前烘（軟烘）

在前面“一般光刻過程”文章中我們概要介紹過光刻的一般過程，其中就介紹過前烘（軟烘）的相關知識，前烘是光刻工藝中比較簡單的工藝過程，但是也是需要我們注意的必要步驟之一。接下來我們將針對前烘進行詳細介紹。

前烘的目的

涂膠后，光刻膠薄膜的殘余溶劑濃度一般為10 – 35%，這取決于膜的厚度和所用的溶劑種類。前烘的目的是將溶劑的殘留濃度將至最低，避免光刻膠粘在掩膜版上從而導致掩膜版污染；防止DNQ基光刻膠在曝光過程中形成并產生氣泡缺陷；提高光刻膠與襯底的粘附性；顯影時減小正膠的的暗腐蝕效應；多層膠工藝或者多次旋涂工藝下，防止溶劑溶解下層膠；防止在后續的工藝過程中(如金屬化或干法蝕刻) 熱效應下溶劑的揮發導致產生氣泡，并提高光刻膠膜的軟化溫度為后續工藝過程(如金屬化或干法蝕刻)提供保障；在電鍍過程中增加光刻膠結構的穩定性，并抑制殘留溶劑對電解液的污染。

溶劑在光刻膠中的擴散過程

在溶劑從光刻膠中逸出之前，他需要在光刻膠中擴散至光刻膠表面。 這種溶劑分子的擴散速度與溶劑的濃度和溫度有一定的關系。然后，溶劑分子從光刻膠膜表面揮發，外接環境的空氣流動對溶劑分子的擴散有著重要的意義。

總之，改變溫度和樣品表面的空氣流動對提高光刻膠中溶劑分子逸出光刻膠層有著重要意義。隨著時間的延長，溶劑擴散的速度越來越低。一般來說，光刻膠靠近襯底一側的溶劑殘留會高于表面。表面無溶劑殘留對接觸式光刻膠掩膜版壽命至關重要，而內部無溶劑殘留則是曝光過程中避免氣泡產生的先決條件。

圖1 溶劑在光刻膠中的擴散過程

前烘對正膠顯影的影響

過高溶劑殘留的影響

在前烘不充分情況下，正膠中過高的殘留溶劑濃度會導致顯影過程中未暴光的光刻膠膜區(暗腐蝕)增加，光刻膠輪廓形狀收到影響，特別是尺寸精度及其側壁陡直度也受影響，如圖2所示，這是高溶劑殘留和正常工藝下顯影過程模擬。

圖2 高溶劑殘留和正常工藝下正膠顯影過程

除了增加了暗腐蝕現象外，同時也會增強堿性顯影液的堿度，從而導致對光刻膠膜更強的腐蝕性，這不僅會導致光刻膠膜的改變也會導致電解液等的有機污染。

另外，在濕法化學工藝過程中，如濕法蝕刻或電鍍，襯底附近的高殘留溶劑濃度會導致光刻膠在襯底上的附著力降低導致工藝失敗或者良率降低。

光引發劑的分解

由于基于DNQ的正膠未曝光的光引發劑是一種抗堿性溶解的抑制劑。長時間或者高溫烘烤也會導致光引發劑的分解從而導致暗腐蝕加劇。這種現象只會在很長時間和/或高溫熱前烘步驟中發生。

前烘對負膠顯影的影響

過高殘留溶劑的影響

在負膠中過量的殘余溶劑會抑制樹脂的交聯，從而在顯影過程中對曝光的區域造成不必要的侵蝕。與正膠一樣，過高的殘留溶劑濃度會導致光刻膠與襯底的粘附性降低，以及在濕化學溶液中的穩定性下降。

對交聯反應的影響

通常負膠的交聯是在通過曝光過程中開始和完成的，但是在較高的烘烤溫度下，即使沒有曝光，也可以發生或多或少的交聯反應。 因此，前烘溫度過高和/或超過必要的時間烘烤都會降低后期顯影速度或使顯影困難或不可能，特別是在需要獲得很小特征結構（如，小孔或者溝槽）的情況下。

