前烘（軟烘）

在前面“一般光刻過程”文章中我們概要介紹過光刻的一般過程，其中就介紹過前烘（軟烘）的相關(guān)知識(shí)，前烘是光刻工藝中比較簡(jiǎn)單的工藝過程，但是也是需要我們注意的必要步驟之一。接下來我們將針對(duì)前烘進(jìn)行詳細(xì)介紹。

前烘的目的

涂膠后，光刻膠薄膜的殘余溶劑濃度一般為10 – 35%，這取決于膜的厚度和所用的溶劑種類。前烘的目的是將溶劑的殘留濃度將至最低，避免光刻膠粘在掩膜版上從而導(dǎo)致掩膜版污染；防止DNQ基光刻膠在曝光過程中形成并產(chǎn)生氣泡缺陷；提高光刻膠與襯底的粘附性；顯影時(shí)減小正膠的的暗腐蝕效應(yīng)；多層膠工藝或者多次旋涂工藝下，防止溶劑溶解下層膠；防止在后續(xù)的工藝過程中(如金屬化或干法蝕刻) 熱效應(yīng)下溶劑的揮發(fā)導(dǎo)致產(chǎn)生氣泡，并提高光刻膠膜的軟化溫度為后續(xù)工藝過程(如金屬化或干法蝕刻)提供保障；在電鍍過程中增加光刻膠結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并抑制殘留溶劑對(duì)電解液的污染。

溶劑在光刻膠中的擴(kuò)散過程

在溶劑從光刻膠中逸出之前，他需要在光刻膠中擴(kuò)散至光刻膠表面。 這種溶劑分子的擴(kuò)散速度與溶劑的濃度和溫度有一定的關(guān)系。然后，溶劑分子從光刻膠膜表面揮發(fā)，外接環(huán)境的空氣流動(dòng)對(duì)溶劑分子的擴(kuò)散有著重要的意義。

總之，改變溫度和樣品表面的空氣流動(dòng)對(duì)提高光刻膠中溶劑分子逸出光刻膠層有著重要意義。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，溶劑擴(kuò)散的速度越來越低。一般來說，光刻膠靠近襯底一側(cè)的溶劑殘留會(huì)高于表面。表面無溶劑殘留對(duì)接觸式光刻膠掩膜版壽命至關(guān)重要，而內(nèi)部無溶劑殘留則是曝光過程中避免氣泡產(chǎn)生的先決條件。

圖1 溶劑在光刻膠中的擴(kuò)散過程

前烘對(duì)正膠顯影的影響

過高溶劑殘留的影響

在前烘不充分情況下，正膠中過高的殘留溶劑濃度會(huì)導(dǎo)致顯影過程中未暴光的光刻膠膜區(qū)(暗腐蝕)增加，光刻膠輪廓形狀收到影響，特別是尺寸精度及其側(cè)壁陡直度也受影響，如圖2所示，這是高溶劑殘留和正常工藝下顯影過程模擬。

圖2 高溶劑殘留和正常工藝下正膠顯影過程

除了增加了暗腐蝕現(xiàn)象外，同時(shí)也會(huì)增強(qiáng)堿性顯影液的堿度，從而導(dǎo)致對(duì)光刻膠膜更強(qiáng)的腐蝕性，這不僅會(huì)導(dǎo)致光刻膠膜的改變也會(huì)導(dǎo)致電解液等的有機(jī)污染。

另外，在濕法化學(xué)工藝過程中，如濕法蝕刻或電鍍，襯底附近的高殘留溶劑濃度會(huì)導(dǎo)致光刻膠在襯底上的附著力降低導(dǎo)致工藝失敗或者良率降低。

光引發(fā)劑的分解

由于基于DNQ的正膠未曝光的光引發(fā)劑是一種抗堿性溶解的抑制劑。長(zhǎng)時(shí)間或者高溫烘烤也會(huì)導(dǎo)致光引發(fā)劑的分解從而導(dǎo)致暗腐蝕加劇。這種現(xiàn)象只會(huì)在很長(zhǎng)時(shí)間和/或高溫?zé)崆昂娌襟E中發(fā)生。

前烘對(duì)負(fù)膠顯影的影響

過高殘留溶劑的影響

在負(fù)膠中過量的殘余溶劑會(huì)抑制樹脂的交聯(lián)，從而在顯影過程中對(duì)曝光的區(qū)域造成不必要的侵蝕。與正膠一樣，過高的殘留溶劑濃度會(huì)導(dǎo)致光刻膠與襯底的粘附性降低，以及在濕化學(xué)溶液中的穩(wěn)定性下降。

對(duì)交聯(lián)反應(yīng)的影響

通常負(fù)膠的交聯(lián)是在通過曝光過程中開始和完成的，但是在較高的烘烤溫度下，即使沒有曝光，也可以發(fā)生或多或少的交聯(lián)反應(yīng)。 因此，前烘溫度過高和/或超過必要的時(shí)間烘烤都會(huì)降低后期顯影速度或使顯影困難或不可能，特別是在需要獲得很小特征結(jié)構(gòu)（如，小孔或者溝槽）的情況下。

