輕松掌握光刻工藝：清洗與預(yù)處理

1 引言

在高科技的璀璨星空中，光刻工藝以其精細(xì)入微的操作，扮演著制造精密芯片的關(guān)鍵角色。而在這復(fù)雜而精密的工藝中，清洗和預(yù)處理環(huán)節(jié)如同精心打磨的基石，承載著確保工藝質(zhì)量的重要使命。本期，就讓我們一同揭開(kāi)光刻工藝流程中清洗和預(yù)處理的神秘面紗，探索它們是如何為后續(xù)的精細(xì)操作奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)的。

2 光刻工藝介紹

在光刻工藝中，包含表面清洗烘干，預(yù)處理，涂膠，軟烘，對(duì)準(zhǔn)和曝光，后烘，顯影，堅(jiān)膜，其中清洗和預(yù)處理步驟是確保最終產(chǎn)品質(zhì)量和性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

光刻工藝流程圖

清洗步驟主要是為了去除晶圓或硅片表面的污染物，如塵埃、油脂和其他化學(xué)殘留物。這些污染物如果不被清除，可能會(huì)干擾光刻膠的涂覆和圖案的精確轉(zhuǎn)移。清洗通常涉及使用特定的化學(xué)溶液，如丙酮、乙醇等，通過(guò)特定的清洗設(shè)備，如超聲波清洗機(jī)等，來(lái)清潔晶圓表面。

預(yù)處理步驟則是在清洗之后，為涂覆光刻膠做準(zhǔn)備。預(yù)處理可能包括烘干、涂覆增粘劑等操作，旨在去除晶圓表面的殘留水分，增強(qiáng)表面對(duì)光刻膠的粘附性，從而確保光刻膠能夠均勻、穩(wěn)定地涂覆在晶圓上。

3 標(biāo)準(zhǔn)RCA清洗

RCA清洗流程

以硅片為例：

1. 濃硫酸&雙氧水可以去除硅片表面的重有機(jī)沾污和部分金屬；

2. DHF用于去除硅片表面的自然氧化膜和金屬膜上的氫氧化物；

3. NH4OH/H2O2/H2O可以進(jìn)一步去除硅片表面的粒子；

4. HCl/H2O2/H2O可以去除硅片表面的鈉、鐵、鎂的金屬沾污。

4 有機(jī)清洗

丙酮去除有機(jī)雜質(zhì)，接下來(lái)異丙醇除掉片子表面的殘留的丙酮以避免片子表面產(chǎn)生光紋路。

有機(jī)清洗步驟

5 預(yù)處理

晶圓表面容易吸附潮氣，這對(duì)其后續(xù)處理過(guò)程提出了嚴(yán)格的要求。在進(jìn)行光刻膠涂覆時(shí)，必須確保晶圓表面干燥，以保證光刻膠能夠牢固黏附。因此，涂膠之前，晶圓會(huì)經(jīng)歷一個(gè)脫水烘焙的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程的溫度通常控制在140℃到200℃之間。此外，為了進(jìn)一步增強(qiáng)光刻膠與晶圓之間的粘附力，有時(shí)還需要使用黏附劑，其中HMDS（六甲基二硅胺脘）是常用的選擇。

綜上所述，晶圓表面的脫水烘焙和黏附劑涂覆是光刻工藝中重要的步驟，它們共同確保了光刻膠與晶圓之間的牢固黏附，為后續(xù)的制造過(guò)程奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

6 為什么要增加黏附性

石英、玻璃或硅表面的氧化物，包括自然氧化形成的二氧化硅，以及許多金屬在長(zhǎng)時(shí)間暴露于大氣中，特別是在一定濕度條件下，它們的表面會(huì)形成帶有極性OH鍵的化合物。這種化學(xué)變化使得這些襯底表面呈現(xiàn)出親水特性。親水性意味著這些表面更容易與水分子相互作用，而非極性或低極性的物質(zhì)，如光刻膠中的樹(shù)脂分子，則較難與它們緊密結(jié)合。

