微細(xì)加工-8-光刻膠.ppt

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(lián)反應(yīng)為主的光刻膠稱為 負(fù)性光刻膠，簡稱 負(fù)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(yīng)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(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(fù)膠的靈敏度高于正膠。,靈敏度太低會(huì)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(huì)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(yīng)的歸一化膜厚,D100,2、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(shí)， 由于隨機(jī)漲落，實(shí)際入射的電子數(shù)在 范圍內(nèi)。為保證 出現(xiàn)最低劑量時(shí)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(shí)的溶脹、電子散射等）。通常正膠的分辨率要高于負(fù)膠。,式中，Wmin 為最小尺寸，即分辨率?？梢姡綮`敏度越高（即 S 越?。?，則 Wmin 就越大，分辨率就越差。,例如，負(fù)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(shù)坐標(biāo)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。,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(fù)膠。,D0,D100,光進(jìn)入光刻膠后，其強(qiáng)度按下式衰減,式中，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)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。,一個(gè)與對比度有關(guān)的光刻膠性能指標(biāo)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),8.4 光刻膠材料,1、負(fù)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(dá)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(diǎn)是分辨率高，缺點(diǎn)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(shí)還包括增感劑。,3、負(fù)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 0.4 C/cm2（加速電壓 10KV 時(shí)）、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(shí)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(shí)）、分辨率 0.1 m 、對比度 2 3 。 PMMA 膠的主要優(yōu)點(diǎn)是分辨率高。主要缺點(diǎn)是靈敏度低，此外在高溫下易流動(dòng)，耐干法刻蝕性差。,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(shí)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。,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。,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(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= 300 nm 的光能（88 Kcal）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(shí)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= 300 nm 的光曝光比用= 365 nm 的反應(yīng)速度快。,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(yuǎn)，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(jìn)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,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(kuò)散工藝來實(shí)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ǎ部刹捎眯糠?。,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。,4、前烘（軟烘） 目的是增強(qiáng)光刻膠與硅片的粘附性，去除光刻膠中的大部分溶劑，促進(jìn)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(jìn)行，但對深紫外線曝光則必須進(jìn)行。,7 、顯影 將曝光后的硅片用顯影液浸泡或噴霧處理。對負(fù)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(huì)發(fā)生膨脹。正膠的膨脹可以忽略，而負(fù)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(jìn)行嚴(yán)格的檢查，如有缺陷則必須返工。,自動(dòng)顯影檢查設(shè)備,10、去膠,9、刻蝕,8、后烘（硬烘、堅(jiān)膜） 目的是使膠膜硬化，提高其在后續(xù)工序中的耐腐蝕性。,8.7 二級曝光效應(yīng),1、在選擇光刻膠時(shí)，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)。,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(qiáng)的吸收。被基體材料吸收的光到達(dá)不了感光化合物，從而影響光刻膠的靈敏度。,可知，當(dāng)太大時(shí)，則只有光刻膠的頂部能被有效曝光；當(dāng)太小時(shí)，則由于吸收太少而需要長時(shí)間的曝光。,由下式,3、當(dāng)硅片表面凹凸不平時(shí) ，遇到的第一個(gè)問題是硅片表面傾斜的臺階側(cè)面會(huì)將光反射到不希望曝光的區(qū)域。第二個(gè)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(huì)影響對比度。,解決這個(gè)問題的辦法是表面平坦化。,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(huì)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。,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(bào)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 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(jié),本章首先介紹了光刻膠的類型與特性，重點(diǎn)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)。,習(xí) 題 1、某種光刻膠的 D0 = 40mJ/cm2，D100 = 8