光刻正显影与负显影工艺解析及 M0 通孔工艺方案设计

光刻工艺是半导体制造的核心环节，其通过光化学反应将掩膜版图案转移至晶圆表面的光刻胶上，而显影作为光刻流程的关键步骤，直接决定图案的分辨率、边缘粗糙度及工艺兼容性。根据光刻胶曝光后的溶解特性，显影工艺主要分为正显影和负显影两类。

光刻正显影工艺

正显影工艺中，光刻胶经特定波长光源曝光后，曝光区域的化学结构发生改变，变得易溶于显影液，未曝光区域则保持原有形态不被溶解，最终保留的未曝光区域形成目标图案。例如，DNQ - 酚醛树脂类正性光刻胶，曝光后 DNQ 基团分解生成茚羧酸，使曝光区域在碱性显影液中溶解度显著提升。

典型工艺流程

1. 基板预处理：通过化学清洗去除晶圆表面杂质，烘干后进行增黏处理，提升光刻胶附着力。

2. 光刻胶涂覆：采用旋涂法将正性光刻胶（如 ArF 正胶、I-line DNQ 型光刻胶）均匀涂覆在晶圆表面。

3. 软烘：在 90-110℃条件下烘烤 60-120s，去除光刻胶中的溶剂，增强胶膜稳定性。

4. 曝光：通过光刻机将 M0 通孔掩膜图案投射到光刻胶上，曝光能量根据光刻胶类型调整（如 I-line 光刻胶曝光能量约 150-250mJ/cm²）。

5. 正显影：使用碱性显影液（如 2.38wt% TMAH 溶液）溶解曝光区域，显影方式可采用扫描式或喷淋式，避免静态显影导致的图案不均。

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

工艺优势与适用场景

正显影工艺具有分辨率高、边缘粗糙度低、工艺成熟等优势，适用于先进制程（如 7nm 及以下）的精细图案化，尤其适合线宽要求严格的逻辑器件、存储芯片等场景。其核心优势在于曝光区域的选择性溶解特性，可实现亚微米级甚至纳米级的图案转移

光刻负显影工艺

负显影工艺与正显影相反，光刻胶曝光后，曝光区域发生交联反应形成三维网络结构，变得难溶于显影液，未曝光区域则被显影液溶解去除，最终保留的曝光区域形成目标图案。例如，SU-8 类负性光刻胶，曝光后环氧基团交联聚合，显著降低其在显影液中的溶解度。

典型工艺流程

1. 基板预处理：与正显影一致，重点提升光刻胶与基板的界面附着力，避免后续显影或刻蚀过程中出现脱胶。

2. 光刻胶涂覆：选用负性光刻胶（如 SU-8、负性黑色光刻胶），通过旋涂或层压法形成均匀胶膜，厚膜场景可采用多次涂覆。

3. 软烘：根据光刻胶厚度调整参数，薄胶（1-3μm）采用 95℃/90s，厚胶（5-10μm）采用 120℃/180s，确保溶剂充分挥发。

   
   

4. 曝光：负性光刻胶需更高的曝光能量以实现充分交联（如 I-line 光刻胶曝光能量约 200-300mJ/cm²），避免未完全交联导致显影时图案损伤。

5. 负显影：使用有机显影液（如 NMP 溶液）或碱性显影液溶解未曝光区域，对于厚胶场景可采用分步显影减少图案变形。

6. 后烘：在 120-150℃下烘烤 400s，进一步增强光刻胶的交联程度和机械强度，提升抗刻蚀能力。

工艺优势与适用场景

负显影工艺具有胶膜附着力强、厚膜加工能力优异、工艺窗口宽等优势，适用于 MEMS 器件、厚胶图案化、功率器件等场景。例如，文档中提及的负性黑色光刻胶可实现红外屏蔽功能，且在厚膜场景下仍能保持良好的图案完整性，其抗刻蚀性显著优于正性光刻胶，适合后续干法刻蚀或湿法腐蚀工艺。

