第 8 章 光刻膠,一、光刻膠的類型 凡是在能量束（光束、電子束、離子束等）的照射下，以交聯反應為主的光刻膠稱為 負性光刻膠，簡稱 負膠。 凡是在能量束（光束、電子束、離子束等）的照射下，以降解反應為主的光刻膠稱為 正性光刻膠，簡稱 正膠。,8.1 光刻膠的類型,光刻膠也稱為 光致抗蝕劑（Photoresist，P. R.）。,1、靈敏度 靈敏度的定義 單位面積上入射的使光刻膠全部發生反應的最小光能量或最小電荷量（對電子束膠），稱為光刻膠的靈敏度，記為 S ，也就是前面提到過的 D100 。S 越小，則靈敏度越高。,通常負膠的靈敏度高于正膠。,靈敏度太低會影響生產效率，所以通常希望光刻膠有較高的靈敏度。但靈敏度太高會影響分辨率。,8.2 光刻膠的特性,靈敏度曲線（對比度曲線）,1.0,0.5,0,D0,入射劑量（C/cm2）,未反應的歸一化膜厚,D100,2、分辨率,下面討論分辨率與靈敏度的關系。當入射電子數為 N 時， 由于隨機漲落，實際入射的電子數在 范圍內。為保證 出現最低劑量時不少于規定劑量的 90%，也即 。 由此可得 。因此對于小尺寸曝光區，必須滿足,光刻工藝中影響分辨率的因素有：光源、曝光方式 和 光刻膠本身（包括靈敏度、對比度、顆粒的大小、顯影時的溶脹、電子散射等）。通常正膠的分辨率要高于負膠。,式中，Wmin 為最小尺寸，即分辨率。可見，若靈敏度越高（即 S 越小），則 Wmin 就越大，分辨率就越差。,例如，負性電子束光刻膠 COP 的 S = 0.310-6 C/cm2，則其 Wmin = 0.073 m 。若其靈敏度提高到 S = 0.0310-6 C/cm2 ，則其 Wmin 將增大到 0.23 m 。,3、對比度,對比度是上圖中對數坐標下曲線的斜率，表示光刻膠區分掩模上亮區和暗區的能力的大小，即對劑量變化的敏感程度。,D0,D100,對比度的定義為,Dcr,D100,D0,靈敏度曲線越陡，D0 與 D100 的間距就越小，則光刻膠的對比度 就越大，這樣有助于得到清晰的圖形輪廓和高的分辨率。一般光刻膠的對比度在 0.9 2.0 之間。對于亞微米圖形，要求對比度大于 1。,通常正膠的對比度要高于負膠。,D0,D100,光進入光刻膠后，其強度按下式衰減,式中，為光刻膠的光吸收系數。設 TR 為光刻膠的厚度，則可定義光刻膠的 光吸收率 為,可以證明，對比度 與光吸收系數及光刻膠厚度 TR 之間有如下關系,減小光吸收系數與膠膜厚度有利于提高對比度。,一個與對比度有關的光刻膠性能指標是 臨界調制傳輸函數 CMTF ，它代表在光刻膠上獲得能被分辨的圖形所必須的最小調制傳輸函數，其定義為,利用對比度的公式，可得,CMTF 的典型值為 0.4。如果光學系統的 MTF 小于 CMTF，則其圖像就不能被分辨；如果光學系統的 MTF 大于 CMTF，就有可能被分辨。,8.3 臨界調制傳輸函數,8.4 光刻膠材料,1、負性紫外光光刻膠 主要有聚肉桂酸系（聚酯膠）和環化橡膠系兩大類，前者以柯達公司的 KPR 系列為代表，后者以 OMR 系列為代表。,2、正性紫外光光刻膠 主要以重氮醌為感光化合物，以酚醛樹脂為基體材料。最常用的有 AZ 1350 系列。正膠的主要優點是分辨率高，缺點是靈敏度、耐刻蝕性和附著性等較差。,光刻膠通常有三種成分：感光化合物、基體材料 和 溶劑。在感光化合物中有時還包括增感劑。,3、負性電子束光刻膠 為含有環氧基、乙烯基或環硫化物的聚合物。最常用的是COP 膠，典型特性：靈敏度 0.3 0.4 C/cm2（加速電壓 10KV 時）、分辨率 1.0 m 、對比度 0.95。限制分辨率的主要因素是光刻膠在顯影時的溶脹。,4、正性電子束光刻膠 主要為甲基丙烯甲酯、烯砜和重氮類這三種聚合物。最常用的是 PMMA 膠，典型特性：靈敏度 40 80 C/cm2（加速電壓 20 KV 時）、分辨率 0.1 m 、對比度 2 3 。 PMMA 膠的主要優點是分辨率高。主要缺點是靈敏度低，此外在高溫下易流動，耐干法刻蝕性差。,8.5 正膠的典型反應,一、光化學反應 化學反應速度 k 可表示為,感光物質的電子在未曝光時處于基態 S0 ，基態的反應激活能 EA 大 ，因此反應慢。曝光后，感光物質的電子處于激發態 S1 、S2 、S3 等， 激發態的 EA 小，因此反應變快。,式中，A 、R 為常數，T 為絕對溫度，EA 為化學反應激活能，隨電子狀態的不同而不同。