把設(shè)計(jì)掩膜模圖形轉(zhuǎn)移到晶圓上需要經(jīng)過一整套復(fù)雜的涂膠、曝光、顯影、刻蝕等工藝過程，這一過程大體可以分為以下11個(gè)步驟，如下圖1 所示：

圖1 一般光刻過程示意圖

1. 襯底處理

當(dāng)使用新的潔凈的襯底（晶圓）時(shí)，需要在熱板上150~200℃下加熱幾分鐘（2~3分鐘）以去除襯底表面的水汽。且后續(xù)應(yīng)該盡快進(jìn)行下一步工藝，或者建議將處理好的襯底存放在干燥容器中避免再次吸收水分。對(duì)于被污染的襯底或者使用過的晶圓，需要徹底清潔，常規(guī)清潔步驟是先丙酮處理，然后使用異丙醇或者乙醇清洗，然后進(jìn)行干燥處理，從而提供襯底對(duì)光刻膠的粘附力。這里，請(qǐng)注意，丙酮在揮發(fā)過程中會(huì)使襯底溫度降低導(dǎo)致襯底吸收空氣中的水汽。另外，如果是返工工藝中，需要針對(duì)襯底類型和工藝特點(diǎn)選擇合適的清潔工藝將晶圓徹底清潔，必要的話，必要的時(shí)候可以使用特定的去膠劑或者酸。對(duì)于一些特殊的襯底，如藍(lán)寶石、III-V族襯底，其與光刻膠的黏附性能比較差，這個(gè)時(shí)候我們就得考慮使用增附劑來改善襯底與光刻膠的粘附性。我們推薦使用AR 300-80涂覆在襯底上，烘干后可獲得15nm厚的膠層（您也可以使用傳統(tǒng)的HMDS沉積在襯底上）。這種情況下晶圓表面形成了單層疏水層，有助于提高光刻膠與襯底的粘附性。這里需要注意，HMDS有一定的毒性，需要注意使用安全，另外，不建議使用旋涂的方式沉積HMDS因?yàn)橹挥猩倭康牟牧蠒?huì)附著在晶圓上，勻膠機(jī)會(huì)被污染。

襯底和光刻膠之間的粘附性是一個(gè)很敏感的問題。清洗過程中很小的細(xì)節(jié)都會(huì)決定襯底與光刻膠的粘附性。通常硅片、氮化硅、常規(guī)金屬（如鋁和銅）與光刻膠具有良好的粘附性，而SiO2、玻璃、金、銀等貴金屬以及砷化鎵等與光刻膠的粘附性不是很好，粘附性不好帶來的問題就是：①涂膠涂不上；②顯影過程中出現(xiàn)漂膠；③顯影后發(fā)現(xiàn)光刻膠圖形中在應(yīng)力集中地方出現(xiàn)裂紋。這種情況下需要通過特殊的工藝來提高粘附性。另外， 當(dāng)環(huán)境中的空氣濕度過高（>60%），粘附性也會(huì)大大降低。因此在涂膠之前我們必須通過控制環(huán)境和工藝以獲得理想的工作條件，如，在打開瓶蓋之前，應(yīng)該使光刻膠恢復(fù)致室溫，避免光刻膠表面因?yàn)檫^冷而凝結(jié)水汽，從而避免產(chǎn)生氣泡。使用移液器吸取光刻膠，動(dòng)作應(yīng)該輕緩，避免引入氣泡。從而引起涂膠過程中而定薄厚不均現(xiàn)象。

一般來說，最佳的涂膠條件是溫度20~25℃，相對(duì)空氣濕度為30~50%（建議為43%），溫度穩(wěn)定性為±1℃（最佳21℃）。相對(duì)濕度過大對(duì)涂膠會(huì)產(chǎn)生不良影響，當(dāng)空氣濕度大于70%時(shí)，將不再適合涂膠，相對(duì)空氣濕度會(huì)對(duì)光刻膠的涂膠厚度產(chǎn)生影響，見下圖所示：

圖2 旋涂膜厚與空氣濕度的關(guān)系

2. 光刻膠涂膠

光刻膠主要通過旋涂的方式進(jìn)行涂布的（又稱為“甩膠”），我們可以參考旋涂曲線獲得一款膠的涂膠條件。對(duì)于薄膠，最佳的旋涂轉(zhuǎn)速為2000~4000rpm，對(duì)于相對(duì)膠厚的膠，最佳旋涂轉(zhuǎn)速為250~2000rpm，勻膠機(jī)的轉(zhuǎn)速通常可以達(dá)到9000rpm，在某些情況下，還可以使用1000~200rpm較慢的轉(zhuǎn)速來獲得特定較厚的膠層。但是這種情況下，膠膜的質(zhì)量會(huì)下降。并且可能會(huì)在晶圓的邊緣形成大量的邊緣膠珠，可以通過旋涂獲得30~200um的膠厚（取決于光刻膠的類型），也可以使用自流平的方法獲得高達(dá)1mm后的厚膠膜。

