光刻工藝：堅膜技巧解析

光刻工藝是半導體制造中的核心技術之一，在芯片的精密制造過程中扮演著至關重要的角色。在眾多光刻步驟中，堅膜是一個不可忽視的環節。它直接影響到圖案轉移的質量與效果，進而決定著芯片的性能和穩定性。那么，如何通過掌握堅膜技巧，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環節，幫助大家更好地理解并掌握堅膜技巧。

光刻工藝流程圖

1 什么是堅膜（Hard Bake）？

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

具體包括以下幾個方面：

揮發溶劑

使殘留的光刻膠溶劑全部揮發，避免溶劑對后續工藝造成影響，如污染離子注入環境等。

提高粘附性

提高光刻膠與晶圓片表面的黏附性，防止光刻膠在后續工藝中脫落。

增強抗腐蝕能力

增強光刻膠的抗腐蝕能力，使其能夠更好地起到保護作用，為下一步的刻蝕做好準備。

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，減少它們對光刻膠性能的影響。

2 堅膜工藝方法

熱烘烤

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

深紫外堅膜

通過低劑量紫外線輻照和高溫的結合的方法，使用深紫外堅膜工藝只能使得光刻膠表面發生交聯。波長為 250nm 的深紫外輻射會破壞樹脂的光刻膠分子，隨后加熱導致光刻膠結構的交聯。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“外殼”，在一定程度上保護了光刻膠結構不受加熱的影響。

3 工藝要點

溫度控制

不同類型的光刻膠有不同的適宜堅膜溫度范圍，需要根據光刻膠的類型精確控制烘膠溫度。如果堅膜溫度過高，可能會導致光刻膠過度交聯，使其變得脆硬，容易產生裂紋，并且會增加去膠的難度；如果堅膜溫度過低，光刻膠的交聯程度不夠，無法達到預期的穩定性和抗蝕性。

避免產生裂紋

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可能會導致裂紋的產生。如果必須做堅膜工藝，不能降低溫度進行，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生。同時，烘烤后的襯底應小心處理，避免變形，如襯底彎曲。

光刻膠變化

溶劑含量變化

隨著烘烤的進行，殘余溶劑含量進一步降低，光刻膠結構的彈性也隨之降低。當溫度超過 140℃時，正膠膜結構交聯，光刻膠穩定性提高。

光引發劑變化

在正膠情況下，相當一部分光引發劑在 120℃下幾分鐘內就會分解。雖然在顯影后不再需要光引發劑進行光反應，但在未曝光狀態下，它有助于提高光刻膠膜的堿性穩定性，以及用于隨后的濕法蝕刻步驟或在 pH 值為 > 7 的溶液中進行的電鍍工藝。由于光引發劑的分解降低，光刻膠膜的穩定性甚至可能下降。

樹脂交聯變化

在正膠情況下，樹脂在 130℃-140℃下熱交聯強度逐漸增強，這可以顯著提高光刻膠對堿性或有機溶劑的化學穩定性。對于負膠，烘烤可能會導致光刻膠交聯程度的增加，特別是在負膠工藝中使用的堅膜溫度高于其曝光后烘的溫度的情況下，如果負膠顯影后的結構在后烘前受到泛曝光（無掩膜版曝光），交聯程度會進一步增加，從而提高側壁的濕化學穩定性。

4 結語

堅膜（Hard Bake）是光刻工藝中不可忽視的關鍵環節，直接影響到光刻圖案的質量和穩定性。通過掌握堅膜技巧，優化溫度、時間控制以及操作細節，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膜的作用和操作要點，助力光刻工藝的不斷提升。