第3篇第八章光刻胶

微电子工艺原理与技术 李 金 华第八章 光 刻 胶第三篇 单项工艺 2主要内容1. 光刻胶的类型；2. DQN正胶的典型反应；3. 对比度曲线； 4. 临界调制函数5. 光刻胶的涂敷和显影；6. 二级曝光效应； 先进光刻胶和光刻工艺。1. 光刻胶的类型光学曝光过程中，为了将掩模上的图形转移到圆片上，辐照必须作用在光敏物质上，该光敏物质必须通过光照，改变材料性质，使在完成光刻工艺后，达到转移图形的目的。该光敏物质称为光刻胶。酚醛树脂基化合物是 IC制造中最常用的光刻胶的主要成分。 胶中通常有三种成分，即树脂或基体材料、感光化合物（ PAC）、 溶剂。 PAC是抑制剂，感光前，抑制光刻胶在显影液中的溶解。感光后，起化学反应，增加了胶的溶解速度。光刻胶分正胶和负胶。正胶：曝光区在显影后溶化，非曝光区留下。负胶：曝光区在显影后留下，非曝光区在显影液中溶解。光刻胶的两个基本性能为灵敏度和分辨率。灵敏度是指发生上述化学变化所需的光能量（ J/cm2）。灵敏度越高，曝光过程越快，所需曝光时间越短。分辨率是指排除光刻设备影响，能在光刻胶上再现的最小特征尺寸。正胶和负胶光刻胶是长链聚合物， 正胶在感光时，曝光对聚合物起断链作用 ，使长链变短，使聚合物更容易在显影液中溶解。 负胶在曝光后，使聚合物发生交联 ，在显影液中溶解变慢。苯芳香族环烃苯环 ：六个排列成平面六角的 C原子组成，每个 C原子分别与一个 H原子结合。甲苯 氯苯萘苯环聚乙烯支链聚合物交联2.DQN正胶的典型反应目前，常用的 正胶 DQN是由 感光剂 DQ和基体材料 N组成。它适合于 436nm的 g 线和 365nm的 i 线曝光，不能用于极短波长的曝光。 基体材料 N是酚醛树脂 ，它是一种聚合物，单体是一个带有两个甲基和一个 OH的芳香环烃组成。酚醛树脂易于溶解在含水溶液中。 正胶的溶剂通常是芳香烃化合物的组合，如二甲苯 和各种醋酸盐。 正胶的感光剂（PAC） 是重氮醌（ DQ） 。 它作为抑制剂，以十倍或更大的倍数降低光刻胶在显影液中的溶解速度。曝光后， UV光子使氮分子脱离碳环，留下一个高活性的碳位。为使结构稳定，环内的一个碳原子将移到环外，氧原子将与它形成共价键，实现重组，成为乙烯酮。在有水的情况下，环与外部碳原子间的双化学键被一个单键和一个 OH基替代，最终形成羟酸。羟酸易于溶解在显影液中，直到曝过光的正胶全部去除，而未曝光的正胶则全部保留。正胶的感光剂、基体结构正胶的基体材料：偏甲氧基酚醛树脂正胶的感光剂：重氮醌（ DQ）正胶的感光反应负胶的成分和感光反应负胶为包含聚乙烯肉桂衍生物或环化橡胶衍生物双键的聚合物。典型的负胶是叠氮感光胶，如环化聚异戊二烯。在 负胶曝光时，产生大量的交联聚合，成为互相连接的大树脂分子，很难在显影液中溶解。 从而负胶的曝光部分在显影后保留。而未曝光部分则在显影时去除。正胶与负胶的性能比较：1.显影液不易进入正胶的未曝光部分，正胶光刻后线条不变形。显影液会使负胶膨胀，线条变宽。虽然烘烤后能收缩，但易变形。所以负胶不适合 2.0微米以下工艺使用。正胶是 ULSI的主要光刻胶。2.正胶的针孔密度低，但对衬低的粘附差，通常用 HMDS作增粘处理。负胶对衬底粘附好，针孔密度较高。3. 正胶耐化学腐蚀，是良好的掩蔽薄膜。两种光刻胶的性能显影液：正胶： 典型的正胶显影液为碱性水溶液，如： 25% 的四甲基氢氧化氨 TWAH-NH 4（ OH） 4 水溶液。负胶： 典型的负胶显影液为二甲苯。正胶和负胶的工艺温度：1. 正胶 前烘： 90C， 20分；坚膜： 130 C， 30分。2. 负胶 前烘： 85 C， 10分；坚膜： 140 C， 30分；3.过高的前烘温度，将会使光刻胶的光敏剂失效。 两种光刻胶的性能3. 对比度曲线用对比度来描述光刻胶的曝光性能，即区分掩模上亮区和暗区能力的衡量标准。