光刻胶的涂覆工艺到底是怎样的流程？

文摘 2024-11-11 16:13 湖南

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光刻胶的涂覆方法一般分为旋涂法、浸涂法和滚涂法等，其中最常用的是旋涂法。通过旋涂法在基板上滴下光刻胶，基板高速旋转后可以得到光刻胶薄膜，之后，通过热板进行加热，就可以得到牢固的膜。旋涂法适用于从超薄膜（约20nm）到100um左右的厚膜的涂覆。其特点是均一性好，晶圆间的膜厚均匀、缺陷少等，可以获得高涂覆性能的膜。

旋涂时，基板的主旋转速度决定了光刻胶的膜厚，旋转速度与膜厚的关系公式如下：

Spin=kTⁿ

公式中，Spin是旋转速度；T是膜厚；k、n是常数。

旋涂工艺影响因素

膜厚虽然由主旋转速度决定，但也跟室温、湿度、光刻胶粘度及光刻胶类型有关。不同类型的光刻胶涂覆曲线比较，如图1所示。

图1：不同类型的光刻胶涂覆曲线比较

主旋转时间的影响

主旋转时间短，膜厚较厚，增加主旋转时间，膜变薄，超过20s时，膜厚几乎不变，因此，通常选择主旋转时间为20秒以上。主旋转时间与膜厚的关系如图2所示。

图2：主旋转时间与膜厚的关系

当光刻胶滴落到基板上时，即使随后的主旋转速度相同，滴胶时基板的转速也会影响最终的膜厚。光刻胶膜厚随着滴胶时基板旋转速度的增加而增加，这是因为光刻胶滴下后展开时溶剂蒸发的影响。图3显示了光刻胶滴胶时不同基板转速下膜厚与主旋转速度的关系。从该图中可以看出，随着滴胶基板旋转速度的增加，膜厚变化更快，在主旋转速度较低区域差别更明显。

图3：光刻胶滴胶时不同基板转速下膜厚与主旋转速度的关系

涂覆时湿度的影响

当湿度降低时，膜的厚度会上升，这是由于湿度降低促进了溶剂的蒸发。但是膜厚分布却没有明显的变化。图4显示涂覆时的湿度和膜厚分布的关系。

图4：涂覆时湿度和膜厚分布的关系

涂覆时温度的影响

当室内温度上升时，膜的厚度增加，从图5可以看出光刻胶膜厚分布从凸形变为凹形。图中曲线也显示在室内温度为26℃，光刻胶温度为21℃时获得了最高的均匀性。

图5：涂覆时温度和膜厚分布的关系

涂覆时排气速度的影响

图6表示排气速度与膜厚分布的关系。在不排气的情况下，显示出晶圆中心有变厚的倾向，提高排气速度，均匀性会提高，但如果提高过多，均匀性又会下降，由此可知排气速度存在最佳值。

图6：排气速度和膜厚分布的关系

HMDS处理

为了使光刻胶的涂覆性更好，需用六甲基二硅氮烷（HMDS）对晶圆进行处理。特别是当Si氧化膜表面附着了水分，形成了硅醇等降低了光刻胶的粘结力情况下。为除去水分和分解硅醇，通常将晶圆加热至100-120℃，导入雾状HMDS，使之发生化学反应，反应机理如图7所示。通过HMDS处理，亲水性和接触角小的表面变成疏水性和接触角大的表面。加热晶圆可以获得更高的光刻胶粘附力。

图7：HMDS反应机理

通过测量接触角可以观察HMDS处理的效果。图8所示，是HMDS处理时间与接触角的关系（处理温度110℃），基板是Si，HMDS处理时间大于1min，接触角大于80°，处理效果稳定。图9所示，是HMDS处理温度与接触角的关系（处理时间60s），当温度超过120℃时，接触角降低，这表明HMDS因热而分解。因此通常在100-110℃温度下进行HMDS处理。

图8：HMDS处理时间与接触角的关系（处理温度110℃）

图9：HMDS处理温度和接触角的关系（处理时间60s）

对带氧化膜的硅基板进行HMDS处理，形成光刻胶图形。然后用加入缓冲剂的氢氟酸蚀刻氧化膜，发现进行HMDS处理后，可保持光刻胶图形不脱落。图10为HMDS处理效果（图形尺寸为1um）。

图10：HMDS处理效果（图形尺寸为1um）

预烘烤

在相同的旋转速度下，预烘烤温度越高，膜厚越小，这表明预烘烤温度越高，溶剂蒸发越多，导致薄膜厚度越薄。图11显示出预烘烤温度与Dill’s A参数的关系，A参数表示感光剂浓度，由图可知，当预烘烤温度升至140℃以上时，A参数减小，表明感光剂在高于该温度时发生分解。图12显示了不同预烘烤温度下的光谱透过率。在160℃和180℃下，于300-500nm波长范围内可观察到透过率增加。由此可确认，感光剂在高温下烘烤分解。预烘烤温度有一个最佳值，由光特性和感光度等决定。

图11：预烘烤温度与Dill’s A参数的关系

（OFPR-800/2测量值）\

图12：不同预烘烤温度下的光谱透过率

（OFPR-800，1um膜厚）

总之，旋涂法具备薄膜厚度精确可控、性价比高、工艺条件温和、操作简单等独特优势，所以在降低污染、节能、提高性价比等方面效果显著。近年来，旋涂法不断受到人们重视，其应用逐渐推广到各个领域。

主要参考来源：

1.R. Dammel：”Diazonaphtoqinone-Based resist”, Short course notes, SPIE’s 1992 Symposium on Microlithography, SC-12, Chapter 2,p.91(1992).

2.GCA Corp. IC system group:”Vacuum Vapor Prime Characterization”, Wafertrac Application Note,pp.1-4(1983).

3.F. H. Dill, W. P. Hornberger, P. S. Hauge, and J.M.Shaw:”Characterization of Positive Photoresist”, IEEE Trans. Electron Dev., Vol. DE-22, No. 7, pp. 445-452(1975).

4.H. Okabe, M. Hayakawa, K. Mtoba, A. Taniguchi, K. Oka and H. Naito 4th International Conference on Spectroscopic Ellipsometry, ALL. 3, 173, June 11-15, in Stockholm(2007).

5.《光刻胶材料评测技术》[日]关口淳著

6.《匀胶时旋涂速度对胶层的影响》智程半导体

转载自“上海微系统所公共技术中心”公众号。

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