微细加工与MEMS技术-8-光刻胶

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）1.00.50D0入射剂量（C/cm2）未反应的归一化膜厚D1002、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NN%10NN100minN2minminminmin()10SWNqqNqWSS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Wmin就越大，分辨率就越差。例如，负性电子束光刻胶COP的S=0.3×10-6C/cm2，则其Wmin=0.073m。若其灵敏度提高到S=0.03×10-6C/cm2，则其Wmin将增大到0.23m。minmin10qNqWSS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。11000lgDDD0D100对比度的定义为DcrD100D0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，要求对比度大于1。通常正胶的对比度要高于负胶。D0D10011000lgDD光进入光刻胶后，其强度按下式衰减0()ezIzI式中，α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RR000RR()d1e1TTIIzzAITT可以证明，对比度与光吸收系数α及光刻胶厚度TR之间有如下关系R1T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10001000CMTFDDDD11101CMTF101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）、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20KV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AexpEkART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，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。S0S1S2S3T188Kcal72KcalEA(S1)=16KcalEA(S0)=38KcalRN与N2的间距势能感光分子吸收λ=365nm的光能（72Kcal）后，电子从基态S0跃迁到第一激发态S1，激活能由EA(S0)=38Kcal降为EA(S1)=16Kcal，反应速度加快。感光分子吸收λ=300nm的光能（88Kcal）后，电子跃迁到第二激发态S2，此态的谷底势能恰好与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λ=300nm的光曝光比用λ=365nm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。3)甩掉多余的胶4)溶剂挥发1)滴胶2)加速旋转4、前烘（软烘）目的是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α。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。0()ezIzI可知，当α太大时，则只有光刻胶的顶部能被有效曝光；当α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193nm波长光源，在底层胶上获得了0.15m~0.12m宽的线条。用CF4RIE法刻蚀掉0.23m厚的多晶硅后，还有约50%的底层胶保留下来。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？