輕松掌握光刻工藝：清洗與預處理

1 引言

在高科技的璀璨星空中，光刻工藝以其精細入微的操作，扮演著制造精密芯片的關鍵角色。而在這復雜而精密的工藝中，清洗和預處理環節如同精心打磨的基石，承載著確保工藝質量的重要使命。本期，就讓我們一同揭開光刻工藝流程中清洗和預處理的神秘面紗，探索它們是如何為后續的精細操作奠定堅實基礎的。

2 光刻工藝介紹

在光刻工藝中，包含表面清洗烘干，預處理，涂膠，軟烘，對準和曝光，后烘，顯影，堅膜，其中清洗和預處理步驟是確保最終產品質量和性能的關鍵環節。

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、油脂和其他化學殘留物。這些污染物如果不被清除，可能會干擾光刻膠的涂覆和圖案的精確轉移。清洗通常涉及使用特定的化學溶液，如丙酮、乙醇等，通過特定的清洗設備，如超聲波清洗機等，來清潔晶圓表面。

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

3 標準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 有機清洗

丙酮去除有機雜質，接下來異丙醇除掉片子表面的殘留的丙酮以避免片子表面產生光紋路。

有機清洗步驟

5 預處理

晶圓表面容易吸附潮氣，這對其后續處理過程提出了嚴格的要求。在進行光刻膠涂覆時，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，晶圓會經歷一個脫水烘焙的過程，這個過程的溫度通常控制在140℃到200℃之間。此外，為了進一步增強光刻膠與晶圓之間的粘附力，有時還需要使用黏附劑，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，為后續的制造過程奠定了堅實的基礎。

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，以及許多金屬在長時間暴露于大氣中，特別是在一定濕度條件下，它們的表面會形成帶有極性OH鍵的化合物。這種化學變化使得這些襯底表面呈現出親水特性。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，如光刻膠中的樹脂分子，則較難與它們緊密結合。

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的相互作用，科學家們采用化學方法將非極性分子，如HMDS等，附著在襯底表面上。通過這種處理，襯底表面的化學性質發生改變，從而增強了對非極性物質的親和力。

7 HMDS是什么？

HMDS(六甲基二硅烷)是一種常用在半導體表面的粘附促進劑，其簡化的反應機理如圖1所示，HMDS與Si原子在無氧表面結合，與氧化基表面的氧原子(如有必要，OH基團分解)結合，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濕性和附著力。

圖源《超大規模集成電路光刻理論與應用》韋亞- 著

HMDS(六甲基二硅烷)在半導體制造中扮演著至關重要的角色，它作為一種粘附促進劑，能夠顯著增強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，這些基團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能夠與光刻膠產生良好的潤濕性和附著力，為后續工藝提供穩定的基礎。

增粘處理效果的好壞不僅與增粘劑有關，還與襯底表面的性質以及涂覆的材料有關。HMDS一般只適用于Si襯底，并且襯底表面必須沒有大量水分子吸附。對于其他襯底(如玻璃、Cu、TiOx、GaP等Ⅲ-V 半導體)，如果需要旋涂酚醛樹脂或環氧樹脂類光刻膠(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、無害的有機陽離子表面活性劑(cationicSurPassorganic surface active agent)，它通過改變襯底材料的表面能來達到增粘的目的。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，用氮氣吹干或甩干。

9 結語

光刻工藝流程的清洗及預處理，是半導體制造中至關重要的一部分，直接決定了后續工藝的穩定性和產品質量。

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

有機清洗則是對RCA清洗的補充，它能夠進一步去除硅片表面的有機污染物，確保表面的純凈度。干燥處理則是預處理的道工序，它通過控制溫度和濕度，使硅片表面達到干燥狀態，避免在后續工藝中出現水痕或水印等問題。

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

在未來的日子里，我們將繼續探索半導體制造的奧秘，為大家帶來更多有趣且實用的科普知識。敬請期待下期TuoTuo科普，我們不見不散！