轻松掌握光刻工艺：清洗与预处理
1 引言
在高科技的璀璨星空中，光刻工艺以其精细入微的操作，扮演着制造精密芯片的关键角色。而在这复杂而精密的工艺中，清洗和预处理环节如同精心打磨的基石，承载着确保工艺质量的重要使命。本期，就让我们一同揭开光刻工艺流程中清洗和预处理的神秘面纱，探索它们是如何为后续的精细操作奠定坚实基础的。
2 光刻工艺介绍
在光刻工艺中，包含表面清洗烘干，预处理，涂胶，软烘，对准和曝光，后烘，显影，坚膜，其中清洗和预处理步骤是确保最终产品质量和性能的关键环节。
光刻工艺流程图
清洗步骤主要是为了去除晶圆或硅片表面的污染物，如尘埃、油脂和其他化学残留物。这些污染物如果不被清除，可能会干扰光刻胶的涂覆和图案的精确转移。清洗通常涉及使用特定的化学溶液，如丙酮、乙醇等，通过特定的清洗设备，如超声波清洗机等，来清洁晶圆表面。
预处理步骤则是在清洗之后，为涂覆光刻胶做准备。预处理可能包括烘干、涂覆增粘剂等操作，旨在去除晶圆表面的残留水分，增强表面对光刻胶的粘附性，从而确保光刻胶能够均匀、稳定地涂覆在晶圆上。
3 标准RCA清洗
RCA清洗流程
以硅片为例：
1. 浓硫酸&双氧水可以去除硅片表面的重有机沾污和部分金属；
2. DHF用于去除硅片表面的自然氧化膜和金属膜上的氢氧化物；
3. NH4OH/H2O2/H2O可以进一步去除硅片表面的粒子；
4. HCl/H2O2/H2O可以去除硅片表面的钠、铁、镁的金属沾污。
4 有机清洗
丙酮去除有机杂质，接下来异丙醇除掉片子表面的残留的丙酮以避免片子表面产生光纹路。
有机清洗步骤
5 预处理
晶圆表面容易吸附潮气，这对其后续处理过程提出了严格的要求。在进行光刻胶涂覆时，必须确保晶圆表面干燥，以保证光刻胶能够牢固黏附。因此，涂胶之前，晶圆会经历一个脱水烘焙的过程，这个过程的温度通常控制在140℃到200℃之间。此外，为了进一步增强光刻胶与晶圆之间的粘附力，有时还需要使用黏附剂，其中HMDS（六甲基二硅胺脘）是常用的选择。
综上所述，晶圆表面的脱水烘焙和黏附剂涂覆是光刻工艺中重要的步骤，它们共同确保了光刻胶与晶圆之间的牢固黏附，为后续的制造过程奠定了坚实的基础。
6 为什么要增加黏附性
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，以及许多金属在长时间暴露于大气中，特别是在一定湿度条件下，它们的表面会形成带有极性OH键的化合物。这种化学变化使得这些衬底表面呈现出亲水特性。亲水性意味着这些表面更容易与水分子相互作用，而非极性或低极性的物质，如光刻胶中的树脂分子，则较难与它们紧密结合。
为了提高这些衬底表面的疏水性，即减少它们与水分子或其他极性物质的相互作用，科学家们采用化学方法将非极性分子，如HMDS等，附着在衬底表面上。通过这种处理，衬底表面的化学性质发生改变，从而增强了对非极性物质的亲和力。
7 HMDS是什么？
HMDS(六甲基二硅烷)是一种常用在半导体表面的粘附促进剂，其简化的反应机理如图1所示，HMDS与Si原子在无氧表面结合，与氧化基表面的氧原子(如有必要，OH基团分解)结合，释放出氨。非极性甲基直接隔离衬底表面形成疏水表面，与光刻胶具有良好的润湿性和附着力。
图源《超大规模集成电路光刻理论与应用》韦亚- 著
HMDS(六甲基二硅烷)在半导体制造中扮演着至关重要的角色，它作为一种粘附促进剂，能够显著增强光刻胶与基底之间的粘附力。
8 HMDS的基本特性
它是一种特殊的化合物，具有非极性的甲基基团，这些基团能够直接隔离衬底表面，从而形成疏水表面。这种疏水特性使得HMDS能够与光刻胶产生良好的润湿性和附着力，为后续工艺提供稳定的基础。
增粘处理效果的好坏不仅与增粘剂有关，还与衬底表面的性质以及涂覆的材料有关。HMDS一般只适用于Si衬底，并且衬底表面必须没有大量水分子吸附。对于其他衬底(如玻璃、Cu、TiOx、GaP等Ⅲ-V 半导体)，如果需要旋涂酚醛树脂或环氧树脂类光刻胶(novolac and epoxyresin based resist series)，建议使用另外一种增粘剂Surpass这种增粘剂是一种水溶性的、无害的有机阳离子表面活性剂(cationicSurPassorganic surface active agent)，它通过改变衬底材料的表面能来达到增粘的目的。SurPass可以被旋涂或喷淋在衬底表面；然后，使用水或异丙醇(isopropanol，IPA)冲洗衬底；最后，用氮气吹干或甩干。
9 结语
光刻工艺流程的清洗及预处理，是半导体制造中至关重要的一部分，直接决定了后续工艺的稳定性和产品质量。
标准RCA清洗，以其高效的去污能力和良好的兼容性，成为预处理中的核心步骤。它能够有效去除硅片表面的颗粒、金属离子和有机物，为后续的光刻工艺提供清洁的基底。
有机清洗则是对RCA清洗的补充，它能够进一步去除硅片表面的有机污染物，确保表面的纯净度。干燥处理则是预处理的道工序，它通过控制温度和湿度，使硅片表面达到干燥状态，避免在后续工艺中出现水痕或水印等问题。
此外，我们还特别介绍了HMDS的特性及其在预处理中的应用。HMDS作为一种优秀的表面改性剂，能够增强硅片表面的疏水性，提高光刻胶的粘附力，从而确保光刻图案的精度和稳定性。
在未来的日子里，我们将继续探索半导体制造的奥秘，为大家带来更多有趣且实用的科普知识。敬请期待下期TuoTuo科普，我们不见不散！
