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1、第 8 章 光刻胶,一、光刻胶的类型 凡是在能量束（光束、电子束、离子束等）的照射下，以交联反应为主的光刻胶称为 负性光刻胶，简称 负胶。 凡是在能量束（光束、电子束、离子束等）的照射下，以降解反应为主的光刻胶称为 正性光刻胶，简称 正胶。,8.1 光刻胶的类型,光刻胶也称为 光致抗蚀剂（Photoresist，P. R.）。,1、灵敏度 灵敏度的定义 单位面积上入射的使光刻胶全部发生反应的最小光能量或最小电荷量（对电子束胶），称为光刻胶的灵敏度，记为 S ，也就是前面提到过的 D100 。S 越小，则灵敏度越高。,通常负胶的灵敏度高于正胶。,灵敏度太低会影响生产效率，所以通常希望光刻胶有较高
2、的灵敏度。但灵敏度太高会影响分辨率。,8.2 光刻胶的特性,灵敏度曲线（对比度曲线）,1.0,0.5,0,D0,入射剂量（C/cm2）,未反应的归一化膜厚,D100,2、分辨率,下面讨论分辨率与灵敏度的关系。当入射电子数为 N 时，由于随机涨落，实际入射的电子数在 范围内。为保证出现最低剂量时不少于规定剂量的 90%，也即 。由此可得 。因此对于小尺寸曝光区，必须满足,光刻工艺中影响分辨率的因素有：光源、曝光方式 和 光刻胶本身（包括灵敏度、对比度、颗粒的大小、显影时的溶胀、电子散射等）。通常正胶的分辨率要高于负胶。,式中，Wmin 为最小尺寸，即分辨率。可见，若灵敏度越高（即 S 越小），则
3、 Wmin 就越大，分辨率就越差。,例如，负性电子束光刻胶 COP 的 S = 0.310-6 C/cm2，则其 Wmin = 0.073 m 。若其灵敏度提高到 S = 0.0310-6 C/cm2 ，则其 Wmin 将增大到 0.23 m 。,3、对比度,对比度是上图中对数坐标下曲线的斜率，表示光刻胶区分掩模上亮区和暗区的能力的大小，即对剂量变化的敏感程度。,D0,D100,对比度的定义为,Dcr,D100,D0,灵敏度曲线越陡，D0 与 D100 的间距就越小，则光刻胶的对比度 就越大，这样有助于得到清晰的图形轮廓和高的分辨率。一般光刻胶的对比度在 0.9 2.0 之间。对于亚微米图形，
4、要求对比度大于 1。,通常正胶的对比度要高于负胶。,D0,D100,光进入光刻胶后，其强度按下式衰减,式中，为光刻胶的光吸收系数。设 TR 为光刻胶的厚度，则可定义光刻胶的 光吸收率 为,可以证明，对比度与光吸收系数及光刻胶厚度 TR 之间有如下关系,减小光吸收系数与胶膜厚度有利于提高对比度。,一个与对比度有关的光刻胶性能指标是 临界调制传输函数 CMTF ，它代表在光刻胶上获得能被分辨的图形所必须的最小调制传输函数，其定义为,利用对比度的公式，可得,CMTF 的典型值为 0.4。如果光学系统的 MTF 小于 CMTF，则其图像就不能被分辨；如果光学系统的 MTF 大于 CMTF，就有可能被分
5、辨。,8.3 临界调制传输函数,8.4 光刻胶材料,1、负性紫外光光刻胶 主要有聚肉桂酸系（聚酯胶）和环化橡胶系两大类，前者以柯达公司的 KPR 系列为代表，后者以 OMR 系列为代表。,2、正性紫外光光刻胶 主要以重氮醌为感光化合物，以酚醛树脂为基体材料。最常用的有 AZ 1350 系列。正胶的主要优点是分辨率高，缺点是灵敏度、耐刻蚀性和附着性等较差。,光刻胶通常有三种成分：感光化合物、基体材料 和 溶剂。在感光化合物中有时还包括增感剂。,3、负性电子束光刻胶 为含有环氧基、乙烯基或环硫化物的聚合物。最常用的是COP 胶，典型特性：灵敏度 0.3 0.4 C/cm2（加速电压 10KV 时）
