光致抗蚀性在工业领域中的应.doc

光致抗蚀性在工业领域中的应用 赵建平 高分子081班 0813141022摘要 光致抗蚀剂，又称光刻胶，是指通过紫外光，准分子激光束，电子束，离子束，X射线等曝光源的照射或辐射，使其溶解度发生变化的耐蚀刻薄材料。光刻胶主要用于印刷业和电子工业中的集成电路及半导体器件的为微加工，同时在平板显示，LED，倒扣封装，磁头及精密传感器等制作过程中也有着广泛的应用。光刻胶技术是曝光技术中重要的组成部分,高性能的曝光工具需要有与之相配套的高性能的光刻胶才能真正获得高分辨率的加工能力。本文主要围绕光刻胶在集成电路制造中的应用，对其反应机理及应用性能指标进行阐述。关键词：光致抗蚀剂，耐蚀刻薄材料，集成电路，高性能的曝光1 引言随着电子工业的飞速发展，对印制电路板(PCB)的焊接工艺和焊接质量要求越来越高。作为微电子技术核心的集成电路制造技术是电子工业的基础，其发展更新的速度是其他产业无法企及的。在集成电路制作过程中，光刻是其关键工艺。光刻胶涂覆在半导体、导体和绝缘体上，经曝光显影后留下的部分对底层起保护作用，然后采用超净高纯试剂进行蚀刻，从而完成了将掩膜版图形转移到底层上的图形转移过程。一个IC的制造一般需要经过10多次图形转移过程才能完成,光刻胶及蚀刻技术是实现集成电路微细加工技术的关键。蚀刻的方式主要分为湿法和干法两种，等离子与反应离子刻蚀（RIE）属于干法蚀刻，主要是通过物理轰击溅射和化学反应的综合作用来腐蚀薄膜层，而物理溅射是通过具有一定能量的粒子轰击作用，使膜层的化学键断裂，进而发生分解；而湿法蚀刻是最简便的方法。随着IC特征尺寸亚微米、深亚微米方向快速发展，现有的光刻机和光刻胶已无法适应新的光刻工艺要求。光刻机的曝光波长也在由紫外谱g 线(436nm)i(365nm)248nm193nm极紫外光（E U V ） X 射线，甚至采用非光学光刻（电子束曝光、离子束曝光），光刻胶产品的综合性能也必须随之提高，才能符合集成工艺制程的要求。以下几点为光刻胶制造中的关键技术：配方技术、超洁净技术、超微量分析技术及应用检测能力。 制程特性要求有：涂布均匀性、灵敏度、分辨率及制程宽容度，光刻胶的分类及其特点见表1 。表1 光刻胶分类及其性能比较类别成膜树脂感光成分波长优点缺点紫外负性光刻胶环化橡胶双叠氮化合物300-450nm抗酸碱，粘附性好，高感度耐等离子弱，抗热性差，分辨率低紫外正性光刻胶酚醛树脂重氮萘醌化合物i-365nmg-436nm分辨率高，抗干法蚀刻性强耐热好，去胶方便，感光速度慢，粘附性及机械性能差深紫外光刻胶聚对羟基苯乙烯及其衍生物光致产酸剂248nmKrF衍射作用小，分辨率及灵敏度高，反差大，透粘附性好，耐化学腐蚀及过性好干法蚀刻，聚酯环族丙烯酸酯及其共聚物光致产酸剂193nmArF电子束正胶PMMA（聚甲丙烯酸甲酯）采用的是电子或者离子激励的机理诱发光刻胶发生化学反应分辨率高灵敏度低，耐干法蚀刻性差电子束负胶PGMA(甲基丙烯酸缩水甘油)灵敏度高，易聚合分辨率低X射线胶CMS(氯甲基聚苯乙烯)分辨率高，高反差，缺陷率低，成本低离子束胶PMMA极高分辨率2 光刻胶的反应机理光刻胶在接受一定波长的光或者射线时,会相应的发生一种光化学反应或者激励作用。光化学反应中的光吸收是在化学键合中起作用的处于原子最外层的电子由基态转入激励态时引起的。对于有机物，基态与激励态的能量差为36eV，相当于该能量差的光(即波长为0.20.4m的光)被有机物强烈吸收，使在化学键合中起作用的电子转入激励态。