折射率稳定。在设计超纯水净化系统时，制造商必须选择干净的构造材料，控制从元件中提取的离子和有机物，控制溶解在水中的气体含量，并且保持精确的水温和流动控制。
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