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光刻胶与掩膜版（一）

2021-10-14 02:06阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/5192151605

(一)光刻胶
1. 光刻胶的特性及作用
光刻胶是一种暂时涂在硅片表面的感光材料,它可将掩膜版上的图形通过曝光的方式转移到硅片表面它和照相底片的感光材料相似,能将光学影像转移到底片上但光刻胶和照相底片不同的是,它对可见光不是很敏感,对光的色彩变化及光强的微弱变化也不是很敏感由于光刻胶只对较短波长的光感光而对可见光不感光,所以,光刻工艺并不需要一个像冲洗照片时的暗房可见光中的黄光波长较长,一般半导体工厂都使用黄光来作为光刻间的照明
光刻胶是一种对光敏感的高分子有机化合物,在它被适当波长的光照射后,能吸收光的能量而发生光化学反应,使感光胶改变性质按光化学反应性质不同,光刻胶又有正胶和负胶之分正胶经过曝光后,受到光照的部分会变得容易溶解,经过显影处理之后被溶解,只留下光未照射的部分形成图形;而负胶和正胶恰恰相反,经过曝光后,其受到光照的部分会变得不易溶解,经过显影处理之后,光未照射的部分溶解,仅留下光照部分形成图形正负胶光刻图形转移过程示意图如下图所示： 光刻胶与掩膜版（一）

