微細(xì)加工8光刻膠ppt課件

1、 一、光刻膠的類型一、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)性光刻膠，簡(jiǎn)稱 負(fù)膠。負(fù)膠。 凡是在能量束光束、電子束、離子束等的照射下，以凡是在能量束光束、電子束、離子束等的照射下，以降解反應(yīng)為主的光刻膠稱為降解反應(yīng)為主的光刻膠稱為 正性光刻膠，簡(jiǎn)稱正性光刻膠，簡(jiǎn)稱 正膠。正膠。 光刻膠也稱為光刻膠也稱為 光致抗蝕劑光致抗蝕劑Photoresist，P. R.）。）。 1、靈敏度、靈敏度 靈敏度的定義靈敏度的定義 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

2、或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)的也就是前面提到過(guò)的 D100 。S 越小，則靈敏度越高。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。的靈敏度。但靈敏度太高會(huì)影響分辨率。 靈敏度曲線對(duì)比度曲線）靈敏度曲線對(duì)比度曲線）1.00.50D0入射劑量入射劑量C/cm2）未反應(yīng)的歸一化膜厚未反應(yīng)的歸一化膜厚D100 2、分辨率

3、、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)，時(shí)，由于隨機(jī)漲落，實(shí)際入射的電子數(shù)在由于隨機(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)定劑量的出現(xiàn)最低劑量時(shí)不少于規(guī)定劑量的 90%，也即，也即 。由此可得由此可得 。因此對(duì)于小尺寸曝光區(qū)，必須滿足。因此對(duì)于小尺寸曝光區(qū)，必須滿足NN%10NN100minN2minminminmin()10SWNqqNqWSS 光刻工藝中影響分辨率的因素有：光源、曝光方式光刻工藝中影響分辨率的因素有：光源、曝光方式 和和 光光刻膠本身包括靈敏度、對(duì)比度、顆粒的大小、顯影

4、時(shí)的溶脹、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。電子散射等）。通常正膠的分辨率要高于負(fù)膠。式中，式中，Wmin 為最小尺寸，即分辨率?？梢?jiàn)，若靈敏度越高為最小尺寸，即分辨率?？梢?jiàn)，若靈敏度越高即即 S 越?。?，那么越?。?，那么 Wmin 就越大，分辨率就越差。就越大，分辨率就越差。 例如，負(fù)性電子束光刻膠例如，負(fù)性電子束光刻膠 COP 的的 S = 0.310-6 C/cm2，則，則其其 Wmin = 0.073 m 。若其靈敏度提高到。若其靈敏度提高到 S = 0.0310-6 C/cm2 ，則其，則其 Wmin 將增大到將增大到 0

5、.23 m 。 minmin10qNqWSS 3、對(duì)比度、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。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。11000lgDDD0D100 對(duì)比度的定義為對(duì)比度的定義為DcrD100D0 靈敏度曲線越陡，靈敏度曲線越陡，D0 與與 D100 的間距就越小，則光刻膠的的間距就越小，則光刻膠的對(duì)比度對(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)比度在率。一般光刻膠

6、的對(duì)比度在 0.9 2.0 之間。對(duì)于亞微米圖形，之間。對(duì)于亞微米圖形，要求對(duì)比度大于要求對(duì)比度大于 1。 通常正膠的對(duì)比度要高于負(fù)膠。通常正膠的對(duì)比度要高于負(fù)膠。D0D10011000lgDD 光進(jìn)入光刻膠后，其強(qiáng)度按下式衰減光進(jìn)入光刻膠后，其強(qiáng)度按下式衰減 0( )ezI zI式中，式中，為光刻膠的光吸收系數(shù)。設(shè)為光刻膠的光吸收系數(shù)。設(shè) TR 為光刻膠的厚度，則可為光刻膠的厚度，則可定義光刻膠的定義光刻膠的 光吸收率光吸收率 為為RR000RR( ) d1e1TTII zzAI TT 可以證明，對(duì)比度與光吸收系數(shù)可以證明，對(duì)比度與光吸收系數(shù)及光刻膠厚度及光刻膠厚度 TR 之間之間有如下關(guān)系