M0 通孔工艺正显影方案设计

工艺目标

M0 通孔作为金属层间互联的关键结构，需实现孔径精度 ±0.1μm、边缘粗糙度≤0.05μm，确保后续金属填充的连续性和可靠性，本方案针对 0.8μm 规格的 M0 通孔设计。

核心参数与流程

1. 光刻胶选择：选用 ArF 正性光刻胶（如 JSR ARF-P01），适配 M0 金属层（如 Cu、Al）的界面附着力需求，分辨率可达 0.1μm。

2. 基板预处理：

   • 晶圆清洗：采用 “丙酮超声→乙醇超声→DI 水冲洗→氮气吹干” 流程，去除表面油污和颗粒。

   • 增黏处理：在 150℃下烘烤 60s，或涂覆 Hexamethyldisilazane（HMDS），提升光刻胶与金属层的附着力。

3. 光刻胶涂覆：

   • 旋涂参数：转速 3000rpm/30s，胶膜厚度 1.2μm（适配 0.8μm 通孔的 Aspect Ratio 需求）。

4. 软烘：

   • 温度 100℃，时间 120s，采用 Hotplate 烘烤，避免胶膜边缘收缩。

5. 曝光：

   • 光源：ArF 激光（193nm），曝光能量 180mJ/cm²。

   • 对准精度：±0.02μm，确保通孔与底层金属图案精准对齐。

6. 正显影：

   • 显影液：2.38wt% TMAH 水溶液。

   • 显影方式：扫描式显影，时间 80s，喷液压力 0.15MPa，确保通孔底部无光刻胶残留。

   • 漂洗：DI 水冲洗 30s，氮气吹干，避免显影液残留导致图案腐蚀。

7. 后烘：

   • 温度 120℃，时间 300s，固化胶膜，提升其在后续干法刻蚀中的抗等离子体能力。

8. 检测：采用 FE-SEM 检查通孔尺寸、边缘粗糙度及残留情况，不合格晶圆需进行去胶返工。

负显影方案设计

针对厚胶场景或特殊金属层（如粗糙表面金属层）的 M0 通孔需求，实现孔径精度 ±0.15μm、胶膜厚度 3μm，提升后续刻蚀工艺的抗蚀性。

核心参数与流程

1. 光刻胶选择：选用 SU-8 2001 负性光刻胶，适配厚膜工艺需求，抗刻蚀性优异，与金属层附着力强。

2. 基板预处理：

   • 清洗流程：与正显影方案一致，增加等离子体清洗步骤（O₂等离子体，功率 200W，时间 60s），增强表面粗糙度。

   • 增黏处理：涂覆 HMDS，120℃烘烤 90s，进一步提升光刻胶附着力。

3. 光刻胶涂覆：

   • 旋涂参数：分两步旋涂，第一步 1000rpm/10s，第二步 2000rpm/30s，胶膜厚度 3μm。

4. 软烘：

   • 温度 120℃，时间 180s，采用阶梯式烘烤（80℃/60s→120℃/120s），避免厚胶内部溶剂残留。

5. 曝光：

   • 光源：i-line 激光（365nm），曝光能量 250mJ/cm²，确保厚胶内部充分交联。

   • 对准精度：±0.03μm，适配厚胶工艺的对准偏差容忍度。

6. 负显影：

   • 显影液：NMP（N - 甲基吡咯烷酮）溶液，温度 23℃。

   • 显影方式：浸泡式显影 + 超声辅助，时间 120s，超声功率 50W，确保未曝光区域充分溶解。

   • 漂洗：采用异丙醇（IPA）冲洗两次，每次 30s，去除残留显影液。

7. 后烘：

   • 温度 150℃，时间 400s，促进光刻胶完全交联，提升抗刻蚀性能。

8. 检测：通过台阶仪测量胶膜厚度，FE-SEM 检查通孔侧壁垂直度（要求≥85°）及边缘完整性。