摘要
自 70 年代初以来，旋转分配的 HMDS 底漆已被用于提高光刻胶对基材的附着力。 目前，HMDS 气相底漆已成为一种成熟且广泛使用的光刻胶涂层技术。 由于减少了化学品消耗，并且经过处理的表面在数周内保持化学稳定性，因此蒸汽底漆更安全、更便宜。 在这篇综述论文中，我们讨论了蒸汽灌注程序的各个方面； 旋涂、轨道分配HMDS 程序与 YES -HMDS Vapor Prime Oven 系统之间的比较结果。 我们还提供了一个统计设计实验 (DOE) 的示例，用于优化特定应用的过程参数，并总结了在德克萨斯大学达拉斯分校进行的统计设计实验 (DOE) 的结果。
介绍
HMDS（六甲基二硅烷）首先在美国专利 3,549,368 中由 IBM 的 R. H. Collins 和 F. T. Devers (1970) 描述为半导体应用的光刻胶粘合促进剂。 从那时起，HMDS 蒸气底漆已成为光刻胶涂层应用中一种广为人知的首选技术。 它允许减少化学消耗，可以在数周内保持化学稳定性（Ut，UCB）。 除了适当的附着力外，表面水分也是一个主要因素，它也会降低抗蚀剂的附着力，并可能导致抗蚀剂图案剥落或通过抗蚀剂下的裂缝进行不需要的横向蚀刻。 YES Vacuum Vapor prime 提供了在同一工艺室中结合脱水和灌注的优势。
“Yield Engineering Systems 结合了最有效的真空烘烤和蒸汽底漆应用方法。通过使用相同的腔室，该系统为脱水和蒸汽灌注创造了一个加热的真空环境，大大降低了晶片再水化或污染的风险。”
– 普林斯顿大学，微/纳米制造实验室
HMDS (六甲基二硅氮烷 ) 工艺:
HMDS 与氧化物表面反应形成强键，如图 1 所示，但同时留下自由键与光刻胶反应并提高附着力。
*图 1：用 HMDS 处理的氧化硅表面的行为。
使用脱水烘烤（YES 工艺）对 HMDS 进行蒸汽灌注 : HMDS 将束缚水合晶片表面的分子水并随着晶片表面变得更加疏水而增加液体接触角。 还需要初始高温烘烤和脱水过程，以对基材进行均匀稳定的蒸汽底漆处理。 在 HMDS 应用之前需要这样一个完整的脱水过程来产生稳定的表面，如图 2 所示。
图 2：在 HMDS 工艺之前经过和不经过脱水的 HMDS 涂层表面的行为
HMDS 主要性能比较研究极端亚微米范围内的关键特征尺寸不断减小，因此在其制造过程中需要卓越的光刻程序。 光刻胶的附着力一直备受关注，因为它直接影响蚀刻图像关键尺寸的控制。 因此，HMDS 工艺也已在各种涂布机轨道上实施，并取得了不同程度的成功。
SVG Coater Track 与 YES HMDS Vapor Prime 工艺Kate O’Brien 在加州大学伯克利分校的 Marvell 纳米实验室研究了各种常用 HMDS 应用方法的 HMDS 启动效应。 在她的研究中，通过使用各种技术比较处理过的样品上的水滴接触角行为来监测不同 HMDS 技术的效果。 处理后立即从三个不同的 YES HMDS Vapor Prime 程序收集的接触角图像和接触角数据，带有 SVG 涂布机轨道和鼓泡槽，如图2 所示。所有三个 YES HMDS 程序都证明了与 带起泡器的湿罐和流行的 SVG 涂布机轨道。
*图 3：接触角与从每次处理后立即收集的各种 HMDS 应用方法获得的相关接触角图像的比较。
在这项研究中，接触角也进行了长达三周的监测，结果如图 3 所示。所有样品都表现出良好的长期表面稳定性，所有三个样品使用 YES HMDS 蒸汽底漆炉底漆都表现出一贯的优异性能
* 图 4：使用各种 HMDS 技术处理的样品的长期接触角行为。
*图 1、3 和 4 经加州大学伯克利分校的 Marvell 纳米实验室许可重印，来自 Kate O’Brien 关于 HMDS 应用方法的报告。
旋涂与 YES HMDS Vapor Prime 工艺
在 UTD 上进行了 YES 蒸气灌注和传统自旋灌注程序之间类似的寿命比较研究，两种方法的实验行为如图 4 所示。图 4 中的曲线显示了蒸气灌注晶片上的稳定接触角 至少两周，而旋涂底漆晶片的接触角在三天后降到推荐的接触角以下。
** 图 5：蒸汽底涂晶片的接触角稳定性和寿命行为显示出良好的稳定性至少两周，旋涂底涂晶片的接触角在三天后降到推荐接触角以下。
III: DOE 中的 HMDS 工艺特征
统计设计实验 (DOE) 是半导体工艺表征中的一种流行技术。 已报告的 HMDS 工艺 DOE 在脱水烘烤、分配时间、分配流速和化学反应时间的影响方面都表现出良好的一致性。 以类似的方式，统计实验旨在研究烤箱温度 (°C) 和初始持续时间 (秒) 的影响以及温度*时间的相互作用。