最優前烘條件

總之，烘烤溫度和時間需要綜合考量，前烘溫度過低或/或時間過短的光刻膠膜會導致顯影良率降低，并且光刻膠的穩定性和粘附性降低。前烘溫度過高或烘烤時間過長都可能導致正電阻部分分解或引起負電阻樹脂的熱交聯。

除技術文件中有特殊要求外，通常紫外光刻膠薄膠的烘烤溫度為100℃并烘烤1分鐘，可針對部分光刻膠進一步優化參數。熱敏的襯底或需要快速烘烤以及厚膠等對烘烤的溫度有一定限制的情況下，烘烤時間在80和110°C之間調整。

對于厚膠或者非常厚的膠，烘烤時間通常是薄膠烘烤時間的二次方關系。DNQ基正膠厚膠需要充分的干燥，以防止N2氣泡的形成，特別是在暴光過程中靠近襯底附近的膠層。光刻膠越厚越容易形成氣泡。對于幾十微米的厚膠，完全烘干需要的溫度和時間將會破壞光刻膠膜中的光引發劑導致顯影異常。

此外，隨著光刻膠膜厚度的增加，太長時間的烘烤會在光刻膠膜中產生很大的機械應力，從而易形成裂紋，這對隨后的濕化學工藝如蝕刻或電鍍造成不良影響。 因此，隨著厚度的增加，前烘的時間/溫度過程窗口變窄，必須根據不同的工藝要求仔細優化。如果即使是優化的軟烤參數也不能降低殘余溶劑，但仍未損壞光刻膠膜，可采取以下解決方案:

高厚度光刻膠前烘解決方法：多次旋涂并在每次旋涂后進行烘烤從而獲得較低溶劑殘留的光刻膠薄膜。并且隨著整體薄膜厚度的增加，適當延長每層涂膠后的烘烤時間可以消除由于厚度增加導致熱傳導到頂層薄膜的溫度降低，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℃對整個薄膜進行烘烤。

也可在真空狀態的中等溫度的熱板上或者甚至是室溫下處理，當環境氣壓低于溶劑的飽和蒸氣壓時，溶劑快速從光刻膠中逸出。這里需要注意，確保沒有氣泡在光刻膠中形成：否則，氣泡會在真空下炸開導致薄膜不完整。如果在涂膠時無法避免氣泡的產生，可考慮在真空干燥前采用溫和的標準烘烤工藝（如100℃ – 5min）來消除氣泡的不利因素。

非理想烘烤條件

塊狀非平整襯底：對于這種塊狀襯底或非平整襯底亦或是導熱性比較差的襯底材料（如玻璃、陶瓷以及聚合物），由于熱量傳導至光刻膠膜需要一定的時間，所以一般需要更長的前烘時間才能使得光刻膠達到某一溫度，并且，光刻膠的溫度與熱板的溫度有一定差異。另外，由于襯底的背面與熱板不可能是完全貼合接觸，這不僅會導致導熱效率降低，同時還會導致襯底上受熱不均勻。為了解決這個問題，可以考慮使用烘箱的熱對流加熱方式代替熱板的直接接觸導熱，由于對流加熱的方式比較慢，所以整個前烘需要的時間比熱板長的多。如果烘箱中沒有金屬托盤，我們建議烘烤時間相比于熱板需要增加2-10min（取決于襯底）。 由于烘箱中溫度也存在不均勻性，需要注意高溫區過長的烘烤時間帶來膠膜受損。

光刻膠有效溫度的測量：對于導熱性好且背面平整光滑的襯底，我們可以認為光刻膠膜的溫度與襯底溫度相差不大且升溫時間很短。然而，實際情況要復雜的多，部分襯底材料會吸收大部分的熱，導致現實中的溫度與我們理解的差異較大。因此，在大多數情況下，通過改變軟烘焙參數溫度和時間，并將其與最終的過程結果結合起來，以經驗優化前烘工藝條件是比較合理方案。

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