光刻正顯影與負顯影工藝解析及 M0 通孔工藝方案設計

光刻工藝是半導體制造的核心環節，其通過光化學反應將掩膜版圖案轉移至晶圓表面的光刻膠上，而顯影作為光刻流程的關鍵步驟，直接決定圖案的分辨率、邊緣粗糙度及工藝兼容性。根據光刻膠曝光后的溶解特性，顯影工藝主要分為正顯影和負顯影兩類。

光刻正顯影工藝

正顯影工藝中，光刻膠經特定波長光源曝光后，曝光區域的化學結構發生改變，變得易溶于顯影液，未曝光區域則保持原有形態不被溶解，最終保留的未曝光區域形成目標圖案。例如，DNQ - 酚醛樹脂類正性光刻膠，曝光后 DNQ 基團分解生成茚羧酸，使曝光區域在堿性顯影液中溶解度顯著提升。

典型工藝流程

1. 基板預處理：通過化學清洗去除晶圓表面雜質，烘干后進行增黏處理，提升光刻膠附著力。

2. 光刻膠涂覆：采用旋涂法將正性光刻膠（如 ArF 正膠、I-line DNQ 型光刻膠）均勻涂覆在晶圓表面。

3. 軟烘：在 90-110℃條件下烘烤 60-120s，去除光刻膠中的溶劑，增強膠膜穩定性。

4. 曝光：通過光刻機將 M0 通孔掩膜圖案投射到光刻膠上，曝光能量根據光刻膠類型調整（如 I-line 光刻膠曝光能量約 150-250mJ/cm2）。

5. 正顯影：使用堿性顯影液（如 2.38wt% TMAH 溶液）溶解曝光區域，顯影方式可采用掃描式或噴淋式，避免靜態顯影導致的圖案不均。

6. 后烘：在 110-130℃下烘烤 300s，固化剩余光刻膠，提升其抗刻蝕性能。

工藝優勢與適用場景

正顯影工藝具有分辨率高、邊緣粗糙度低、工藝成熟等優勢，適用于先進制程（如 7nm 及以下）的精細圖案化，尤其適合線寬要求嚴格的邏輯器件、存儲芯片等場景。其核心優勢在于曝光區域的選擇性溶解特性，可實現亞微米級甚至納米級的圖案轉移

光刻負顯影工藝

負顯影工藝與正顯影相反，光刻膠曝光后，曝光區域發生交聯反應形成三維網絡結構，變得難溶于顯影液，未曝光區域則被顯影液溶解去除，最終保留的曝光區域形成目標圖案。例如，SU-8 類負性光刻膠，曝光后環氧基團交聯聚合，顯著降低其在顯影液中的溶解度。

典型工藝流程

1. 基板預處理：與正顯影一致，重點提升光刻膠與基板的界面附著力，避免后續顯影或刻蝕過程中出現脫膠。

2. 光刻膠涂覆：選用負性光刻膠（如 SU-8、負性黑色光刻膠），通過旋涂或層壓法形成均勻膠膜，厚膜場景可采用多次涂覆。

3. 軟烘：根據光刻膠厚度調整參數，薄膠（1-3μm）采用 95℃/90s，厚膠（5-10μm）采用 120℃/180s，確保溶劑充分揮發。

   
   

4. 曝光：負性光刻膠需更高的曝光能量以實現充分交聯（如 I-line 光刻膠曝光能量約 200-300mJ/cm2），避免未完全交聯導致顯影時圖案損傷。

5. 負顯影：使用有機顯影液（如 NMP 溶液）或堿性顯影液溶解未曝光區域，對于厚膠場景可采用分步顯影減少圖案變形。

6. 后烘：在 120-150℃下烘烤 400s，進一步增強光刻膠的交聯程度和機械強度，提升抗刻蝕能力。

工藝優勢與適用場景

負顯影工藝具有膠膜附著力強、厚膜加工能力優異、工藝窗口寬等優勢，適用于 MEMS 器件、厚膠圖案化、功率器件等場景。例如，文檔中提及的負性黑色光刻膠可實現紅外屏蔽功能，且在厚膜場景下仍能保持良好的圖案完整性，其抗刻蝕性顯著優于正性光刻膠，適合后續干法刻蝕或濕法腐蝕工藝。

