光刻膠的硬烘烤技術(shù)

根據(jù)光刻膠的應(yīng)用工藝，我們可以采用適當?shù)姆椒▽σ扬@影的光刻膠結(jié)構(gòu)進行處理以提高其化學或物理穩(wěn)定性。通常我們可以采用烘烤步驟來實現(xiàn)整個光刻膠結(jié)構(gòu)的熱交聯(lián)，稱為硬烘烤或者堅膜。或通過低劑量紫外線輻照和高溫的結(jié)合的方法，使用深紫外堅膜工藝只能使得光刻膠表面發(fā)生交聯(lián)。下面詳細介紹這兩種工藝，以及光刻膠在處理過程中的變化。
堅膜
堅膜（硬烘）是光刻膠顯影后可選做的烘烤工藝步驟。其目的是通過堅膜使得光刻膠結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定從而在后續(xù)的物理或化學過程（如濕法或干法蝕刻或電鍍）具有更好的工藝穩(wěn)定性和效果。 那么堅膜的最佳工藝條件是什么？有什么不利影響，如何獲得期望的結(jié)果？
熱變形
非交聯(lián)型光刻膠的結(jié)構(gòu)，即顯影后的正膠和圖形反轉(zhuǎn)膠結(jié)構(gòu)在加熱后的軟化溫度 – 取決于光刻膠及其前面的工藝 – 大約為100°C – 130°C。在此溫度下光刻膠的上邊緣會發(fā)生變形而變圓，而光刻膠與襯底接觸的大部分區(qū)域未發(fā)生變形。
對于濕化學腐蝕，圓形的抗蝕劑結(jié)構(gòu)通常是可以接受的。對于干法刻蝕或電鍍工藝，要求光刻膠側(cè)壁也必須保持垂直，我們推薦使用熱穩(wěn)定性更高的光刻膠或交聯(lián)型負膠來優(yōu)化工藝。當然我們也可以利用這種光刻膠熱變形獲得一些特殊的結(jié)構(gòu)，這就是所謂的熱回流工藝。
溶劑變化
減少殘留溶劑的含量實際上是勻膠工藝后前烘步驟的意義。然而，在厚膠工藝的情況下，即使是在推薦的前烘條件下在靠近襯底附近的光刻膠中仍然包含相當高的溶劑。
顯影后，在所用的光刻膠玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度以下進行適當?shù)暮婵静襟E，有助于使襯底附近的光刻膠中溶劑含量進一步降低，從而提高后續(xù)工藝的熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性。如下圖1所示。

圖1 堅膜觸發(fā)光刻膠中的各種物理和化學反應(yīng)。當溫度超過140℃時，正膠膜結(jié)構(gòu)交聯(lián)光刻膠穩(wěn)定性提高。

光引發(fā)劑熱分解
在正膠情況下，相當一部分光引發(fā)劑在120℃下幾分鐘內(nèi)就會分解。 雖然在顯影后不在需要光引發(fā)劑進行光反應(yīng)，但在未曝光狀態(tài)下，它有助于提高光刻膠膜的堿性穩(wěn)定性，以及用于隨后的濕法蝕刻步驟或在pH值為>7的溶液中進行的電鍍工藝。
由于光引發(fā)劑的分解降低，光刻膠膜的穩(wěn)定性甚至可能下降。
熱交聯(lián)
在正膠情況下，樹脂在130℃-140℃下熱交聯(lián)強度逐漸增強，這可以顯著提高光刻膠對堿性或有機溶劑的化學穩(wěn)定性。
對于負極電阻，烘烤可能會導(dǎo)致光刻膠交聯(lián)程度的增加，特別是在負膠工藝中使用的堅膜溫度高于其曝光后烘的溫度的情況下。如果負膠顯影后的結(jié)構(gòu)在后烘前受到泛曝光（無掩膜板曝光)，交聯(lián)程度的增加。因此，可以提高側(cè)壁的濕化學穩(wěn)定性特別是厚膠應(yīng)用中靠近襯底附近的光刻膠在曝光時接受的曝光劑量較弱交聯(lián)程度較低。
光刻膠脆性
在烘烤過程中，殘余溶劑的含量進一步降低以至于光刻膠結(jié)構(gòu)的彈性也隨之降低，同時光刻膠結(jié)構(gòu)與氧氣反應(yīng)，在120 -130℃左右開始光刻膠開始脆化。光刻膠和襯底材料的不同熱膨脹系數(shù)不同會導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。例如，厚膠膜上(用肉眼)看不見的應(yīng)力裂紋，這使得后續(xù)的電鍍或濕化工藝可能出現(xiàn)問題。
如果必須做堅膜工藝，其不能降低溫度進行，可以通過控制降溫速度來減小裂紋的形成。例如，通過隨爐子冷卻來減小裂紋的產(chǎn)生。出于同樣的原因，烘烤后的襯底應(yīng)小心處理，并應(yīng)避免變形，如襯底彎曲。
光刻膠去膠特性
在烘烤過程中，光刻膠膜的交聯(lián)度越高，越難在后續(xù)工藝結(jié)束后去除。在正膠的情況下，在堅膜溫度達到150–160℃時，常見的去膠液或有機溶劑的去膠能力大大降低，交聯(lián)的負阻已經(jīng)在130–140℃時去膠液效果將大打折扣。為此我們可以采用溶解性能更強的有機溶劑或者微波氧等離子體去膠機來實現(xiàn)去膠工作。
堅膜必要性
如前所述，堅膜工藝步驟是一個選做步驟，通常在非必要情況下不建議使用。那么那些工藝步驟下建議使用呢：一般來說需要進一步提高光刻膠的穩(wěn)定性的應(yīng)用下，如后續(xù)步驟是干法刻蝕、濕法刻蝕、或者LIGA等應(yīng)用下。至于堅膜的溫度和時間，可以參考光刻膠產(chǎn)品資料中的建議溫度和時間。
深紫外硬化
如果在光刻膠層在鍍膜(熱蒸發(fā)、濺射)或干刻蝕過程中，由于受熱將已顯影的光刻膠結(jié)構(gòu)加熱到玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度以上了，則光刻膠結(jié)構(gòu)開始軟化。如果工藝步驟中無法降低或者控制溫度，可以通過深紫外光硬化的方式提高軟化溫度，這樣有利于后續(xù)工藝的順利進行。
機制和局限性
波長為250 nm的深紫外輻射會破壞了樹脂的光刻膠分子，隨后加熱（在熱板上緩慢升溫，從低于軟化點開始，然后以10℃為臺階向上升溫）導(dǎo)致光刻膠結(jié)構(gòu)的交聯(lián)。
由于深紫外輻射的穿透深度較低，在光刻膠表面形成了幾十納米厚的交聯(lián)“外殼”，在一定程度上保護了光刻膠結(jié)構(gòu)不受加熱的影響。如果沒有可用的深度紫外光源，標準掩模對準式光刻機也可用g-線、h-線和i-線進行輻照。當然，這種輻照方式由于光源中250nm左右的光強占比很小，所以在幾個小時的輻照后才能展現(xiàn)出效果。當然，需要注意的是，經(jīng)過深紫外硬化后的光刻膠的去膠性能也會隨之惡化。

審核編輯 黃宇