光刻胶烘烤过程及对显影的影响

前烘（软烘）

在前面“一般光刻过程”文章中我们概要介绍过光刻的一般过程，其中就介绍过前烘（软烘）的相关知识，前烘是光刻工艺中比较简单的工艺过程，但是也是需要我们注意的必要步骤之一。接下来我们将针对前烘进行详细介绍。

前烘的目的

涂胶后，光刻胶薄膜的残余溶剂浓度一般为10 – 35%，这取决于膜的厚度和所用的溶剂种类。前烘的目的是将溶剂的残留浓度将至最低，避免光刻胶粘在掩膜版上从而导致掩膜版污染；防止DNQ基光刻胶在曝光过程中形成并产生气泡缺陷；提高光刻胶与衬底的粘附性；显影时减小正胶的的暗腐蚀效应；多层胶工艺或者多次旋涂工艺下，防止溶剂溶解下层胶；防止在后续的工艺过程中(如金属化或干法蚀刻) 热效应下溶剂的挥发导致产生气泡，并提高光刻胶膜的软化温度为后续工艺过程(如金属化或干法蚀刻)提供保障；在电镀过程中增加光刻胶结构的稳定性，并抑制残留溶剂对电解液的污染。

溶剂在光刻胶中的扩散过程

在溶剂从光刻胶中逸出之前，他需要在光刻胶中扩散至光刻胶表面。 这种溶剂分子的扩散速度与溶剂的浓度和温度有一定的关系。然后，溶剂分子从光刻胶膜表面挥发，外接环境的空气流动对溶剂分子的扩散有着重要的意义。

总之，改变温度和样品表面的空气流动对提高光刻胶中溶剂分子逸出光刻胶层有着重要意义。随着时间的延长，溶剂扩散的速度越来越低。一般来说，光刻胶靠近衬底一侧的溶剂残留会高于表面。表面无溶剂残留对接触式光刻胶掩膜版寿命至关重要，而内部无溶剂残留则是曝光过程中避免气泡产生的先决条件。

图1 溶剂在光刻胶中的扩散过程

前烘对正胶显影的影响

过高溶剂残留的影响

在前烘不充分情况下，正胶中过高的残留溶剂浓度会导致显影过程中未暴光的光刻胶膜区(暗腐蚀)增加，光刻胶轮廓形状收到影响，特别是尺寸精度及其侧壁陡直度也受影响，如图2所示，这是高溶剂残留和正常工艺下显影过程模拟。

图2 高溶剂残留和正常工艺下正胶显影过程

除了增加了暗腐蚀现象外，同时也会增强碱性显影液的碱度，从而导致对光刻胶膜更强的腐蚀性，这不仅会导致光刻胶膜的改变也会导致电解液等的有机污染。

另外，在湿法化学工艺过程中，如湿法蚀刻或电镀，衬底附近的高残留溶剂浓度会导致光刻胶在衬底上的附着力降低导致工艺失败或者良率降低。

光引发剂的分解

由于基于DNQ的正胶未曝光的光引发剂是一种抗碱性溶解的抑制剂。长时间或者高温烘烤也会导致光引发剂的分解从而导致暗腐蚀加剧。这种现象只会在很长时间和/或高温热前烘步骤中发生。

前烘对负胶显影的影响

过高残留溶剂的影响

在负胶中过量的残余溶剂会抑制树脂的交联，从而在显影过程中对曝光的区域造成不必要的侵蚀。与正胶一样，过高的残留溶剂浓度会导致光刻胶与衬底的粘附性降低，以及在湿化学溶液中的稳定性下降。

对交联反应的影响

通常负胶的交联是在通过曝光过程中开始和完成的，但是在较高的烘烤温度下，即使没有曝光，也可以发生或多或少的交联反应。 因此，前烘温度过高和/或超过必要的时间烘烤都会降低后期显影速度或使显影困难或不可能，特别是在需要获得很小特征结构（如，小孔或者沟槽）的情况下。

最优前烘条件

总之，烘烤温度和时间需要综合考量，前烘温度过低或/或时间过短的光刻胶膜会导致显影良率降低，并且光刻胶的稳定性和粘附性降低。前烘温度过高或烘烤时间过长都可能导致正电阻部分分解或引起负电阻树脂的热交联。

除技术文件中有特殊要求外，通常紫外光刻胶薄胶的烘烤温度为100℃并烘烤1分钟，可针对部分光刻胶进一步优化参数。热敏的衬底或需要快速烘烤以及厚胶等对烘烤的温度有一定限制的情况下，烘烤时间在80和110°C之间调整。

对于厚胶或者非常厚的胶，烘烤时间通常是薄胶烘烤时间的二次方关系。DNQ基正胶厚胶需要充分的干燥，以防止N2气泡的形成，特别是在暴光过程中靠近衬底附近的胶层。光刻胶越厚越容易形成气泡。对于几十微米的厚胶，完全烘干需要的温度和时间将会破坏光刻胶膜中的光引发剂导致显影异常。

此外，随着光刻胶膜厚度的增加，太长时间的烘烤会在光刻胶膜中产生很大的机械应力，从而易形成裂纹，这对随后的湿化学工艺如蚀刻或电镀造成不良影响。 因此，随着厚度的增加，前烘的时间/温度过程窗口变窄，必须根据不同的工艺要求仔细优化。如果即使是优化的软烤参数也不能降低残余溶剂，但仍未损坏光刻胶膜，可采取以下解决方案:

高厚度光刻胶前烘解决方法：多次旋涂并在每次旋涂后进行烘烤从而获得较低溶剂残留的光刻胶薄膜。并且随着整体薄膜厚度的增加，适当延长每层涂胶后的烘烤时间可以消除由于厚度增加导致热传导到顶层薄膜的温度降低，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℃对整个薄膜进行烘烤。

也可在真空状态的中等温度的热板上或者甚至是室温下处理，当环境气压低于溶剂的饱和蒸气压时，溶剂快速从光刻胶中逸出。这里需要注意，确保没有气泡在光刻胶中形成：否则，气泡会在真空下炸开导致薄膜不完整。如果在涂胶时无法避免气泡的产生，可考虑在真空干燥前采用温和的标准烘烤工艺（如100℃ – 5min）来消除气泡的不利因素。

非理想烘烤条件

块状非平整衬底：对于这种块状衬底或非平整衬底亦或是导热性比较差的衬底材料（如玻璃、陶瓷以及聚合物），由于热量传导至光刻胶膜需要一定的时间，所以一般需要更长的前烘时间才能使得光刻胶达到某一温度，并且，光刻胶的温度与热板的温度有一定差异。另外，由于衬底的背面与热板不可能是完全贴合接触，这不仅会导致导热效率降低，同时还会导致衬底上受热不均匀。为了解决这个问题，可以考虑使用烘箱的热对流加热方式代替热板的直接接触导热，由于对流加热的方式比较慢，所以整个前烘需要的时间比热板长的多。如果烘箱中没有金属托盘，我们建议烘烤时间相比于热板需要增加2-10min（取决于衬底）。 由于烘箱中温度也存在不均匀性，需要注意高温区过长的烘烤时间带来胶膜受损。

光刻胶有效温度的测量：对于导热性好且背面平整光滑的衬底，我们可以认为光刻胶膜的温度与衬底温度相差不大且升温时间很短。然而，实际情况要复杂的多，部分衬底材料会吸收大部分的热，导致现实中的温度与我们理解的差异较大。因此，在大多数情况下，通过改变软烘焙参数温度和时间，并将其与最终的过程结果结合起来，以经验优化前烘工艺条件是比较合理方案。

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