金则清

（东莞新科技术研究开发有限公司， 广东 东莞 523087）

0 引言

在当今高度信息化的时代， 人们对硬盘存储密度有着无止境的需求。为提高对信息的读写密度，要求硬盘磁头在磁碟上的飞行高度越来越低。然而，在磁头制造过程中磁头气垫面边缘离子刻蚀残留物的凸起极易引起磁头低空飞行时擦碟的问题进而破坏磁头的读写性能， 影响可靠性。

通过本文的研究发现， 刻蚀边缘凸起其实是一种刻蚀淀积物残留， 论文重点是对残留物的来源及改善方法进行了系统性的分析的基础上，采用DOE 实验方法优化了软烘及显影工艺后， 增强了光刻胶与基材的粘附性进从而极大地减少了这种沉积残留物残留。

1 离子刻蚀残留物产生的现象描述及分析

本文讨论的工序主要是在磁头加工工序中的真空工序， 主要目的是制作出磁头在硬盘里工作时所需要的气垫面形状，其主要流程包括光刻（Photo process）和离子刻蚀（Ion Milling）以及除光刻胶（Resist Stripping）。通过这些工序产生良好的气垫面形貌以达到磁头在磁碟上正确低空飞行、准确读写、并保持良好的可靠性。

在完成光刻及离子刻蚀工序后，采用扫描电镜（SEM）去测量残留物的高度和形貌， 发现气垫面边缘有刻蚀残留物。 通过对残留物区域及正常区域用能量色散X 射线光谱仪（EDX）进行能谱分析，显示除了Fe（铁）元素（来自夹具或工作腔室壁材）外，残留物区域与正常未刻蚀区域元素种类相同（含有C，O，Al，Ti 基材成分），含量也相近。因此刻蚀边缘凸起其实是一种刻蚀淀积物残留。

2 正胶光刻的缺陷及残留物的形成机理

正性光刻胶的一大特点是光刻胶的未曝光区域由于溶解抑制剂的存在不受显影液的影响[1]，由于显影后保留下来的是未曝光的光刻胶，其粘附力会相对弱一些，容易出现光刻胶边缘与样品分离，在显微镜下可观察到光刻胶边缘的白边现象，见图1。

图1 白边Fig.1 White lace

为验证边缘白边现象是否就是沉积物残留， 安排了具有局部光刻胶白边坏品的样品进行等离子刻蚀，刻蚀完并正常清洗后进行原子力显微镜（AFM）测量分析，对于有白边的光刻胶区域，在等离子刻蚀完成后，发现了图形边缘会出现残留隆起，见图2，其他区域则没有。

图2 图形边缘残留物（AFM）Fig.2 Image Edge Residue （AFM）

测试结果显示沉积物宽度和高度分别为2μm 和94nm 左右。 而且光刻胶边缘白边位置与此类沉积物残留的位置一致。由此推测白边即光刻胶边缘翘起，与样品间形成了间隙。在等离子刻蚀时高能的离子（本文研究的是氬离子Ar+）沿着一定的角度轰击物料表面，如果某区域的刻蚀离子（Ar+）部分或全部被遮挡了，则在该区域的再沉积速度快于刻蚀速度从而形成沉积物残留[2-3]。 因此光刻胶与样品边缘松脱，则松脱部分氬离子Ar+被部分遮挡而引起再沉积速度快于刻蚀速度从而形成沉积物残留[4]。

3 改善刻蚀物残留的有效方法

由于残留物成分与基材基本相同， 很难采用物理或者化学的方法将其清除[5]。改善这种沉积物残留最好的方法是避免这种沉积物的产生。由前面的分析可知，显影之后的光刻胶边缘翘起（即光刻胶边缘白边现象）是产生这刻蚀物残留的原因。因此防止光刻胶边缘松脱翘起，应考虑如何增强光刻胶与物料间的粘附力[5]。由正光刻胶工艺简介及正光刻胶工艺缺陷及产生原因可知， 光刻胶旋转喷涂之后的软烘以及曝光之后的显影工艺对光刻胶的附着力会有影响。

为提高光刻胶的附着力以减少光刻胶边缘出现松脱翘起，软烘、温度以及时间是主要控制因素。 另外，显影工艺的冲水（去离子DI 水），流量过大或时间过长有可能使显影后的光刻胶边缘出现松脱。 因此软烘温度、时间以及显影工序中DI 水流量、DI 水冲水时间为控制白边产生的主要因素[6]。

由于因素较多，本文采用田口实验方法，四因素三水平的正交实验，见表1。

表1 DOE 正交实验因素水平列表Tab.1 List of DOE orthogonal experiment factors

实验结果的评估标准为白边发生比率。 白边发生比率越小，表明沉积物残留概率越小。 根据实验结果，通过对极差大小排列分析， 对产生白边的影响程排列度依次为A>C>B>D，即软烘温度>DI 水流量>软烘时间>DI 水冲水时间。通过DOE 实验结果分析，最优方案即白边比例最少的方案是A2B2C3D1。 换言之，最优条件所对应的软烘温度、 软烘时间、DI 水流量、DI 水时间分别为90°C，600s，150cm3/min，60s。 在得到最优条件后，进行了验证实验，结果非常理想，显影后没有明显的白边。 离子刻蚀完成后，进行了气垫面边缘残留物（Fencing）的测量，没有明显的凸起即Fencing，凸起高度只有0.2nm，见图3。

图3 改善后图形边缘（AFM）Fig.3 Improved Graphic Edge（AFM）

在确定软烘温度及时间为重点控制因素后，为减少人为误差带来的工序波动， 进一步设计了自动控制加热台，见图4。该加热台能进行加热温度及时间的设置，并设置了闭环温度控制系统以实现对温度的精确控制。通过控制物料的自动升降以精确控制物料在加热板上的加热时间。

图4 自动控制加热台Fig.4 Automatic control heating table

4 结束语

本文通过对等离子刻蚀残留物进行成分分析， 推断这些残留物产生于刻蚀时溅射物的再沉积。 观察到正光刻工艺完成后产生的白边现象，结合沉积物产生原理，推断出光刻胶边缘侧墙根部分离、 松脱或翘起而引致残留物沉积的模型， 再经过实验验证了这一模型并得出产生白边即会产生沉积物残留这一结论。 最后， 通过实验优化，采用DOE 的方法，得出最佳的软烘及显影工艺条件。由于软烘是引起正光刻胶分离或者说产生白边的关键因素，为减少人为误差引起的工序波动，设计了软烘的自动控制系统，实现了对温度和时间的自动控制，有效地预防了工序波动可能引起的沉积物残留。 目前，该工艺条件及温度自动控制系统已用于量产中。