7、有如下關(guān)系 R1T 一個(gè)與對(duì)比度有關(guān)的光刻膠性能指標(biāo)是一個(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)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，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)，其定義為調(diào)制傳輸函數(shù)，其定義為 10001000CMTFDDDD11101CMTF101 利用對(duì)比度的公式，可得利用對(duì)比度的公式，可得 CMTF 的典型值為的典型值為 0.4。如果光學(xué)系統(tǒng)的。如果光學(xué)系統(tǒng)的 MTF 小于小于 CMTF，則其圖像就不能被分辨；如果光學(xué)系統(tǒng)的則其圖像就不能被分辨；如果光學(xué)系統(tǒng)的 MTF 大于大于 CMTF，就，就有可能被分辨

8、。有可能被分辨。 1、負(fù)性紫外光光刻膠、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)公司的以柯達(dá)公司的 KPR 系列為代表，后者以系列為代表，后者以 OMR 系列為代表。系列為代表。 2、正性紫外光光刻膠、正性紫外光光刻膠 主要以重氮醌為感光化合物，以酚醛樹脂為基體材料。最主要以重氮醌為感光化合物，以酚醛樹脂為基體材料。最常用的有常用的有 AZ 1350 系列。正膠的主要優(yōu)點(diǎn)是分辨率高，缺點(diǎn)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。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

9、合物、基體材料光刻膠通常有三種成分：感光化合物、基體材料 和和 溶劑。溶劑。在感光化合物中有時(shí)還包括增感劑。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、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：靈敏度膠，典型特性：靈敏度 0.3 0.4 C/cm2加速電壓加速電壓 10KV 時(shí)）、分辨率時(shí)）、分辨率 1.0 m 、對(duì)比度、對(duì)比度 0.95。限制分辨率的主要。限制分辨率的主要因素是光刻膠在顯影時(shí)的溶脹。因素是光刻膠在顯影時(shí)的溶脹。 4、正性電子束光刻膠、正性電子束光刻膠 主要為甲基丙烯甲

10、酯、烯砜和重氮類這三種聚合物。最常主要為甲基丙烯甲酯、烯砜和重氮類這三種聚合物。最常用的是用的是 PMMA 膠，典型特性：靈敏度膠，典型特性：靈敏度 40 80 C/cm2加速加速電壓電壓 20 KV 時(shí)）、分辨率時(shí)）、分辨率 0.1 m 、對(duì)比度、對(duì)比度 2 3 。 PMMA 膠膠的主要優(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。易流動(dòng)，耐干法刻蝕性差。 一、光化學(xué)反應(yīng)一、光化學(xué)反應(yīng) 化學(xué)反應(yīng)速度化學(xué)反應(yīng)速度 k 可表示為可表示為AexpEkART 感光物質(zhì)的電子在未曝光時(shí)處于基態(tài)感光物質(zhì)的電子在未曝光時(shí)處于基

11、態(tài) S0 ，基態(tài)的反應(yīng)激，基態(tài)的反應(yīng)激活能活能 EA 大大 ，因此反應(yīng)慢。曝光后，感光物質(zhì)的電子處于激發(fā)，因此反應(yīng)慢。曝光后，感光物質(zhì)的電子處于激發(fā)態(tài)態(tài) S1 、S2 、S3 等，等， 激發(fā)態(tài)的激發(fā)態(tài)的 EA 小，因此反應(yīng)變快。小，因此反應(yīng)變快。式中，式中，A 、R 為常數(shù)，為常數(shù)，T 為絕對(duì)溫度，為絕對(duì)溫度，EA 為化學(xué)反應(yīng)激活能，為化學(xué)反應(yīng)激活能，隨電子狀態(tài)的不同而不同。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)越小，則在同樣的溫度下反應(yīng)速度越快。速度越快。 二、勢(shì)能曲線二、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

12、應(yīng)。下圖是重氮基萘的是重氮基萘的 RN - N2 切斷反應(yīng)的勢(shì)能曲線。切斷反應(yīng)的勢(shì)能曲線。S0S1S2S3T188Kcal72KcalEA(S1) = 16KcalEA(S0) = 38KcalRN 與與 N2 的間距的間距勢(shì)勢(shì)能能 感光分子吸收感光分子吸收= 365 nm 的光能（的光能（ 72 Kcal ）后）后 ，電子從，電子從基態(tài)基態(tài) S0 躍遷到第一激發(fā)態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài) S1 ，激活能由，激活能由 EA(S0) = 38 Kcal 降降為為 EA(S1) = 16 Kcal ，反應(yīng)速度加快。，反應(yīng)速度加快。 感光分子吸收感光分子吸收= 300 nm 的光能的光能88 Kcal后，電

