光刻工藝：堅(jiān)膜技巧解析

光刻工藝是半導(dǎo)體制造中的核心技術(shù)之一，在芯片的精密制造過程中扮演著至關(guān)重要的角色。在眾多光刻步驟中，堅(jiān)膜是一個(gè)不可忽視的環(huán)節(jié)。它直接影響到圖案轉(zhuǎn)移的質(zhì)量與效果，進(jìn)而決定著芯片的性能和穩(wěn)定性。那么，如何通過掌握?qǐng)?jiān)膜技巧，提升光刻工藝的精度和效率呢？今天，我們就來深入解析這個(gè)環(huán)節(jié)，幫助大家更好地理解并掌握?qǐng)?jiān)膜技巧。

光刻工藝流程圖

1 什么是堅(jiān)膜（Hard Bake）？

堅(jiān)膜是在光刻膠顯影后進(jìn)行的烘烤工藝步驟，目的是通過熱交聯(lián)或其他方法，提高光刻膠的化學(xué)或物理穩(wěn)定性，使其在后續(xù)的物理或化學(xué)過程（如濕法或干法蝕刻、電鍍等）中具有更好的工藝穩(wěn)定性和效果。

具體包括以下幾個(gè)方面：

揮發(fā)溶劑

使殘留的光刻膠溶劑全部揮發(fā)，避免溶劑對(duì)后續(xù)工藝造成影響，如污染離子注入環(huán)境等。

提高粘附性

提高光刻膠與晶圓片表面的黏附性，防止光刻膠在后續(xù)工藝中脫落。

增強(qiáng)抗腐蝕能力

增強(qiáng)光刻膠的抗腐蝕能力，使其能夠更好地起到保護(hù)作用，為下一步的刻蝕做好準(zhǔn)備。

除去剩余顯影液和水

除去顯影后殘留在光刻膠中的顯影液和水，減少它們對(duì)光刻膠性能的影響。

2 堅(jiān)膜工藝方法

熱烘烤

將顯影后的晶圓片放在熱板上或烘箱中進(jìn)行烘烤，溫度通常在 100℃-160℃之間，具體溫度和時(shí)間取決于光刻膠的類型和工藝要求。在烘烤過程中，光刻膠中的樹脂會(huì)發(fā)生熱交聯(lián)反應(yīng)，從而提高光刻膠的穩(wěn)定性。

深紫外堅(jiān)膜

通過低劑量紫外線輻照和高溫的結(jié)合的方法，使用深紫外堅(jiān)膜工藝只能使得光刻膠表面發(fā)生交聯(lián)。波長(zhǎng)為 250nm 的深紫外輻射會(huì)破壞樹脂的光刻膠分子，隨后加熱導(dǎo)致光刻膠結(jié)構(gòu)的交聯(lián)。由于深紫外輻射的穿透深度較低，在光刻膠表面形成了幾十納米厚的交聯(lián)“外殼”，在一定程度上保護(hù)了光刻膠結(jié)構(gòu)不受加熱的影響。

3 工藝要點(diǎn)

溫度控制

不同類型的光刻膠有不同的適宜堅(jiān)膜溫度范圍，需要根據(jù)光刻膠的類型精確控制烘膠溫度。如果堅(jiān)膜溫度過高，可能會(huì)導(dǎo)致光刻膠過度交聯(lián)，使其變得脆硬，容易產(chǎn)生裂紋，并且會(huì)增加去膠的難度；如果堅(jiān)膜溫度過低，光刻膠的交聯(lián)程度不夠，無法達(dá)到預(yù)期的穩(wěn)定性和抗蝕性。

避免產(chǎn)生裂紋

在烘烤過程中，光刻膠在 120℃-130℃左右開始脆化，光刻膠和襯底材料的不同熱膨脹系數(shù)可能會(huì)導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。如果必須做堅(jiān)膜工藝，不能降低溫度進(jìn)行，可以通過控制降溫速度來減小裂紋的形成，例如通過隨爐子冷卻來減小裂紋的產(chǎn)生。同時(shí)，烘烤后的襯底應(yīng)小心處理，避免變形，如襯底彎曲。

光刻膠變化

溶劑含量變化

隨著烘烤的進(jìn)行，殘余溶劑含量進(jìn)一步降低，光刻膠結(jié)構(gòu)的彈性也隨之降低。當(dāng)溫度超過 140℃時(shí)，正膠膜結(jié)構(gòu)交聯(lián)，光刻膠穩(wěn)定性提高。

光引發(fā)劑變化

在正膠情況下，相當(dāng)一部分光引發(fā)劑在 120℃下幾分鐘內(nèi)就會(huì)分解。雖然在顯影后不再需要光引發(fā)劑進(jìn)行光反應(yīng)，但在未曝光狀態(tài)下，它有助于提高光刻膠膜的堿性穩(wěn)定性，以及用于隨后的濕法蝕刻步驟或在 pH 值為 > 7 的溶液中進(jìn)行的電鍍工藝。由于光引發(fā)劑的分解降低，光刻膠膜的穩(wěn)定性甚至可能下降。

樹脂交聯(lián)變化

在正膠情況下，樹脂在 130℃-140℃下熱交聯(lián)強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，這可以顯著提高光刻膠對(duì)堿性或有機(jī)溶劑的化學(xué)穩(wěn)定性。對(duì)于負(fù)膠，烘烤可能會(huì)導(dǎo)致光刻膠交聯(lián)程度的增加，特別是在負(fù)膠工藝中使用的堅(jiān)膜溫度高于其曝光后烘的溫度的情況下，如果負(fù)膠顯影后的結(jié)構(gòu)在后烘前受到泛曝光（無掩膜版曝光），交聯(lián)程度會(huì)進(jìn)一步增加，從而提高側(cè)壁的濕化學(xué)穩(wěn)定性。

4 結(jié)語(yǔ)

堅(jiān)膜（Hard Bake）是光刻工藝中不可忽視的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響到光刻圖案的質(zhì)量和穩(wěn)定性。通過掌握?qǐng)?jiān)膜技巧，優(yōu)化溫度、時(shí)間控制以及操作細(xì)節(jié)，可以大大提高光刻工藝的精度，保證芯片制造的成功率。希望本文能幫助大家更好地理解堅(jiān)膜的作用和操作要點(diǎn)，助力光刻工藝的不斷提升。