【微纳加工】细节决定成败！光刻前的衬底该如何处理？

文摘 2024-10-21 23:59 江苏

在光刻工艺开始之前，衬底（晶圆）的处理至关重要，它直接关系到光刻胶的粘附性、图案的完整性和最终芯片的性能。本文将带大家深入探讨光刻前衬底处理的奥秘，从去除水汽、清洁衬底到增强粘附性，每一个细节都不容忽视。

一、去除水汽

当使用全新的洁净衬底时，其表面往往会残留一层水汽。这些水汽不仅会影响光刻胶的粘附性，还可能在光刻过程中引发一系列问题。因此，在光刻前，我们需要在热板上将衬底加热至150200℃，并保持23分钟，以彻底去除表面的水汽。这一步骤看似简单，却对后续工艺至关重要。

加热过程中，衬底表面的水汽会迅速蒸发，从而确保衬底表面的干燥和清洁。同时，加热还能使衬底表面的微小不平整得到一定程度的平滑，有利于光刻胶的均匀涂布。然而，需要注意的是，加热后的衬底应尽快进行下一步工艺，或存放在干燥容器中，以避免再次吸收空气中的水汽。

二、彻底清洁

对于被污染的衬底或使用过的晶圆，彻底清洁是光刻前不可或缺的一步。常规清洁步骤通常包括丙酮处理、异丙醇或乙醇清洗以及干燥处理。丙酮作为一种强力的有机溶剂，能有效去除衬底表面的油脂、有机物等污染物。然而，丙酮在挥发过程中会使衬底温度降低，导致衬底重新吸收空气中的水汽。因此，在使用丙酮清洗后，应立即使用异丙醇或乙醇进行二次清洗，以彻底去除丙酮残留和残留的水汽。

清洗完成后，衬底需要进行干燥处理。干燥过程中，应确保衬底表面无残留的水分或溶剂，以避免对光刻胶的粘附性产生不良影响。对于返工工艺中的晶圆，应根据衬底类型和工艺特点选择合适的清洁工艺。必要时，可以使用特定的去胶剂或强酸（如食人鱼液）进行深度清洁，以确保晶圆表面的彻底清洁。

三、增强粘附性

衬底与光刻胶之间的粘附性是一个复杂而敏感的问题。不同的衬底材料对光刻胶的粘附性各不相同。例如，硅片、氮化硅和常规金属（如铝和铜）与光刻胶具有良好的粘附性，而SiO2、玻璃、金、银等贵金属以及砷化镓等与光刻胶的粘附性则相对较差。粘附性不佳会导致涂胶不均、显影过程中漂胶以及光刻胶图形在应力集中处出现裂纹等问题。

针对粘附性不佳的衬底材料，我们需要采取特殊的工艺来提高粘附性。一种常用的方法是使用增附剂。增附剂能够改善衬底表面的润湿性，从而提高光刻胶与衬底的粘附性。例如，AR 300-80就是一种常用的增附剂，涂覆在衬底上并烘干后，可形成一层约15nm厚的胶层，显著提高光刻胶的粘附性。

另一种方法是使用传统的HMDS（六甲基二硅氮烷）沉积在衬底上。HMDS能与衬底表面的羟基反应，形成一层疏水层，从而提高光刻胶的粘附性。然而，需要注意的是，HMDS具有一定的毒性，使用时需要严格遵守安全操作规程。同时，由于HMDS的沉积量较少，不建议使用旋涂的方式沉积HMDS，以免污染匀胶机。

四、环境控制

除了上述处理步骤外，环境控制也是确保光刻前衬底处理质量的关键因素之一。空气中的湿度、温度和稳定性都会对光刻胶的粘附性产生显著影响。当环境中的空气湿度过高（>60%）时，粘附性会大大降低。因此，在涂胶之前，我们必须通过控制环境和工艺以获得理想的工作条件。

首先，应确保光刻胶在打开瓶盖之前已恢复至室温。过冷的光刻胶表面容易凝结水汽，从而产生气泡。其次，在使用移液器吸取光刻胶时，动作应轻缓、均匀，以避免引入气泡。气泡的存在会导致涂胶过程中光刻胶的薄厚不均，从而影响光刻图案的精度和完整性。

一般来说，最佳的涂胶条件是温度2025℃，相对空气湿度为3050%（建议为43%），温度稳定性为±1℃（最佳为21℃）。相对湿度过大或过小都会对涂胶产生不良影响。当空气湿度大于70%时，将不再适合进行涂胶操作。因此，在光刻前衬底处理过程中，我们应密切关注环境参数的变化，并采取相应的措施进行调整和控制。

光刻前的衬底处理是半导体制造中不可或缺的一环。从去除水汽、彻底清洁到增强粘附性再到环境控制，每一个细节都直接关系到光刻图案的精度和完整性以及最终芯片的性能。作为半导体技术的从业者或关注者，我们应深入了解并掌握这些关键步骤的原理和操作要点，以确保每一步都达到最佳效果。只有这样，才能为后续的光刻工艺打下坚实的基础，为制造出高性能、高可靠性的芯片产品提供有力保障。

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