化学键合在受到这种激励时，或者分离或者改变键合对象，发生化学变化。电子束、X 射线及离子束(即被加速的粒子)注入物质后，因与物质具有的电子相互作用，能量逐渐消失。电子束失去的能量转移到物质的电子中，因此生成激励状态的电子或二次电子或离子。这些电子或离子均可诱发光刻胶的化学反应。IC制造中所用光刻胶通常有三种成分：树脂或基体材料、感光化合物（P A C ）以及可控制光刻胶机械性能（基体粘滞性）并使其保持液体状态的溶剂。正性光刻胶中，PAC 在曝光前后发生了从抑制剂到感光增强剂的变化。P A C 能抑制树脂溶解，但它吸收光能后会发生分解，其生成物在碱性影液中又能促进树脂的溶解，得到所需电路图形。形象地讲，如果一个聚合物的曝光将导致断链作用，则聚合物在显影剂中就更容易溶解，其行为同正性光刻胶；若聚合物的曝光是产生交联，那么PAC 将会抑制光刻胶在显影剂中的溶解，其行为同负性光刻胶。目前最常用的正性光刻胶为DQN，分别表示感光化合物（D Q ）和基体材料（N ）。对于线和线曝光，D Q N 是占压倒优势的光刻胶配方，其基体材料为稠密的酚醛树脂聚合物，其反应机理如图 DQ 在上述反应后变为一种羧酸，而基体作为树脂与其形成一种树脂羧酸混合物，将迅速吸收水分，反应放出的N 也使光刻胶形成泡沫，进而促进溶解。在此溶解过程中，羧酸会分裂而成为水溶的胺。3 应用性能指标集成电路的进一步发展需要相应的曝光技术的支持，光刻胶技术是曝光技术的重要组成部分。高性能的曝光工具需要与之相配套的高性能的光刻胶才能真正获得高分辨率的加工能力。光刻胶在集成电路中的实际应用性能指标主要包括下列几个方面。 分辨率。分辨率是一个非常有用的性能指标，虽然其在一定程度上与它的吸收谱有关，但仍极大地依赖于曝光设备的光源系统。 灵敏度。灵敏度可以体现在光刻胶的对比度曲线上，对比度定义如下：= 10(D100/D0)-1其中，D100 为所有光刻胶被去掉所需的最低能量剂量,即灵敏度，也称之为曝光阈值；D0 为光刻胶开始进行光化学反应作序的最低能量。对比度可以被认为光刻胶区分掩模版上亮区和暗区能力的衡量标准，且辐照强度在光刻胶线和间距的边缘附近平滑地变化。光刻胶的对比度越大，线条边缘越陡。典型的光刻胶对比度为24，且D100 比D0 大100.3100.5 倍。对于理想光刻胶来说，如果受到阈值以上的曝光剂量，则光刻胶完全感光；反之，完全不感光。而实际光刻胶的曝光阈值存在一个分布，该分布范围越窄，光刻胶的性能越好。 抗刻蚀性能。光刻胶在集成电路制造工艺中的抗刻蚀性能主要有两个：一是耐化学腐蚀性。光刻胶在印制各层电路图形于Si片及其他薄膜层上时，需图形保留下来，并把印有电路图形的光刻胶连同晶片一起置入化学蚀刻液中，进行很多次的湿法腐蚀。只有当光刻胶具有很强的抗蚀性，才能保证蚀刻液按照所希望的选择比刻蚀出曝光所得图形，更好地体现器件性能。二是抗等离子刻蚀能力。在线宽小于3um 的工艺过程中，干法刻蚀因其优良的各向异性而受到广泛应用。与此同时，需要光刻胶对处于蚀刻腔中等离子态的气态分子有定的抗蚀性能，否则将会破坏所需电路的完整性，蚀刻效果也受到影响。另外，集成电路工艺中在进行阱区和源漏区离子注入时，也需要有较好的保护电路图形的能力，否则光刻胶会因在注入环境中挥发从而影响到注入腔的真空度。此时注入的离子将不会起到其在电路制造工艺中应起到的性能，器件的电路性能受阻。 