EA 越小，則在同樣的溫度下反應速度越快。,二、勢能曲線 可以借助于感光物質的勢能曲線來討論光化學反應。下圖是重氮基萘的 RN - N2 切斷反應的勢能曲線。,S0,S1,S2,S3,T1,88Kcal,72Kcal,EA(S1) = 16Kcal,EA(S0) = 38Kcal,RN 與 N2 的間距,勢能,感光分子吸收= 365 nm 的光能（ 72 Kcal ）后 ，電子從基態 S0 躍遷到第一激發態 S1 ，激活能由 EA(S0) = 38 Kcal 降為 EA(S1) = 16 Kcal ，反應速度加快。,感光分子吸收= 300 nm 的光能（88 Kcal）后，電子躍遷到第二激發態 S2 ，此態的谷底勢能恰好與 S1 態當 RN - N2 分解時的勢能相當，且 S2 與 S1 態的曲線在圖左側有相交之處，因此電子可從 S2 態躍遷到 S1 態并立即反應。所以用= 300 nm 的光曝光比用= 365 nm 的反應速度快。,在重氮基萘中還存在著三重態 T1 。由 T1 態的曲線可見 ，RN-N2 的距離越遠，分子的勢能越低，所以處于 T1 態的分子將立即發生反應而不需激活能。由于 T1 態曲線與所有單重激發態的曲線在谷底附近相交，所以進入單重激發態的電子還可以通過向 T1 態躍遷而使感光物分子立即發生化學反應，從而使反應速度大大加快。這種作用稱為 “三重態增感” 。,T1,三、增感劑及其作用,8.6 光刻膠的涂敷和顯影,本節簡要介紹光刻工藝中除曝光與刻蝕以外的工序。,1、脫水烘烤 目的是去除硅片表面吸附的水分。也可利用前面的氧化或擴散工藝來實現。,2、增粘處理 在烘烤后的硅片表面涂一層六甲基二硅亞胺（HMDS），目的是增加硅片表面與光刻膠的粘附性。可采用蒸汽涂布法，也可采用旋涂法。,3、涂膠 一般采用旋涂法。涂膠的關鍵是控制膠膜的厚度與膜厚的均勻性。膠膜的厚度決定于光刻膠的粘度和旋轉速度。,4、前烘（軟烘） 目的是增強光刻膠與硅片的粘附性，去除光刻膠中的大部分溶劑，促進光刻膠的均勻性和穩定性。,5、曝光,6、曝光后的烘焙 對紫外線曝光可不進行，但對深紫外線曝光則必須進行。,7 、顯影 將曝光后的硅片用顯影液浸泡或噴霧處理。對負膠，顯影液將溶解掉未曝光區的膠膜；對正膠，顯影液將溶解曝光區的膠膜。幾乎所有的正膠都使用堿性顯影液，如 KOH 水溶液。,顯影過程中光刻膠膜會發生膨脹。正膠的膨脹可以忽略，而負膠的膨脹則可能使圖形尺寸發生變化。,顯影過程對溫度非常敏感。顯影過程有可能影響光刻膠的對比度，從而影響光刻膠的剖面形狀。,顯影后必須進行嚴格的檢查，如有缺陷則必須返工。,自動顯影檢查設備,10、去膠,9、刻蝕,8、后烘（硬烘、堅膜） 目的是使膠膜硬化，提高其在后續工序中的耐腐蝕性。,8.7 二級曝光效應,1、在選擇光刻膠時，必須考慮它的吸收譜，以及在特定波長下的光學吸收系數。,2、還要考慮基體材料對光的吸收。例如酚醛樹脂就對深紫外光有很強的吸收。被基體材料吸收的光到達不了感光化合物，從而影響光刻膠的靈敏度。,可知，當太大時，則只有光刻膠的頂部能被有效曝光；當太小時，則由于吸收太少而需要長時間的曝光。,由下式,3、當硅片表面凹凸不平時 ，遇到的第一個問題是硅片表面傾斜的臺階側面會將光反射到不希望曝光的區域。第二個問題是使膠膜的厚度發生變化：在硅片表面凹下處膠膜較厚，導致曝光不足；在硅片表面凸起處膠膜較薄，導致曝光過度。膠膜厚度的不同還會影響對比度。,解決這個問題的辦法是表面平坦化。,8.8 雙層光刻膠技術,隨著線條寬度的不斷縮小，為了防止膠上圖形出現太大的深寬比，提高對比度，應該采用很薄的光刻膠。但薄膠會遇到耐腐蝕性的問題。由此開發出了 雙層光刻膠技術，這也是所謂 超分辨率技術 的組成部分。,頂層膠：含硅，厚約 0.25 m,底層膠：也稱為干顯影膠，厚約 0.5 m,對頂層膠曝光顯影,對底層膠作含氧的 RIE 刻蝕,據報導，采用 193 nm 波長光源，在底層膠上獲得了 0.15 m 0.12 m 寬的線條。用 CF4 RIE 法刻蝕掉 0.23 m 厚的多晶硅后，還有約 50% 的底層膠保留下來。,8.9 小結,本章首先介紹了光刻膠的類型與特性，重點討論了光刻膠的靈敏度、分辨率、對比度及其相互關系。通過正膠的典型反應和勢能曲線，說明了光刻膠的光化學反應過程和增感作用。介紹了涉及光刻膠的工藝步驟。最后介紹了雙層光刻膠技術。,習 題 1、某種光刻膠的 D0 = 40mJ/cm2，D100 = 8