為了提高這些襯底表面的疏水性，即減少它們與水分子或其他極性物質(zhì)的相互作用，科學(xué)家們采用化學(xué)方法將非極性分子，如HMDS等，附著在襯底表面上。通過(guò)這種處理，襯底表面的化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，從而增強(qiáng)了對(duì)非極性物質(zhì)的親和力。

7 HMDS是什么？

HMDS(六甲基二硅烷)是一種常用在半導(dǎo)體表面的粘附促進(jìn)劑，其簡(jiǎn)化的反應(yīng)機(jī)理如圖1所示，HMDS與Si原子在無(wú)氧表面結(jié)合，與氧化基表面的氧原子(如有必要，OH基團(tuán)分解)結(jié)合，釋放出氨。非極性甲基直接隔離襯底表面形成疏水表面，與光刻膠具有良好的潤(rùn)濕性和附著力。

圖源《超大規(guī)模集成電路光刻理論與應(yīng)用》韋亞- 著

HMDS(六甲基二硅烷)在半導(dǎo)體制造中扮演著至關(guān)重要的角色，它作為一種粘附促進(jìn)劑，能夠顯著增強(qiáng)光刻膠與基底之間的粘附力。

8 HMDS的基本特性

它是一種特殊的化合物，具有非極性的甲基基團(tuán)，這些基團(tuán)能夠直接隔離襯底表面，從而形成疏水表面。這種疏水特性使得HMDS能夠與光刻膠產(chǎn)生良好的潤(rùn)濕性和附著力，為后續(xù)工藝提供穩(wěn)定的基礎(chǔ)。

增粘處理效果的好壞不僅與增粘劑有關(guān)，還與襯底表面的性質(zhì)以及涂覆的材料有關(guān)。HMDS一般只適用于Si襯底，并且襯底表面必須沒(méi)有大量水分子吸附。對(duì)于其他襯底(如玻璃、Cu、TiOx、GaP等Ⅲ-V 半導(dǎo)體)，如果需要旋涂酚醛樹(shù)脂或環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)光刻膠(novolac and epoxyresin based resist series)，建議使用另外一種增粘劑Surpass這種增粘劑是一種水溶性的、無(wú)害的有機(jī)陽(yáng)離子表面活性劑(cationicSurPassorganic surface active agent)，它通過(guò)改變襯底材料的表面能來(lái)達(dá)到增粘的目的。SurPass可以被旋涂或噴淋在襯底表面；然后，使用水或異丙醇(isopropanol，IPA)沖洗襯底；最后，用氮?dú)獯蹈苫蛩Ω伞?/span>

9 結(jié)語(yǔ)

光刻工藝流程的清洗及預(yù)處理，是半導(dǎo)體制造中至關(guān)重要的一部分，直接決定了后續(xù)工藝的穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量。

標(biāo)準(zhǔn)RCA清洗，以其高效的去污能力和良好的兼容性，成為預(yù)處理中的核心步驟。它能夠有效去除硅片表面的顆粒、金屬離子和有機(jī)物，為后續(xù)的光刻工藝提供清潔的基底。

有機(jī)清洗則是對(duì)RCA清洗的補(bǔ)充，它能夠進(jìn)一步去除硅片表面的有機(jī)污染物，確保表面的純凈度。干燥處理則是預(yù)處理的道工序，它通過(guò)控制溫度和濕度，使硅片表面達(dá)到干燥狀態(tài)，避免在后續(xù)工藝中出現(xiàn)水痕或水印等問(wèn)題。

此外，我們還特別介紹了HMDS的特性及其在預(yù)處理中的應(yīng)用。HMDS作為一種優(yōu)秀的表面改性劑，能夠增強(qiáng)硅片表面的疏水性，提高光刻膠的粘附力，從而確保光刻圖案的精度和穩(wěn)定性。

在未來(lái)的日子里，我們將繼續(xù)探索半導(dǎo)體制造的奧秘，為大家?guī)?lái)更多有趣且實(shí)用的科普知識(shí)。敬請(qǐng)期待下期TuoTuo科普，我們不見(jiàn)不散！