驻波效应。驻波效应是抗蚀剂在曝光过程中的寄生现象。光刻胶在曝光过程中由于其折射率和基体材料折射率不匹配，在基体表面产生的反射光和入射光相互干涉而形成驻波。光强的驻波分布使光刻胶内的光敏化合物（ PAC）的浓度也呈驻波分布，从而使光刻胶在显影后边缘轮廓有一定的起伏。驻波效应将在一定程度上改变了元件预期的结构和尺寸，降低了光刻图形的质量，尤其在线宽更细、更小的电路制作过程中。在集成电路的生产过程中，通常光刻工艺中采用的是1m 左右的薄光刻胶。一般认为，驻波效应对薄的光刻胶图形有较大影响，减小驻波效应的方法主要有：在光刻胶与衬底之间涂覆增透膜；采用与光刻胶相匹配的衬底以及采用适当的后烘工艺。前两种方法是通过改变光刻胶内部光场分布来改善光刻胶显影轮廓，而后烘是通过平滑PAC浓度分布来改善光刻胶显影轮廓。与此同时，微机电系统中采用的厚胶工艺受驻波影响却不大。在膜厚大于5m 后，可忽略驻波效应的影响。其实，在理想情况下，基体与光刻胶的折射率可以认为是匹配的，即在曝光过程中基体和光刻胶相邻的表面没有反射光，此时曝光剂量分布均匀一致，而实际曝光剂量的分布与光刻胶的PAC浓度密切相关。薄膜厚度在10m 以内随着其膜厚增大，光刻胶中的P A C 浓度相对变化率将减小，成类似的反比例曲线。4.制造技术在国内，虽然193nm 的曝光设备已经成熟，但由于与之相配套的光刻胶技术还不成熟，达不到248nm 曝光技术的分辨率性能。而在国外，248nm光刻胶已进入生产实用阶段，其使用线宽已达0.180.25m。193nm 光刻胶成膜树脂的研究已进入实用阶段，主要为脂环类聚合物。193nm 单层光刻分辨率可0.15m ；193nm 光刻采用OPC技术和多层光刻胶技术分辨率可达0.1m。进一步提高分辨率, 直至达到硅材料的极限0.1u左右。另一条路线是采用更短波长的激光如氟157n和氩126nm激光 以及波长仅为2050nm的超深紫外光()和波长更短射线作为曝光光源。根据推算,157和126光刻可以达到0.11和0.09的分辨率(值为0.4,NA值为0.7时)。EUV光刻和光光刻则可以达到更高的分辨率。然而,它们存在的掩膜制造困难，且掩膜易被强光损伤等缺陷限制了它们的工业化生产。而电子束光刻胶极有可能在集成电路线宽降至纳米级时大显身手，目前国外电子束胶研究水平已达0.07m，0.1m技术已可量产。另外，X 射线胶和离子束胶也因其优势可以对微电子光刻技术起到很好的推动作用。5 结束语针对目前我国集成电路多代同堂长期共存的局面，从目前及今后IC 、分立器件及液晶显示器件的发展趋势来看，无论是紫外胶还是2 4 8 n m 、193nm EUV 光刻胶及离子束、电子束胶，由于它们之间用途不尽相同，且不可互替。经过前人的努力在各个方面提高了抗蚀剂的性能, 但是目前没有抗蚀剂可以同时满足溶解度、灵敏度和LWR 等特性和减小产气作用等方面的抗蚀剂, 所以还有许多工作要做。参考文献：1聂俊，肖鸣。光聚合技术与应用.北京：化学工业出版社，2008.92 马建霞，吴纬国，张庆中，贾宇明. 浅谈光刻胶在集成电路制造中的应用性能. 电子科技大学，半导体技术第30卷第6期，2005.63 贾 越， 刘永富，EUV光致抗蚀剂研究进展.1 北京师范大学化学学院, 北京 100875; 2中国石油化工股份有限公司北京化工研究院, 北京 100013，2009年37卷第6期4 刘加峰,胡存刚,宗任鹤.光刻技术在微电子设备的