M0 通孔工藝正顯影方案設計

工藝目標

M0 通孔作為金屬層間互聯的關鍵結構，需實現孔徑精度 ±0.1μm、邊緣粗糙度≤0.05μm，確保后續金屬填充的連續性和可靠性，本方案針對 0.8μm 規格的 M0 通孔設計。

核心參數與流程

1. 光刻膠選擇：選用 ArF 正性光刻膠（如 JSR ARF-P01），適配 M0 金屬層（如 Cu、Al）的界面附著力需求，分辨率可達 0.1μm。

2. 基板預處理：

   • 晶圓清洗：采用 “丙酮超聲→乙醇超聲→DI 水沖洗→氮氣吹干” 流程，去除表面油污和顆粒。

   • 增黏處理：在 150℃下烘烤 60s，或涂覆 Hexamethyldisilazane（HMDS），提升光刻膠與金屬層的附著力。

3. 光刻膠涂覆：

   • 旋涂參數：轉速 3000rpm/30s，膠膜厚度 1.2μm（適配 0.8μm 通孔的 Aspect Ratio 需求）。

4. 軟烘：

   • 溫度 100℃，時間 120s，采用 Hotplate 烘烤，避免膠膜邊緣收縮。

5. 曝光：

   • 光源：ArF 激光（193nm），曝光能量 180mJ/cm2。

   • 對準精度：±0.02μm，確保通孔與底層金屬圖案精準對齊。

6. 正顯影：

   • 顯影液：2.38wt% TMAH 水溶液。

   • 顯影方式：掃描式顯影，時間 80s，噴液壓力 0.15MPa，確保通孔底部無光刻膠殘留。

   • 漂洗：DI 水沖洗 30s，氮氣吹干，避免顯影液殘留導致圖案腐蝕。

7. 后烘：

   • 溫度 120℃，時間 300s，固化膠膜，提升其在后續干法刻蝕中的抗等離子體能力。

8. 檢測：采用 FE-SEM 檢查通孔尺寸、邊緣粗糙度及殘留情況，不合格晶圓需進行去膠返工。

負顯影方案設計

針對厚膠場景或特殊金屬層（如粗糙表面金屬層）的 M0 通孔需求，實現孔徑精度 ±0.15μm、膠膜厚度 3μm，提升后續刻蝕工藝的抗蝕性。

核心參數與流程

1. 光刻膠選擇：選用 SU-8 2001 負性光刻膠，適配厚膜工藝需求，抗刻蝕性優異，與金屬層附著力強。

2. 基板預處理：

   • 清洗流程：與正顯影方案一致，增加等離子體清洗步驟（O?等離子體，功率 200W，時間 60s），增強表面粗糙度。

   • 增黏處理：涂覆 HMDS，120℃烘烤 90s，進一步提升光刻膠附著力。

3. 光刻膠涂覆：

   • 旋涂參數：分兩步旋涂，第一步 1000rpm/10s，第二步 2000rpm/30s，膠膜厚度 3μm。

4. 軟烘：

   • 溫度 120℃，時間 180s，采用階梯式烘烤（80℃/60s→120℃/120s），避免厚膠內部溶劑殘留。

5. 曝光：

   • 光源：i-line 激光（365nm），曝光能量 250mJ/cm2，確保厚膠內部充分交聯。

   • 對準精度：±0.03μm，適配厚膠工藝的對準偏差容忍度。

6. 負顯影：

   • 顯影液：NMP（N - 甲基吡咯烷酮）溶液，溫度 23℃。

   • 顯影方式：浸泡式顯影 + 超聲輔助，時間 120s，超聲功率 50W，確保未曝光區域充分溶解。

   • 漂洗：采用異丙醇（IPA）沖洗兩次，每次 30s，去除殘留顯影液。

7. 后烘：

   • 溫度 150℃，時間 400s，促進光刻膠完全交聯，提升抗刻蝕性能。

8. 檢測：通過臺階儀測量膠膜厚度，FE-SEM 檢查通孔側壁垂直度（要求≥85°）及邊緣完整性。