6、、分辨率 1.0 m 、对比度 0.95。限制分辨率的主要因素是光刻胶在显影时的溶胀。,4、正性电子束光刻胶 主要为甲基丙烯甲酯、烯砜和重氮类这三种聚合物。最常用的是 PMMA 胶，典型特性：灵敏度 40 80 C/cm2（加速电压 20 KV 时）、分辨率 0.1 m 、对比度 2 3 。 PMMA 胶的主要优点是分辨率高。主要缺点是灵敏度低，此外在高温下易流动，耐干法刻蚀性差。,8.5 正胶的典型反应,一、光化学反应 化学反应速度 k 可表示为,感光物质的电子在未曝光时处于基态 S0 ，基态的反应激活能 EA 大 ，因此反应慢。曝光后，感光物质的电子处于激发态 S1 、S2 、S3 等，
7、激发态的 EA 小，因此反应变快。,式中，A 、R 为常数，T 为绝对温度，EA 为化学反应激活能，随电子状态的不同而不同。EA 越小，则在同样的温度下反应速度越快。,二、势能曲线 可以借助于感光物质的势能曲线来讨论光化学反应。下图是重氮基萘的 RN - N2 切断反应的势能曲线。,感光分子吸收= 365 nm 的光能（ 72 Kcal ）后 ，电子从基态 S0 跃迁到第一激发态 S1 ，激活能由 EA(S0) = 38 Kcal 降为 EA(S1) = 16 Kcal ，反应速度加快。,感光分子吸收= 300 nm 的光能（88 Kcal）后，电子跃迁到第二激发态 S2 ，此态的谷底势能恰好
8、与 S1 态当 RN - N2 分解时的势能相当，且 S2 与 S1 态的曲线在图左侧有相交之处，因此电子可从 S2 态跃迁到 S1 态并立即反应。所以用= 300 nm 的光曝光比用= 365 nm 的反应速度快。,在重氮基萘中还存在着三重态 T1 。由 T1 态的曲线可见 ，RN-N2 的距离越远，分子的势能越低，所以处于 T1 态的分子将立即发生反应而不需激活能。由于 T1 态曲线与所有单重激发态的曲线在谷底附近相交，所以进入单重激发态的电子还可以通过向 T1 态跃迁而使感光物分子立即发生化学反应，从而使反应速度大大加快。这种作用称为 “三重态增感” 。,T1,三、增感剂及其作用,pho
9、toresist,silicon substrate,oxide,正性光刻: 曝光后的光刻胶被显影液溶解而去除，留下光刻胶的图形与掩膜版图形一致。,正性光刻,Ultraviolet light,光刻胶的曝光区,光刻胶上的阴影,在玻璃掩膜版上的铬岛,负性光刻,负性光刻: 曝光后的光刻胶因发生交联反应而硬化，留在硅片表面，未曝光的被显影液溶解而去除，留下光刻胶的图形与掩膜版图形相反。,期望印在硅片上的光刻胶结构.,窗口,Substrate,光刻胶岛,石英,铬,岛,当使用负胶时，要求掩膜版上图形与想要的结构相反,当使用正胶时，要求掩膜版上图形与想要的结构相同,掩膜版与光刻胶的关系,金属互连线的模拟
