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(jiǎn)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(jiǎn)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(duì)電子束膠），稱為光刻膠的靈敏度，記為S

，也就是前面提到過(guò)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(duì)比度曲線）1.00.50D0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(duì)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(duì)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?jiàn)，若靈敏度越高（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=0.3×10-6C/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

。

3、對(duì)比度對(duì)比度是上圖中對(duì)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(duì)劑量變化的敏感程度。D0D100對(duì)比度的定義為DcrD100D0靈敏度曲線越陡，D0與D100的間距就越小，則光刻膠的對(duì)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(duì)比度在

0.9

~

2.0

之間。對(duì)于亞微米圖形，要求對(duì)比度大于1。

通常正膠的對(duì)比度要高于負(fù)膠。D0D100光進(jìn)入光刻膠后，其強(qiáng)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(duì)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(duì)比度。

一個(gè)與對(duì)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(duì)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(shù)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(duì)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(duì)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(duì)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(shì)能曲線可以借助于感光物質(zhì)的勢(shì)能曲線來(lái)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(shì)能曲線。S0S1S2S3T188Kcal72KcalEA(S1)

=16KcalEA(S0)

=38KcalRN

與

N2的間距勢(shì)能感光分子吸收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(shì)能恰好與S1

態(tài)當(dāng)

RN

-

N2

分解時(shí)的勢(shì)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。在重氮基萘中還存在著三重態(tài)T1。由T1態(tài)的曲線可見(jiàn)，RN-N2

的距離越遠(yuǎn)，分子的勢(shì)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(guò)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photoresistsiliconsubstrateoxideUltravioletlight光刻膠上的陰影光刻膠的曝光區(qū)在玻璃掩膜版上的鉻島SiliconsubstratePhotoresistOxide使光衰弱的被曝光區(qū)光刻膠顯影后的最終圖形窗口Siliconsubstrate島PhotoresistOxide正性光刻:

曝光后的光刻膠被顯影液溶解而去除，留下光刻膠的圖形與掩膜版圖形一致。正性光刻Ultravioletlight光刻膠的曝光區(qū)光刻膠上的陰影在玻璃掩膜版上的鉻島島被曝光的區(qū)域發(fā)生交聯(lián)并變成阻止顯影的化學(xué)物質(zhì)光刻膠顯影后的最終圖形窗口SiliconsubstratePhotoresistOxidePhotoresistOxideSiliconsubstrate負(fù)性光刻負(fù)性光刻:

曝光后的光刻膠因發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)而硬化，留在硅片表面，未曝光的被顯影液溶解而去除，留下光刻膠的圖形與掩膜版圖形相反。期望印在硅片上的光刻膠結(jié)構(gòu).窗口Substrate光刻膠島石英鉻島當(dāng)使用負(fù)膠時(shí)，要求掩膜版上圖形與想要的結(jié)構(gòu)相反當(dāng)使用正膠時(shí)，要求掩膜版上圖形與想要的結(jié)構(gòu)相同掩膜版與光刻膠的關(guān)系金屬互連線的模擬

(正膠光刻）亮場(chǎng)掩膜版接觸孔的模擬（正膠光刻）暗場(chǎng)掩膜版亮場(chǎng)和暗場(chǎng)掩膜版暗場(chǎng)掩膜版：其石英版上大部分被鉻覆蓋。亮場(chǎng)掩膜版：有大面積透明的石英，只有很細(xì)的鉻圖形

8.6光刻膠的涂敷和顯影本節(jié)簡(jiǎn)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(lái)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?，也可采用旋涂法。

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)

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(duì)紫外線曝光可不進(jìn)行，但對(duì)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(duì)負(fù)膠，顯影液將溶解掉未曝光區(qū)的膠膜；對(duì)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(guò)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(guò)程對(duì)溫度非常敏感。顯影過(guò)程有可能影響光刻膠的對(duì)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(jí)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(zhǎng)下的光學(xué)吸收系數(shù)α。

2、還要考慮基體材料對(duì)光的吸收。例如酚醛樹(shù)脂就對(duì)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)α太大時(shí)，則只有光刻膠的頂部能被有效曝光；當(dāng)α太小時(shí)，則由于吸收太少而需要長(zhǎng)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(wèn)題是硅片表面傾斜的臺(tái)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(wèn)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(guò)度。膠膜厚度的不同還會(huì)影響對(duì)比度。解決這個(gè)問(wèn)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(duì)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(wèn)題。由此開(kāi)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