需要注意，頻繁打開瓶蓋會(huì)導(dǎo)致光刻膠中的溶劑揮發(fā)，從而導(dǎo)致膠變厚，一般來說，對(duì)于1.4um（@4000rpm）的膠，1%的溶劑揮發(fā)會(huì)導(dǎo)致膠厚增加4%，對(duì)應(yīng)的曝光劑量也需要增加。

一般情況下，以1000rpm勻膠轉(zhuǎn)速下獲得的膠厚是4000rpm下膠厚的2倍，可以以此來估算特定光刻膠的膜厚值。對(duì)于AR-P 3510，在4000rpm轉(zhuǎn)速下膠厚為2.0um，在1000rpm轉(zhuǎn)速下的膠厚約為4.0um，如果可以接受薄膜成膜質(zhì)量差，邊緣膠珠的前提下，250rpm甚至可以獲得8um的膠厚，但是我們不建議這么做。使用高轉(zhuǎn)速可將膠厚控制在1.6um（在6000rpm下）。如下圖所示：

圖3 AR-P 3500 旋涂曲線

在涂膠轉(zhuǎn)速>1500rpm下，30s的涂膠時(shí)間足以獲得所需的膜厚，但在較低的轉(zhuǎn)速下，其涂膠時(shí)間應(yīng)延長(zhǎng)至60s，對(duì)于加蓋共旋的勻膠機(jī)，雖然其涂膠質(zhì)量較高，但是其厚度通常是開放式勻膠機(jī)厚度的70%。對(duì)于薄膠，一般的勻膠時(shí)間為60s足夠了，過長(zhǎng)的勻膠時(shí)間，反而會(huì)使成膜質(zhì)量變差。

還有一些不常見涂膠工藝，如下：

浸涂：適用于大型或者不規(guī)則形狀的襯底

噴涂：與旋涂結(jié)合，以節(jié)約光刻膠，也適用于襯底表面有深溝槽結(jié)構(gòu)或者襯底形狀不規(guī)則的情況

輥涂：大幅面襯底，如防偽、印刷行業(yè)

3. 前烘

前烘（pre-bake或soft-bake）的目的是通過溫度將光刻膠中的有機(jī)溶劑揮發(fā)掉，使晶圓表面的膠固化。一般來說，勻膠的過程中大部分溶劑已經(jīng)揮發(fā)掉了，但是還是有相當(dāng)部分溶劑殘留在光刻膠膠膜中，在前烘（90~100℃）過程中膠膜會(huì)得到進(jìn)一步的干燥和固化，可提高光刻膠與襯底的粘附性，還可以減小顯影過程中的暗腐蝕的發(fā)生。前烘可以在熱板上進(jìn)行也可在烘箱中進(jìn)行，每種膠都會(huì)有其特定的前烘溫度和時(shí)間 。

對(duì)于前烘工具（熱板或者烘箱），對(duì)于薄膠（<5um）熱板和烘箱都可以考慮，熱板的優(yōu)勢(shì)是快速直接，烘箱的優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)行批量處理（25片/爐）。但是對(duì)于厚膠，我們需要注意，避免使用烘箱進(jìn)行前烘，因?yàn)楹嫦涫菬彷椛浼訉?duì)流的方式進(jìn)行烘烤的，光刻膠表面先干燥，導(dǎo)致內(nèi)部的溶劑很難排出去，熱板則可以避免這個(gè)問題的發(fā)生。

前烘溫度過低或者時(shí)間過短，則會(huì)導(dǎo)致光刻膠中有溶劑殘留，這些殘留的溶劑會(huì)在后續(xù)的曝光環(huán)節(jié)中揮發(fā)出來導(dǎo)致圖形質(zhì)量不高，另外，圖形輪廓形態(tài)不清晰（圓角）甚至是暗腐蝕過于嚴(yán)重。當(dāng)然，如果由于襯底無法承受過高的溫度，可以選擇在適當(dāng)?shù)投ê婵緶囟龋?/span><60℃）下進(jìn)行，但烘烤時(shí)間需要適當(dāng)延長(zhǎng)。以保證溶劑烘干。

前烘溫度過高，或者時(shí)間太長(zhǎng)也是不適合的，因?yàn)楣饷粑镔|(zhì)可能在前烘過程中被破壞，導(dǎo)致光刻膠的靈敏度下降，曝光劑量增加。

前烘后，需要等到光刻膠冷卻至室溫下才能進(jìn)行下一步工藝，特別是厚膠，光刻膠需要等待一段時(shí)間來進(jìn)行再吸水，從而達(dá)到更優(yōu)的性能。