设计的实验在 UT Dallas 洁净室进行，收集接触角数据用于效果和相互作用分析。 DOE 的响应是在实验期间收集的后处理接触角 (°)。 SAS Institute JMP 4.0 软件用于对收集的过程结果进行建模。 请参阅文档“HMDS 过程设置”#SP2003-LI-001 版权所有 © 2003 达拉斯德克萨斯大学，了解实验细节。
** 表 1. 效果测试总结
|
Source |
Nparm | DF | Sum of Squares | F Ratio | Prob > F |
|
Source |
1 | 1 | 0.79757 | 1.5522 |
0.2680 |
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Temperature |
1 | 1 | 135.37852 | 263.4612 |
<.0001 |
| Temperature *Prime Time | 1 | 1 | 1 22.63740 | 263.4612 |
0.0012 |
各种影响和相互作用的测试结果汇总在表 2 中。表 2 以数字方式显示蒸气初始时间对接触角的影响最大，其次是温度 * 初始时间的相互作用，最后是温度。 这些影响分别在图 6 (a)、(b) 和 (c) 中进行了图示。
Prime Time (b) Temperature* Prime Time (c) Temperature
**图 6：图 a、b 和 c 分别以图形方式描绘了蒸汽黄金时间效应。
** 表 2、图 5 和图 6 中的 DOE 实验结果经德克萨斯大学达拉斯分校 Erik Jonsson 工程与计算机科学学院许可转载，文档“HMDS Process Setup”# SP2003-LI-001 版权所有 © 2003 德克萨斯大学达拉斯分校。
IV: YES HMDS工艺:
腔室泵清洗循环：沉积过程从泵开始，并在初始烘烤 10 分钟后清洗 150C 预热真空室的循环，以适当地使基板脱水。 将腔室抽真空至低压并重新充入纯氮气数次以完全去除水蒸气。 最初的可编程预热脱水步骤提供了足够的加热时间来将晶片预热到 150°C 的工艺温度。 典型的 YES-58TA HMDS Vapor Prime 工艺循环如图 9 所示。
图 7：典型的 YES-58TA HMDS Vapor Prime 工艺循环。
Vapor Prime：循环吹扫完成后，工艺室将降低 1 T 压力，比打开蒸汽阀之前装有 HMDS 化学品的烧瓶真空度更高。 当蒸气阀打开时，腔室将化学蒸气吸入腔室。 HMDS 蒸气然后与晶片反应。 5 分钟的汽化时间通常是晶圆厂对裸硅晶圆进行底漆处理的标准。 汽化时间是可调的，可以根据需要增加，以确保对各种类型的表面进行底漆处理。
工艺流程图：整个脱水和初始工艺可分为四个不同的工艺步骤，如图 8 所示
图 8：YES-58TA HMDS Vapor Prime 工艺流程图
HMDS 工艺验证：通常通过在工艺室中包含监控晶片并使用测角仪监控工艺前后的接触角来验证工艺结果。
水滴接触角测量是指示附着力的实用方法。 DOE 结果清楚地表明，在蒸汽灌注过程中，灌注时间是最重要的。从 DOE 的工作中可以清楚地看出，可以通过蒸汽底漆工艺优化来改善和优化水接触角。
在加州大学伯克利分校和达拉斯分校进行的接触角行为比较研究清楚并一致地表明，与 SVG 涂布机轨道和旋涂分配相比，YES HMDS 蒸汽底漆能力和预处理脱水能力的优越性。
HMDS 是一种致癌物质，应避免接触。在 YES HMDS 烘箱中，用户不会暴露在 HMDS 蒸气中，并且使用不到 1 毫升的水来为多达 200 个晶圆上底漆。因此，与涂布机轨道或旋转分配程序相比，蒸气底漆更安全、更便宜，并且如实验所示，可实现卓越的接触角和卓越的长期稳定性。
光刻是半导体制造过程中不可或缺的一部分。它用于描绘代表硅晶片表面特定器件或电路结构的图案。这些图案由光刻胶掩模制成，可保护其下方的基板免受后续处理。未受保护表面的物理或电气特性会被各种类型的工艺步骤改变，例如蚀刻、沉积、离子注入、溅射等。这个循环重复多次，直到完成整个器件。光刻是一个耗时且昂贵的过程。附着力不足通常会导致 PR 翘起、图案变形，在剥离抗蚀剂后需要再次重复该过程。如果 YES-HMDS 烤箱蒸汽底漆工艺可以在两周内消除一次光刻返工工艺，因为与使用涂布机轨道的 HMDS 底漆相比，它们具有优异的附着力，这将为任何晶圆厂节省大量成本和时间。
Yield Engineering Systems 要感谢加州大学伯克利分校和达拉斯的 UT 允许重新打印与 YES Vapor prime 工具相关的实验结果。
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