轻松掌握光刻工艺：坚膜

 光刻工艺是半导体制造中的核心技术之一，在芯片的精密制造过程中扮演着至关重要的角色。在众多光刻步骤中，坚膜是一个不可忽视的环节。它直接影响到图案转移的质量与效果，进而决定着芯片的性能和稳定性。那么，如何通过掌握坚膜技巧，提升光刻工艺的精度和效率呢？今天，我们就来深入解析这个环节，帮助大家更好地理解并掌握坚膜技巧。

光刻工艺流程图

1 什么是坚膜（Hard Bake）？

坚膜是在光刻胶显影后进行的烘烤工艺步骤，目的是通过热交联或其他方法，提高光刻胶的化学或物理稳定性，使其在后续的物理或化学过程（如湿法或干法蚀刻、电镀等）中具有更好的工艺稳定性和效果。

具体包括以下几个方面：

挥发溶剂

使残留的光刻胶溶剂全部挥发，避免溶剂对后续工艺造成影响，如污染离子注入环境等。

提高粘附性

提高光刻胶与晶圆片表面的黏附性，防止光刻胶在后续工艺中脱落。

增强抗腐蚀能力

增强光刻胶的抗腐蚀能力，使其能够更好地起到保护作用，为下一步的刻蚀做好准备。

除去剩余显影液和水

除去显影后残留在光刻胶中的显影液和水，减少它们对光刻胶性能的影响。

2 坚膜工艺方法

热烘烤

将显影后的晶圆片放在热板上或烘箱中进行烘烤，温度通常在 100℃-160℃之间，具体温度和时间取决于光刻胶的类型和工艺要求。在烘烤过程中，光刻胶中的树脂会发生热交联反应，从而提高光刻胶的稳定性。

深紫外坚膜

通过低剂量紫外线辐照和高温的结合的方法，使用深紫外坚膜工艺只能使得光刻胶表面发生交联。波长为 250nm 的深紫外辐射会破坏树脂的光刻胶分子，随后加热导致光刻胶结构的交联。由于深紫外辐射的穿透深度较低，在光刻胶表面形成了几十纳米厚的交联“外壳”，在一定程度上保护了光刻胶结构不受加热的影响。

3 工艺要点

温度控制

不同类型的光刻胶有不同的适宜坚膜温度范围，需要根据光刻胶的类型精确控制烘胶温度。如果坚膜温度过高，可能会导致光刻胶过度交联，使其变得脆硬，容易产生裂纹，并且会增加去胶的难度；如果坚膜温度过低，光刻胶的交联程度不够，无法达到预期的稳定性和抗蚀性。

避免产生裂纹

在烘烤过程中，光刻胶在 120℃-130℃左右开始脆化，光刻胶和衬底材料的不同热膨胀系数可能会导致裂纹的产生。如果必须做坚膜工艺，不能降低温度进行，可以通过控制降温速度来减小裂纹的形成，例如通过随炉子冷却来减小裂纹的产生。同时，烘烤后的衬底应小心处理，避免变形，如衬底弯曲。

光刻胶变化

溶剂含量变化

随着烘烤的进行，残余溶剂含量进一步降低，光刻胶结构的弹性也随之降低。当温度超过 140℃时，正胶膜结构交联，光刻胶稳定性提高。

光引发剂变化

在正胶情况下，相当一部分光引发剂在 120℃下几分钟内就会分解。虽然在显影后不再需要光引发剂进行光反应，但在未曝光状态下，它有助于提高光刻胶膜的碱性稳定性，以及用于随后的湿法蚀刻步骤或在 pH 值为 > 7 的溶液中进行的电镀工艺。由于光引发剂的分解降低，光刻胶膜的稳定性甚至可能下降。

树脂交联变化

在正胶情况下，树脂在 130℃-140℃下热交联强度逐渐增强，这可以显著提高光刻胶对碱性或有机溶剂的化学稳定性。对于负胶，烘烤可能会导致光刻胶交联程度的增加，特别是在负胶工艺中使用的坚膜温度高于其曝光后烘的温度的情况下，如果负胶显影后的结构在后烘前受到泛曝光（无掩膜版曝光），交联程度会进一步增加，从而提高侧壁的湿化学稳定性。

4 结语

坚膜（Hard Bake）是光刻工艺中不可忽视的关键环节，直接影响到光刻图案的质量和稳定性。通过掌握坚膜技巧，优化温度、时间控制以及操作细节，可以大大提高光刻工艺的精度，保证芯片制造的成功率。希望本文能帮助大家更好地理解坚膜的作用和操作要点，助力光刻工艺的不断提升。