4. 曝光

曝光的完成是通過曝光掩模和曝光系統(tǒng)，如步進(jìn)式（i-線的，g-線）掩模對(duì)準(zhǔn)式或接觸式曝光系統(tǒng)在各自的光譜工作范圍內(nèi)曝光，也可以用直接激光無掩模曝光。

AR光刻膠涂層在紫外帶寬范圍內(nèi)（300-450nm）敏感，因此典型的汞燈發(fā)射光譜365nm（i-線），405nm（h-線）和436nm（g-線）（→吸收光譜）也在感光波長(zhǎng)內(nèi)。最敏感的區(qū)域是g-線和h-線范圍，產(chǎn)品信息說明中推薦的曝光劑量是按照標(biāo)準(zhǔn)工藝下得出的，僅供參考。具體的劑量需要按照我們自己的實(shí)驗(yàn)條件來驗(yàn)證。

在曝光過程中和曝光后都有可能產(chǎn)生氣泡，如由于曝光劑量過高，曝光強(qiáng)度過大。這可通過取決于多重曝光或由間歇式曝光來優(yōu)化曝光劑量，太短的烘烤時(shí)間或太低的烘烤溫度會(huì)導(dǎo)致膠干燥不足，由于膠薄膜中有太多的溶劑，在脫氣過程中導(dǎo)致氣泡的形成。

“清零劑量”對(duì)正膠來說大面積曝光顯影一定時(shí)間后無結(jié)構(gòu)時(shí)對(duì)應(yīng)的曝光劑量。這個(gè)曝光劑量對(duì)于圖形來說需要適當(dāng)額增大曝光劑量，也取決于需要的分辨率，最大的分辨率要求最高的曝光劑量。

對(duì)于負(fù)膠未曝光區(qū)域顯影30~40s厚度1-2um對(duì)應(yīng)的清零曝光劑量，這個(gè)曝光劑量產(chǎn)生>90%的積累層應(yīng)當(dāng)考慮是由增加的10~20%圖形結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的。對(duì)于膜厚大于100um的膠，顯影時(shí)間通常大于1小時(shí)是非常有必要的。

涂膠、前烘后的樣品可保存數(shù)周，在曝光前不會(huì)有品質(zhì)上的損失。剛涂的光刻膠相比于存放幾小時(shí)或一天的光刻膠有更好的靈敏度，靈敏度的減小量約為3小時(shí)后減小3%，72小時(shí)減小6%，72小時(shí)后減小8%（相比于原始狀態(tài)）之后基本在幾周內(nèi)保持不變。

5. 后烘（選做步驟）

曝光后，顯影前的烘烤步驟叫做后烘（post bake），后烘步驟需要視工藝需要選做，通常有以下幾種情況下我們需要做后烘步驟：

① 化學(xué)放大膠，在化學(xué)放大膠工藝中，后烘又叫交聯(lián)烘烤，曝光環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的光酸在交聯(lián)烘烤中使得聚合物發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)；②圖形反轉(zhuǎn)膠，圖形反轉(zhuǎn)膠的負(fù)膠工藝中，顯影前需要進(jìn)行后烘和泛曝光；③消除駐波，后烘可以使得光刻膠中的光活性物質(zhì)擴(kuò)散，從而消除駐波效應(yīng)，但需要注意，這種橫向擴(kuò)散也會(huì)導(dǎo)致圖形質(zhì)量降低。

6. 顯影

顯影（development）過程中正膠薄膜結(jié)構(gòu)的形成是通過溶解曝光區(qū)域，而負(fù)膠顯影去除的是未曝光的區(qū)域，對(duì)于可重復(fù)的結(jié)果，溫度范圍在21-23℃誤差±0.5°保持。常見的顯影方式有：浸沒式（immersion）、噴淋式（spray）和攪拌式（puddle）三種。

最佳顯影的時(shí)間取決于光刻膠類型、膠厚、曝光波長(zhǎng)、烘烤溫度和顯影的工序，對(duì)膜厚小于2um顯影時(shí)間不大于2min，例如對(duì)于浸沒或攪拌式顯影的時(shí)間范圍在20-60s，不要超過120s。膜厚超過10um的膠層需要2-10min，膜厚達(dá)到100um的膠厚，顯影時(shí)間超過60min，更密集的噴淋式顯影要求的時(shí)間更短。

產(chǎn)品信息中列出的顯影液濃度是在特定的膠厚和顯影工藝參數(shù)下的結(jié)果，在其他條件下僅供產(chǎn)考，準(zhǔn)確的顯影濃度要適應(yīng)特定的要求（膜厚，顯影時(shí)間，烘烤）。顯影液的敏感度是通過顯影液在去離子水中的濃度來確定的。

