某些光刻膠的光化學(xué)作用要求在曝光過程中光刻膠膜中需要有水作為不可缺少的前驅(qū)體，但在前烘后立即進(jìn)行曝光則不能有足夠的時(shí)間吸收水分。本文主要介紹其原理、補(bǔ)水的方法和水分不足的可能的后果。

光刻膠膜的化學(xué)和物理過程

水在光化學(xué)反應(yīng)中的作用

幾乎所有的基于DNQ-基光引發(fā)法劑的光刻膠（除部分化學(xué)放大膠外）在曝光過程中的光反時(shí)，都要求一定的最低千分之幾的水分參與。

然而，在前烘后，如果光刻膠膜中沒有足夠數(shù)量的水，必須通過再水合化過程使得光刻膠膜中獲得足夠的水分，從而使其在隨后曝光過程中具有足夠的顯影速率。

補(bǔ)水過程

用于再水化中的水的來源是潔凈間的大氣，根據(jù)相對(duì)濕度的不同，在室溫下每立方米含有大約10克水。吸附在光刻膠表面的水分子擴(kuò)散到光刻膠膜中，最終使光刻膠表面與基體之間的水濃度均勻。這里，所需的時(shí)間就是擴(kuò)散過程的限制因素，并隨著光刻膠厚度呈平方關(guān)系。理論上不管多長(zhǎng)時(shí)間光刻膠膜中的均勻水分含量取決于光刻膠膜上方的空氣濕度。

補(bǔ)水不足的影響

如果前烘和曝光之間的停留的時(shí)間太短，整個(gè)顯影過程可能需要兩個(gè)多小時(shí)。相比之下等待10分鐘就足夠在整個(gè)光刻膠厚度上吸收足夠的水分并足以在很短的時(shí)間內(nèi)完成顯影過程。 如右圖1所示，藍(lán)色線表示前烘與曝光之間間隔5min的顯影曲線以及黑線表示前烘和曝光之間間隔30min充分再吸水后的顯影曲線，可見充分再吸水后的顯影時(shí)間大大縮短。

圖1 兩種不同補(bǔ)水條件下顯影時(shí)間

充分再吸水的條件

時(shí)間

在一定的溫度下，光刻膠表面從空氣中吸收水分所需要消耗的時(shí)間其實(shí)并不長(zhǎng)（幾秒至幾分鐘），但是水分從光刻膠表面擴(kuò)散至襯底表面隨著光刻膠厚度的增加，消耗的時(shí)間可能非常長(zhǎng)，例如，對(duì)于1um的膠厚，這整個(gè)補(bǔ)水過程可以在10s以內(nèi)完成，而對(duì)于10um的膠厚，整個(gè)補(bǔ)水過程可能需要10min，而對(duì)于20um的膠厚，整個(gè)過程需要接近一個(gè)小時(shí)的時(shí)間，而對(duì)于厚膠100um的情況，所需要的的時(shí)間可以使30多個(gè)小時(shí)。

濕度

在光刻膠涂在襯底上并烘烤后的空氣濕度決定了在一定時(shí)間后在光刻膠膜中水分濃度。如果潔凈間中空氣非常干燥，即使在空氣中停留數(shù)小時(shí)也不會(huì)發(fā)生再吸水，因?yàn)樗治蘸驼舭l(fā)的平衡水平太低。

我們建議相對(duì)濕度為40 – 50%，以保證充分補(bǔ)水。較低的空氣濕度會(huì)導(dǎo)致顯影速率明顯下降，較高空氣濕度并不能進(jìn)一步改善補(bǔ)水，反而會(huì)導(dǎo)致光刻膠的粘附性變差，因?yàn)樵诠饪棠z涂層形成之前，就已經(jīng)在襯底表面吸附了水膜。

如果再吸水是在一個(gè)不同的(潮濕的)房間進(jìn)行的，而不是在接下來的曝光室中進(jìn)行的，必須注意，光刻膠膜失去水分的速度與它吸收水分的速度一樣快，在到達(dá)曝光設(shè)備的過程中。特別是對(duì)于較薄的膠膜，曝光設(shè)備間的空氣濕度決定了再吸水的程度和后期顯影的結(jié)果。

溫度

較高的溫度加速了擴(kuò)散過程，從而縮短了水分子通過光刻膠膜擴(kuò)散到襯底一側(cè)的時(shí)間。另一方面，較高的溫度促進(jìn)水從光刻膠膜中蒸發(fā)速率，從而降低最終水的濃度。

光刻膠厚膠的再吸水

薄膠厚膠

再吸水的必要性不取決于光刻膠膜的厚度，但由于薄膠只有幾微米，由于各種原因這種機(jī)制在工藝過程中很難占主導(dǎo)地位:

一方面，薄膠的再吸水過程所需的時(shí)間少于一分鐘，通常前烘和曝光之間的時(shí)間足以滿足再吸水所需要的時(shí)間。另外，薄膠的光引發(fā)劑濃度通常比厚阻光刻劑的光引發(fā)劑濃度要高得多，因此，由于薄膠的厚度較低，其顯影速度也要快得多。

厚膠再吸水不足在剖面上呈現(xiàn)的后果

下圖2展示了沒有或過短的再吸水過程對(duì)光刻膠輪廓的影響。光刻膠表面和襯底之間的顯影速度取決于曝光前光刻膠中水分濃度的深度剖面，而與之無關(guān)的暗腐蝕對(duì)未暴露的光刻膠在橫向和縱向上也有一定的影響。

圖2 不同再吸水條件下正膠顯影狀態(tài)。

襯底一側(cè)光刻膠顯影越充分，即再吸水越完全，光刻膠的側(cè)壁可能越陡直。如果由于在前烘和曝光之間的等待時(shí)間太短，只有上部光刻膠區(qū)域得到了充分的再吸水，那么光刻膠膜在深度上的顯影速度會(huì)越來越慢，也就是說，上部光刻膠隨著顯影時(shí)間的延長(zhǎng)暗腐蝕現(xiàn)象越明顯。

厚膠的再吸水處理措施

厚度為10um的厚光刻膠需要幾個(gè)小時(shí)的再吸水過程，這幾乎是不現(xiàn)實(shí)的。

較高的空氣濕度也不能改變水分子從光刻膠表面擴(kuò)散至光刻膠內(nèi)部的時(shí)間， 如果光刻膠的光反應(yīng)缺乏足夠的水分，即使較高的曝光劑量也是沒有用的。高濃度的顯影液會(huì)縮短未充分再吸水的光刻膠的顯影時(shí)間，但也會(huì)不成比例的增加暗蝕過程，從而進(jìn)一步惡化所獲得的光刻膠輪廓形態(tài)。

因此，對(duì)于膠厚大于十幾微米或者幾十微米的膠，我們需要注意選擇特殊成分的膠，以避免長(zhǎng)時(shí)間的再吸水過程。

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