微細加工光刻膠

微細加工光刻膠第一頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期二第二頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期二

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(fā)生反應(yīng)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(chǎn)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光刻膠的特性第三頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期二靈敏度曲線（對比度曲線）1.00.50D0入射劑量（C/cm2）未反應(yīng)的歸一化膜厚D100第四頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期二

2、分辨率下面討論分辨率與靈敏度的關(guān)系。當(dāng)入射電子數(shù)為

N時，由于隨機漲落，實際入射的電子數(shù)在范圍內(nèi)。為保證出現(xiàn)最低劑量時不少于規(guī)定劑量的90%，也即。由此可得。因此對于小尺寸曝光區(qū)，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。第五頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期二式中，Wmin

為最小尺寸，即分辨率?？梢?，若靈敏度越高（即

S

越?。?，則

Wmin

就越大，分辨率就越差。

例如，負性電子束光刻膠

COP

的

S=0.3×10-6C/cm2，則其

Wmin=0.073

m。若其靈敏度提高到

S=0.03×10-6C/cm2，則其

Wmin

將增大到

0.23

m。第六頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期二

3、對比度對比度是上圖中對數(shù)坐標下曲線的斜率，表示光刻膠區(qū)分掩模上亮區(qū)和暗區(qū)的能力的大小，即對劑量變化的敏感程度。D0D100對比度的定義為DcrD100D0第七頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期二靈敏度曲線越陡，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。D0D100第八頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期二光進入光刻膠后，其強度按下式衰減式中，α為光刻膠的光吸收系數(shù)。設(shè)

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(shù)α及光刻膠厚度

TR

之間有如下關(guān)系減小光吸收系數(shù)與膠膜厚度有利于提高對比度。

第九頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期二一個與對比度有關(guān)的光刻膠性能指標是

臨界調(diào)制傳輸函數(shù)

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(diào)制傳輸函數(shù)，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(xué)系統(tǒng)的

MTF

小于

CMTF，則其圖像就不能被分辨；如果光學(xué)系統(tǒng)的

MTF

大于

CMTF，就有可能被分辨。8.3臨界調(diào)制傳輸函數(shù)

第十頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期二8.4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(huán)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(yōu)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。第十一頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期二3、負性電子束光刻膠為含有環(huán)氧基、乙烯基或環(huán)硫化物的聚合物。最常用的是COP

膠，典型特性：靈敏度0.3~0.4C/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(yōu)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。第十二頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期二

8.5正膠的典型反應(yīng)

一、光化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)速度k可表示為感光物質(zhì)的電子在未曝光時處于基態(tài)

S0，基態(tài)的反應(yīng)激活能

EA

大，因此反應(yīng)慢。曝光后，感光物質(zhì)的電子處于激發(fā)態(tài)

S1、S2、S3等，

激發(fā)態(tài)的

EA

小，因此反應(yīng)變快。式中，A、R

為常數(shù)，T為絕對溫度，EA

為化學(xué)反應(yīng)激活能，隨電子狀態(tài)的不同而不同。EA

越小，則在同樣的溫度下反應(yīng)速度越快。第十三頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期二

二、勢能曲線可以借助于感光物質(zhì)的勢能曲線來討論光化學(xué)反應(yīng)。下圖是重氮基萘的

RN-N2

切斷反應(yīng)的勢能曲線。S0S1S2S3T188Kcal72KcalEA(S1)

=16KcalEA(S0)

=38KcalRN

與

N2的間距勢能第十四頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期二感光分子吸收λ=365

nm

的光能（

72

Kcal

）后

，電子從基態(tài)

S0躍遷到第一激發(fā)態(tài)

S1

，激活能由

EA(S0)

=

38

Kcal降為EA(S1)

=

16

Kcal，反應(yīng)速度加快。感光分子吸收λ=300

nm

的光能（88Kcal）后，電子躍遷到第二激發(fā)態(tài)S2

，此態(tài)的谷底勢能恰好與S1態(tài)當(dāng)

RN

-

N2

分解時的勢能相當(dāng)，且

S2

與

S1

態(tài)的曲線在圖左側(cè)有相交之處，因此電子可從

S2

態(tài)躍遷到

S1

態(tài)并立即反應(yīng)。所以用λ=300

nm

的光曝光比用λ=365

nm

的反應(yīng)速度快。第十五頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期二在重氮基萘中還存在著三重態(tài)T1。由T1態(tài)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(tài)的分子將立即發(fā)生反應(yīng)而不需激活能。由于

T1

態(tài)曲線與所有單重激發(fā)態(tài)的曲線在谷底附近相交，所以進入單重激發(fā)態(tài)的電子還可以通過向

T1

態(tài)躍遷而使感光物分子立即發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而使反應(yīng)速度大大加快。這種作用稱為“三重態(tài)增感”。T1

三、增感劑及其作用第十六頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期二8.6光刻膠的涂敷和顯影本節(jié)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(xiàn)。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?？刹捎谜羝坎挤?，也可采用旋涂法。第十七頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期二3、涂膠一般采用旋涂法。涂膠的關(guān)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(zhuǎn)速度。3)甩掉多余的膠4)溶劑揮發(fā)1)滴膠2)加速旋轉(zhuǎn)第十八頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期二4、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(wěn)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。第十九頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期二7

、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(qū)的膠膜；對正膠，顯影液將溶解曝光區(qū)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(fā)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(fā)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。第二十頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期二自動顯影檢查設(shè)備第二十一頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期二10、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(xù)工序中的耐腐蝕性。第二十二頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期二8.7二級曝光效應(yīng)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(xué)吸收系數(shù)α。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?？芍?dāng)α太大時，則只有光刻膠的頂部能被有效曝光；當(dāng)α太小時，則由于吸收太少而需要長時間的曝光。由下式第二十三頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期二3、當(dāng)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(cè)面會將光反射到不希望曝光的區(qū)域。第二個問題是使膠膜的厚度發(fā)生變化：在硅片表面凹下處膠膜較厚，導(dǎo)致曝光不足；在硅片表面凸起處膠膜較薄，導(dǎo)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。第二十四頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期二8.8雙層光刻膠技術(shù)隨著線條寬度的不斷縮小，為了防止膠上圖形出現(xiàn)太大的深寬比，提高對比度，應(yīng)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(fā)出了

雙層光刻膠技術(shù)，這也是所謂

超分辨率技術(shù)

的組成部分。第二十五頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期二頂層膠：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(jù)報導(dǎo)，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

CF4RIE

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。第二十六頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期二8.9小結(jié)

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(guān)系。通過正膠的典型反應(yīng)和勢能曲線，說明了光刻膠的光化學(xué)反應(yīng)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(shù)。第二十七頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期二習(xí)題1、某種光刻膠的

D0=40mJ/cm2