用 D0表示光刻胶开始光化学反应的曝光能量， D100 表示所有光刻胶完全去除需要的最低曝光量。对比度定义为：对比度越大，光刻后的线条边缘越陡。 典型的光刻胶的对比度在 2-4。意味着 D100比 D0大 101/3-101/2倍 .其实，对一定的光刻胶，对比度曲线并不固定，它随显影过程、前烘条件、曝光波长、圆片表面的反射率等情况改变。 光刻工艺的任务就是调节工艺条件，使一定的光刻胶具有最大的、最稳定的对比度。理想的对比度曲线DQN正胶的实测对比度曲线1、 2、 3s 曝光后的剖面分布简单的区域图象光刻胶的吸收在低曝光剂量，光刻胶的剖面分布主要决定于对比度曲线的低曝光区和过渡区。当曝光剂量大于 150J/cm2时，光刻胶的剖面主要取决于光学图象及光在胶中的吸收，且剖面分布十分陡峭，图象清晰，但代价是曝光时间长、产量低。一般选择在中高曝光量区域光刻。光在胶中的 吸收服从指数规律 ： 为吸收系数， z 为深度， D0与胶的 厚度无关， D100反比与吸收率 A。TR是胶的厚度吸收率 A定义为：可以证明，对比度 为 无量纲常数可见， 对比度随胶的厚度增加而降低。所以为了获得高的对比度，必须适当降低光刻胶的厚度 ，特别是在特征尺寸很小的情况下。但是， 光刻胶很薄时，台阶覆盖会变差 ，往往在为提高分辨率而降低胶的厚度时，要全面兼顾。光刻胶的吸收例 题 8.14. 临界调制函数临界调制函数是光刻胶的另一个性能指标，定义为：利用对比度公式可得：CMIF的典型值约为 0.4。 CMIF的作用是提供一个简单的光刻胶的分辨率的试验。如果一个实象的 MIF小于CMIF， 则其图象将不能被分辨。 如果实象的 MIF比CMIF 大，则可能被分辨。例 题 8.2前烘紫外光固胶，对离子注入需要150-200C， 30， N25.光刻胶的涂敷和显影HMDS（ 六甲基二硅亚胺）匀胶 300-500rpm， 5s + 甩胶 3000-6000rpm， 30s 90-100 C， 10-30根据对比度试验结果一般不做，但可增加对比度1-2，注意显影液浓度的改变和温度的恒定130-140 C， 30， 考虑回流前烘条件控制的重要性前烘的作用是去除胶中大部分溶剂，使胶的曝光性能稳定。胶在显影剂中的溶解速度极大地依赖于光刻胶中最终的溶剂浓度。通常，前烘温度低或时间短，会使胶有高的感光度，也会提高溶解速率。但代价是对比度降低，即线条的边缘平坦、不陡直。而高温前烘能使胶中的感光剂（ PAC） 开始光化学反应，从而导致胶的未曝光区在显影液中也会溶解。所以必须严格控制前烘温度和时间。事实上， 前烘工艺的目标是通过试验，确定在保持可接受的感光度下，得到对比度优化的合适工艺条件。通常，典型的前烘温度是 90-100 C ， 时间从用热板烘烤的30秒到用烘箱的 10-30分。前烘后在胶中留下的溶剂浓度只有初始浓度的 5%前烘 +曝光后烘烤对对比度的影响坚膜温度对显影后光刻胶台阶的影响光刻胶的涂敷和显影设备实验室的涂胶设备通常是单个涂胶台，显影用浸入式操作；工业上一般采用轨道多头涂胶、显影复合装置。由微机控制装片、时间、转速、卸片等各种工艺参数，涂胶和显影自动完成。显影时，显影液喷布整个圆片，不会有浓度改变问题。6. 二级曝光效应所谓二级曝光效应实际上指由于胶对不同波长光的吸收，以及圆片上台阶高度对光刻线条的影响。光刻胶对不同波长的光有不同的吸收系数，吸收系数太大，曝光时光被上层胶充分吸收，下层胶显得曝光不足；吸收系数太小，曝光期间几乎没有光被吸收，需要很长的曝光时间。选择对所用光线有合适吸收系数的胶，对光刻质量很重要。苯醌的好处是对 g 和 i线吸收很好，但对中紫外和可见光吸收很差，光刻甚至可以在可见光下完成。典型的 DQ感光剂对深紫外的吸收不好。树脂对光的吸收不会使 PAC