13、子躍遷后，電子躍遷到第二激發(fā)態(tài)到第二激發(fā)態(tài) S2 ，此態(tài)的谷底勢(shì)能恰好與，此態(tài)的谷底勢(shì)能恰好與 S1 態(tài)當(dāng)態(tài)當(dāng) RN - N2 分分解時(shí)的勢(shì)能相當(dāng)，且解時(shí)的勢(shì)能相當(dāng)，且 S2 與與 S1 態(tài)的曲線在圖左側(cè)有相交之處，態(tài)的曲線在圖左側(cè)有相交之處，因此電子可從因此電子可從 S2 態(tài)躍遷到態(tài)躍遷到 S1 態(tài)并立即反應(yīng)。所以用態(tài)并立即反應(yīng)。所以用= 300 nm 的光曝光比用的光曝光比用= 365 nm 的反應(yīng)速度快。的反應(yīng)速度快。 在重氮基萘中還存在著三重態(tài)在重氮基萘中還存在著三重態(tài) T1 。由。由 T1 態(tài)的曲線可見(jiàn)態(tài)的曲線可見(jiàn) ，RN-N2 的距離越遠(yuǎn)，分子的勢(shì)能越低，所以處于的距離越遠(yuǎn)，分子的

14、勢(shì)能越低，所以處于 T1 態(tài)的分子態(tài)的分子將立即發(fā)生反應(yīng)而不需激活能。由于將立即發(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。這種作用稱為使反應(yīng)速度大大加快。這種作用稱為 “三重態(tài)增感三重態(tài)增感” 。T1 三、增感劑及其作用三、增感劑及其作用 本節(jié)簡(jiǎn)要介紹光刻工藝中除曝光與刻蝕以外的工序。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

15、、脫水烘烤、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)。擴(kuò)散工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)。 2、增粘處理、增粘處理 在烘烤后的硅片表面涂一層六甲基二硅亞胺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。可采用蒸汽涂布法，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。也可采用旋涂法。 3、涂膠、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。均勻性。膠膜的厚度決定

16、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）、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。分溶劑，促進(jìn)光刻膠的均勻性和穩(wěn)定性。 5、曝光、曝光 6、曝光后的烘焙、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。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、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

17、光區(qū)的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，如膠膜。幾乎所有的正膠都使用堿性顯影液，如 KOH 水溶液。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，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。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。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。顯影后必須進(jìn)行嚴(yán)格的檢查，如有缺陷則必須

18、返工。自動(dòng)顯影檢查設(shè)備自動(dòng)顯影檢查設(shè)備 10、去膠、去膠 9、刻蝕、刻蝕 8、后烘硬烘、堅(jiān)膜）、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。目的是使膠膜硬化，提高其在后續(xù)工序中的耐腐蝕性。 1、在選擇光刻膠時(shí)，必須考慮它的吸收譜，以及在特定、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)波長(zhǎng)下的光學(xué)吸收系數(shù)。 2、還要考慮基體材料對(duì)光的吸收。例如酚醛樹脂就對(duì)深、還要考慮基體材料對(duì)光的吸收。例如酚醛樹脂就對(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。物，從而影響

19、光刻膠的靈敏度。0( )ezI zI可知，當(dāng)可知，當(dāng)太大時(shí)，則只有光刻膠的頂部能被有效曝光；當(dāng)太大時(shí)，則只有光刻膠的頂部能被有效曝光；當(dāng)太太小時(shí)，則由于吸收太少而需要長(zhǎng)時(shí)間的曝光。小時(shí)，則由于吸收太少而需要長(zhǎng)時(shí)間的曝光。由下式由下式 3、當(dāng)硅片表面凹凸不平時(shí)、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，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)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)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。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。解決這個(gè)問(wèn)題的辦法是表面平坦化。 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