高濃度顯影液：最直觀的的結(jié)果是增加正膠顯影液系統(tǒng)的光靈敏度，要求減小曝光能量，減小顯影時(shí)間，考慮到獲得更好的產(chǎn)出率，可能會(huì)產(chǎn)生一些不利的影響留膜率以及（在某些條件下）工藝穩(wěn)定性低（太快）。負(fù)膠要求更高的曝光劑量和更高的顯影液濃度。

低濃度顯影液：提高正膠薄膜獲得更高的對(duì)比度，減小未曝光區(qū)域的腐蝕（暗腐蝕）或者只有部分曝光截面區(qū)域有更長(zhǎng)的顯影時(shí)間。這是一種需要較高的選擇比的顯影方法，能確保更好的細(xì)節(jié)表現(xiàn)。

浸沒顯影受工藝產(chǎn)出率和從空氣中吸入的CO2等條件的限制。工藝產(chǎn)出率取決于部分曝光區(qū)域。CO2的吸入也會(huì)隨著頻繁打開顯影液瓶子導(dǎo)致顯影速率的下降，這個(gè)影響可通過將顯影容器表面置于氮?dú)庀卤Ｗo(hù)來避免。

7. 沖洗/定影

顯影完成后應(yīng)將襯底立即用去離子水沖洗（對(duì)應(yīng)于水溶性堿性顯影液），對(duì)于使用有機(jī)溶劑作為顯影液的光刻膠，通常選擇對(duì)應(yīng)的定影液將殘留的顯影液沖洗干凈，以避免殘余的顯影液繼續(xù)腐蝕光刻膠。

8. 去殘膠

顯影過后，通常會(huì)在晶圓表現(xiàn)殘留一層非常薄的膠質(zhì)層（scum），這種殘膠現(xiàn)象在曝光圖形的深寬比（aspect ratio）較高是尤其明顯，因?yàn)閳D形很深，顯影液不容易對(duì)圖形底部精細(xì)充分顯影。這層殘膠雖然只有幾納米的厚度，但是卻對(duì)后續(xù)的圖形轉(zhuǎn)移帶來較大的影響，因此需要去殘膠（打底膠 descum）。去殘膠的過程就是將顯影后的襯底至于讓等離子體中進(jìn)行短時(shí)間的處理通常在氧等離子體中處理30s，并非所有工藝都得精細(xì)去殘膠（如干法刻蝕），需要注意，去殘膠的過程中光刻膠的厚度也會(huì)減小，并造成圖形精度的變化。

9. 堅(jiān)膜

堅(jiān)膜又叫硬烘烤（hard bake），堅(jiān)膜就是通過加溫烘烤使膠膜更加牢固的粘附在晶圓表面，并可以增加膠層的抗刻蝕能力，堅(jiān)膜并不是一道必需工藝。如后續(xù)為刻蝕工藝，建議進(jìn)行堅(jiān)膜，來提高光刻膠的穩(wěn)定性，如果后續(xù)工藝為lift-off工藝，一般不建議進(jìn)行堅(jiān)膜工藝，因?yàn)閳?jiān)膜后光刻膠穩(wěn)定性提高，反而不利于剝離的進(jìn)行。另外，一定要注意堅(jiān)膜的溫度，過高的溫度會(huì)光刻膠結(jié)構(gòu)變形、融化甚至圖形消失。

10. 圖形轉(zhuǎn)移

光刻的目的就是為了獲得圖形，之后就需要通過一些工藝將圖形轉(zhuǎn)移至襯底上，光刻膠本身只是起到掩模的作用，即保護(hù)晶圓使得只有通過顯影后暴露的部分才能被進(jìn)一步的加工。圖形轉(zhuǎn)移的方式有很多，如刻蝕干法刻蝕、濕法刻蝕、lift-off、注入、LIGA等。

11. 去膠

圖形轉(zhuǎn)移后，光刻膠就不再需要了，因此需要將其去除干凈。去膠的方法通常有濕法和干法兩種。濕法就是利用有機(jī)溶劑或者對(duì)光刻膠有腐蝕作用的溶液將光刻膠溶解或者腐蝕掉，從而達(dá)到去膠的目的，這里，去膠液的選擇需要遵循與襯底反應(yīng)或者不損傷襯底為前提條件。干法去膠是利用氧等離子體將光刻膠灰化掉，從而達(dá)到去膠的目的。對(duì)于去膠方法的選擇，一般推薦優(yōu)先考慮濕法，因?yàn)闈穹ㄈツz更加簡(jiǎn)單，如果發(fā)生濕法無法去除的則考慮使用干法去膠，這里需要注意的是，干法去膠的過程中使用氧等離子體，可能會(huì)對(duì)樣品有氧化。例如，lift-off工藝中不適合使用干法去膠，原因是去膠效果不如濕法去膠，且氧等離子體有可能使被剝離的金屬產(chǎn)生氧化。

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