最優(yōu)前烘條件

總之，烘烤溫度和時(shí)間需要綜合考量，前烘溫度過低或/或時(shí)間過短的光刻膠膜會(huì)導(dǎo)致顯影良率降低，并且光刻膠的穩(wěn)定性和粘附性降低。前烘溫度過高或烘烤時(shí)間過長(zhǎng)都可能導(dǎo)致正電阻部分分解或引起負(fù)電阻樹脂的熱交聯(lián)。

除技術(shù)文件中有特殊要求外，通常紫外光刻膠薄膠的烘烤溫度為100℃并烘烤1分鐘，可針對(duì)部分光刻膠進(jìn)一步優(yōu)化參數(shù)。熱敏的襯底或需要快速烘烤以及厚膠等對(duì)烘烤的溫度有一定限制的情況下，烘烤時(shí)間在80和110°C之間調(diào)整。

對(duì)于厚膠或者非常厚的膠，烘烤時(shí)間通常是薄膠烘烤時(shí)間的二次方關(guān)系。DNQ基正膠厚膠需要充分的干燥，以防止N2氣泡的形成，特別是在暴光過程中靠近襯底附近的膠層。光刻膠越厚越容易形成氣泡。對(duì)于幾十微米的厚膠，完全烘干需要的溫度和時(shí)間將會(huì)破壞光刻膠膜中的光引發(fā)劑導(dǎo)致顯影異常。

此外，隨著光刻膠膜厚度的增加，太長(zhǎng)時(shí)間的烘烤會(huì)在光刻膠膜中產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力，從而易形成裂紋，這對(duì)隨后的濕化學(xué)工藝如蝕刻或電鍍?cè)斐刹涣加绊憽?/span> 因此，隨著厚度的增加，前烘的時(shí)間/溫度過程窗口變窄，必須根據(jù)不同的工藝要求仔細(xì)優(yōu)化。如果即使是優(yōu)化的軟烤參數(shù)也不能降低殘余溶劑，但仍未損壞光刻膠膜，可采取以下解決方案:

高厚度光刻膠前烘解決方法：多次旋涂并在每次旋涂后進(jìn)行烘烤從而獲得較低溶劑殘留的光刻膠薄膜。并且隨著整體薄膜厚度的增加，適當(dāng)延長(zhǎng)每層涂膠后的烘烤時(shí)間可以消除由于厚度增加導(dǎo)致熱傳導(dǎo)到頂層薄膜的溫度降低，比如可以采用每一微米厚度采用80℃ – 1min烘烤，并在最后采用100℃對(duì)整個(gè)薄膜進(jìn)行烘烤。

也可在真空狀態(tài)的中等溫度的熱板上或者甚至是室溫下處理，當(dāng)環(huán)境氣壓低于溶劑的飽和蒸氣壓時(shí)，溶劑快速?gòu)墓饪棠z中逸出。這里需要注意，確保沒有氣泡在光刻膠中形成：否則，氣泡會(huì)在真空下炸開導(dǎo)致薄膜不完整。如果在涂膠時(shí)無法避免氣泡的產(chǎn)生，可考慮在真空干燥前采用溫和的標(biāo)準(zhǔn)烘烤工藝（如100℃ – 5min）來消除氣泡的不利因素。

非理想烘烤條件

塊狀非平整襯底：對(duì)于這種塊狀襯底或非平整襯底亦或是導(dǎo)熱性比較差的襯底材料（如玻璃、陶瓷以及聚合物），由于熱量傳導(dǎo)至光刻膠膜需要一定的時(shí)間，所以一般需要更長(zhǎng)的前烘時(shí)間才能使得光刻膠達(dá)到某一溫度，并且，光刻膠的溫度與熱板的溫度有一定差異。另外，由于襯底的背面與熱板不可能是完全貼合接觸，這不僅會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)熱效率降低，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致襯底上受熱不均勻。為了解決這個(gè)問題，可以考慮使用烘箱的熱對(duì)流加熱方式代替熱板的直接接觸導(dǎo)熱，由于對(duì)流加熱的方式比較慢，所以整個(gè)前烘需要的時(shí)間比熱板長(zhǎng)的多。如果烘箱中沒有金屬托盤，我們建議烘烤時(shí)間相比于熱板需要增加2-10min（取決于襯底）。 由于烘箱中溫度也存在不均勻性，需要注意高溫區(qū)過長(zhǎng)的烘烤時(shí)間帶來膠膜受損。

光刻膠有效溫度的測(cè)量：對(duì)于導(dǎo)熱性好且背面平整光滑的襯底，我們可以認(rèn)為光刻膠膜的溫度與襯底溫度相差不大且升溫時(shí)間很短。然而，實(shí)際情況要復(fù)雜的多，部分襯底材料會(huì)吸收大部分的熱，導(dǎo)致現(xiàn)實(shí)中的溫度與我們理解的差異較大。因此，在大多數(shù)情況下，通過改變軟烘焙參數(shù)溫度和時(shí)間，并將其與最終的過程結(jié)果結(jié)合起來，以經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化前烘工藝條件是比較合理方案。

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