10、(正胶光刻）,亮场掩膜版,接触孔的模拟（正胶光刻）,暗场掩膜版,亮场和暗场掩膜版,暗场掩膜版：其石英版上大部分被铬覆盖。亮场掩膜版：有大面积透明的石英，只有很细的铬图形,8.6 光刻胶的涂敷和显影,本节简要介绍光刻工艺中除曝光与刻蚀以外的工序。,1、脱水烘烤 目的是去除硅片表面吸附的水分。也可利用前面的氧化或扩散工艺来实现。,2、增粘处理 在烘烤后的硅片表面涂一层六甲基二硅亚胺（HMDS），目的是增加硅片表面与光刻胶的粘附性。可采用蒸汽涂布法，也可采用旋涂法。,3、涂胶 一般采用旋涂法。涂胶的关键是控制胶膜的厚度与膜厚的均匀性。胶膜的厚度决定于光刻胶的粘度和旋转速度。,4、前烘（软烘） 目的是
11、增强光刻胶与硅片的粘附性，去除光刻胶中的大部分溶剂，促进光刻胶的均匀性和稳定性。,5、曝光,6、曝光后的烘焙 对紫外线曝光可不进行，但对深紫外线曝光则必须进行。,7 、显影 将曝光后的硅片用显影液浸泡或喷雾处理。对负胶，显影液将溶解掉未曝光区的胶膜；对正胶，显影液将溶解曝光区的胶膜。几乎所有的正胶都使用碱性显影液，如 KOH 水溶液。,显影过程中光刻胶膜会发生膨胀。正胶的膨胀可以忽略，而负胶的膨胀则可能使图形尺寸发生变化。,显影过程对温度非常敏感。显影过程有可能影响光刻胶的对比度，从而影响光刻胶的剖面形状。,显影后必须进行严格的检查，如有缺陷则必须返工。,自动显影检查设备,10、去胶,9、刻蚀
12、,8、后烘（硬烘、坚膜） 目的是使胶膜硬化，提高其在后续工序中的耐腐蚀性。,8.7 二级曝光效应,1、在选择光刻胶时，必须考虑它的吸收谱，以及在特定波长下的光学吸收系数。,2、还要考虑基体材料对光的吸收。例如酚醛树脂就对深紫外光有很强的吸收。被基体材料吸收的光到达不了感光化合物，从而影响光刻胶的灵敏度。,可知，当太大时，则只有光刻胶的顶部能被有效曝光；当太小时，则由于吸收太少而需要长时间的曝光。,由下式,3、当硅片表面凹凸不平时 ，遇到的第一个问题是硅片表面倾斜的台阶侧面会将光反射到不希望曝光的区域。第二个问题是使胶膜的厚度发生变化：在硅片表面凹下处胶膜较厚，导致曝光不足；在硅片表面凸起处胶膜
13、较薄，导致曝光过度。胶膜厚度的不同还会影响对比度。,解决这个问题的办法是表面平坦化。,8.8 双层光刻胶技术,随着线条宽度的不断缩小，为了防止胶上图形出现太大的深宽比，提高对比度，应该采用很薄的光刻胶。但薄胶会遇到耐腐蚀性的问题。由此开发出了 双层光刻胶技术，这也是所谓 超分辨率技术 的组成部分。,顶层胶：含硅，厚约 0.25 m,底层胶：也称为干显影胶，厚约 0.5 m,对顶层胶曝光显影,对底层胶作含氧的 RIE 刻蚀,据报导，采用 193 nm 波长光源，在底层胶上获得了 0.15 m 0.12 m 宽的线条。用 CF4 RIE 法刻蚀掉 0.23 m 厚的多晶硅后，还有约 50% 的底层
14、胶保留下来。,8.9 小结,本章首先介绍了光刻胶的类型与特性，重点讨论了光刻胶的灵敏度、分辨率、对比度及其相互关系。通过正胶的典型反应和势能曲线，说明了光刻胶的光化学反应过程和增感作用。介绍了涉及光刻胶的工艺步骤。最后介绍了双层光刻胶技术。,习 题 1、某种光刻胶的 D0 = 40mJ/cm2，D100 = 85mJ/cm2，试计算这种光刻胶的对比度与 CMTF。当这种光刻胶的厚度减薄一半时，其 D100 减到 70mJ/cm2，而 D0 则不变，这时其对比度变为多少？ 2、设某电子束光刻胶的灵敏度 S = 0.3 C/cm2 ，这意味着在( 0.01 m )2 的面积上只需多少个电子照射？在 ( Wmin )2 的面积上又需多少个电子照射？这个结果对提高光刻胶的灵敏度和曝光效率有什么指导意义？,