利用正胶得到的图形和掩膜版上的图形是相同的,而利用负胶得到的图形则是和掩膜版上的图形相反的两种胶光刻各有优缺点负胶在光刻工艺中应用最早负胶工艺成本低产量高,但由于吸收显影液而膨胀,导致其分辨率不如正胶,所以对于亚微米及更小尺寸的技术,主要使用正胶进行光刻而且正胶膜层中的针孔要比负胶少得多,但正胶与基片之间的帖着性不如负胶,且成本高两种胶的使用随制作区域而相异例如,在制作扩散窗口或接触孔时,从对准角度考虑选择负胶工艺会比较简单;而在进行金属膜层反刻时,通常会选择正胶
2.光刻胶的组成
光刻胶通常由光致抗蚀剂增感剂树脂溶剂等组成
1)光致抗蚀剂
光致抗蚀剂是光刻胶的核心部分,曝光时间光源所发射光线的强度都是根据光致抗蚀剂的特性选择决定的正胶中的光致抗蚀剂在未受到光照时对光刻胶在显影液中的溶解是起阻碍作用的,因此也称为抑制剂,受到光照后就起助溶作用了负胶中的光致抗蚀剂正好相反,光照前起助溶作用,光照后起阻溶作用
常用的光致抗蚀剂有以下几个系列:聚乙烯醇—肉桂酸树脂系列,是由聚乙烯醇和肉桂酸反应而得到的,是负胶;聚烃类·双叠氮系列,由聚烃类树脂双叠氮型交联剂组成,也是负胶;邻—叠氮醌系列,是正胶
2)增感剂
光致抗蚀剂的感光速度都较慢,生产上效率太低,因此向光刻胶中添加了提高感光速度的增感剂负胶的增感剂为5—硝基苊,正胶的增感剂为苯骈三氮唑
3)树脂
聚合树脂是用来将组成光刻胶的其他材料聚合在一起的粘接剂,光刻胶的粘着性胶膜厚度等都是树脂给的树脂不是光敏物质,曝光前后树脂的化学性质不会改变
4)溶剂
光致抗蚀剂和增感剂都是固态物质,为了方便均匀地涂覆,要将它们加入溶剂进行溶解.形成液态物质负胶的溶剂通常为环己酮,正胶的溶剂则为乙二醇单乙醚或乙酸丁酯
其余还有一些为了降低光刻胶对光的反射提高光刻胶与基片之间的粘着性等性能的添加剂
3.光刻胶的主要性能
光刻胶的主要技术参数包括以下7项
(1)灵敏度
灵敏度(Sensitivity)即光刻胶材料对一定曝光能量的应答程度,是指光刻胶上产生一个良好的图形所需一定波长光的最小能量值(或最小曝光量)光刻胶的敏感性对于波长更短的深紫外光(DUV)极深紫外光(EUV)等尤为重要随着曝光强度的减弱,光刻胶材料所需的灵敏度愈来愈高而若光刻胶材料所达到一定敏感度的能量愈低,则代表此材料的灵敏度愈高通常以曝光剂量(单位为mJ/cm2)作为衡量光刻胶灵敏度的指标曝光剂量值越小,代表光刻胶的灵敏度越高目前所使用的线光刻胶材料,其曝光剂量在数百mJ/cm2以下,即需提升所用光刻胶的灵敏度
(2)对比度
对比度(Contrast)指光刻胶从曝光区到非曝光区过渡的陡度,即光刻胶材料曝光前后化学性质(如溶解度)改变的速率对比度越好,形成图形的侧壁越陡峭,分辨率越好对比度与光刻胶材料的分辨能力有相当密切的关系。
通常它是由如下方法测定的:将一已知厚度的光刻胶薄膜旋转涂布于硅晶片上,再烘烤除去多余的溶剂然后,将此薄膜在不同能量的光源下曝光,再按一般程序显影测量不同曝光能量的光刻胶薄膜厚度,再对曝光能量作图,即可由曲线线性部分的斜率测得对比度显影薄膜厚度与曝光能量的关系图如下图所示：
光刻胶与掩膜版（一） γp和γn分别为正光刻胶和负光刻胶材料的对比度同时,也可从所做的图中得到该光刻胶材料的灵敏度,图a中的DL为敏感度
(3)分辨能力
分辨率是区别硅片表面相邻图形特征的能力,即光刻工艺中所能形成最小尺寸的有用图像一般用关键尺寸(Critical Dimension,CD)来衡量分辨率形成的关键尺寸越小,光刻胶的分辨率越好分辨率深受光刻胶材料本身物理化学性质的影响,如必须避免光刻胶材料在显影过程中收缩或在烘烤中流动因此,若要使光刻胶材料拥有良好的分辨能力,则必须谨慎选择高分子基材及所使用的显影剂
(4)光吸收度
光吸收度即每1μm厚度的光刻胶材料在曝光过程中所吸收的光能若光刻胶材料的光吸收度太低,则光子太少而无法引发所需的光化学反应;若其光吸收度太高,则由于光刻胶材料所吸收的光子数目可能不均匀而破坏所形成的图形通常光刻胶材料所需的光吸收度在0.4μm-1以下,这可通过调整光刻胶材料的化学结构以得到适当的光吸收度及量子效率
(5)抗蚀性
抗蚀性(Anti-etching)是指光刻胶材料在刻蚀过程的抵抗力光刻胶必须保持它的粘着性,在后续的刻蚀工序中保护衬底表面抗蚀性包括耐热稳定性抗刻蚀能力和抗离子轰击能力在图形从光刻胶转移到晶片的过程中,光刻胶材料必须能抵抗高能及高温(>150)而不改变其原有特性
(6)纯度
IC工艺对光刻胶纯度的要求是十分严格的,尤其是金属离子的含量当由G线光刻胶材料发展到I线光刻胶材料时,金属离子(NaFe和K等)的含量就会由10-7降低到10-8,由此可见纯度的重要性
(7)粘着性
粘着性(Adherence)指光刻胶薄膜与衬底的粘附能力,主要衡量光刻胶抗湿法的腐蚀能力它不仅与光刻胶本身的性质有关,而且与衬底的性质和其表面情况等有密切关系光刻胶的粘着性不足会导致硅片表面的图形变形光刻胶的粘着性必须经受住后续工艺(刻蚀离子注入等)的考验
粘滞性/黏度(Viscosity)是衡量光刻胶流动特性的参数粘滞性随着光刻胶中的溶剂的减少而增加高的粘滞性会产生厚的光刻胶越小的粘滞性,就产生越均匀的光刻胶厚度
光刻胶的比重(Specific Gravity,SG)是衡量光刻胶密度的指标它与光刻胶中的固体含量有关较大的比重意味着光刻胶中含有更多的固体,粘滞性更高流动性更差粘度的单位为帕秒(Pa·s)
此外,光刻胶应该具有比较小的表面张力,使光刻胶具有良好的流动性和覆盖能力也需特别注意光刻胶的存储和传送,能量(如光和热)可以激活光刻胶光刻胶应存储在密闭低温不透光的盒中同时必须规定光刻胶的闲置期限和存储温度环境一旦超过存储时间或较高的温度范围,负胶会发生交联,正胶会发生感光延迟
正胶有较高的分辨率较强的抗干法腐蚀能力和抗热处理能力,但粘着性较差,抗温法腐蚀能力差。负胶有很高的感光速度,好的粘着性和抗蚀能力,但分辨率低,不适合细线条光刻
在工艺中,光刻胶的选择必须考虑硅片表面的薄膜种类与性质(反射率亲水性和疏水性)和产品图形所需的解析度

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