1、微電子工藝原理與技術(shù),李 金 華,第八章 光 刻 膠,第三篇 單項(xiàng)工藝2,主要內(nèi)容,光刻膠的類型；2. DQN正膠的典型反應(yīng)；3. 對(duì)比度曲線； 4. 臨界調(diào)制函數(shù)5. 光刻膠的涂敷和顯影；6. 二級(jí)曝光效應(yīng)； 先進(jìn)光刻膠和光刻工藝。,,,1. 光刻膠的類型,,,光學(xué)曝光過(guò)程中，為了將掩模上的圖形轉(zhuǎn)移到圓片上，輻照必須作用在光敏物質(zhì)上，該光敏物質(zhì)必須通過(guò)光照，改變材料性質(zhì)，使在完成光刻工藝后，達(dá)到轉(zhuǎn)移圖形的目的。該光

2、敏物質(zhì)稱為光刻膠。 酚醛樹脂基化合物是IC制造中最常用的光刻膠的主要成分。膠中通常有三種成分，即樹脂或基體材料、感光化合物（PAC）、溶劑。PAC是抑制劑，感光前，抑制光刻膠在顯影液中的溶解。感光后，起化學(xué)反應(yīng)，增加了膠的溶解速度。 光刻膠分正膠和負(fù)膠。正膠：曝光區(qū)在顯影后溶化，非曝光區(qū)留下。負(fù)膠：曝光區(qū)在顯影后留下，非曝光區(qū)在顯影液中溶解。,光刻膠的兩個(gè)基本性能為靈敏度和分辨率。 靈敏度是指發(fā)生上述化學(xué)變化所需的光能

3、量（J/cm2）。靈敏度越高，曝光過(guò)程越快，所需曝光時(shí)間越短。分辨率是指排除光刻設(shè)備影響，能在光刻膠上再現(xiàn)的最小特征尺寸。,正膠和負(fù)膠,光刻膠是長(zhǎng)鏈聚合物，正膠在感光時(shí)，曝光對(duì)聚合物起斷鏈作用，使長(zhǎng)鏈變短，使聚合物更容易在顯影液中溶解。負(fù)膠在曝光后，使聚合物發(fā)生交聯(lián)，在顯影液中溶解變慢。,苯芳香族環(huán)烴,苯環(huán)：六個(gè)排列成平面六角的C原子組成，每個(gè)C原子分別與一個(gè)H原子結(jié)合。,甲苯 氯苯,萘,苯環(huán),聚乙烯,支鏈聚合物,交聯(lián),2.

4、DQN正膠的典型反應(yīng),目前，常用的正膠DQN是由感光劑DQ和基體材料N組成。它適合于436nm的g 線和365nm的i 線曝光，不能用于極短波長(zhǎng)的曝光?；w材料N是酚醛樹脂，它是一種聚合物，單體是一個(gè)帶有兩個(gè)甲基和一個(gè)OH的芳香環(huán)烴組成。酚醛樹脂易于溶解在含水溶液中。正膠的溶劑通常是芳香烴化合物的組合，如二甲苯和各種醋酸鹽。正膠的感光劑（PAC）是重氮醌（DQ）。它作為抑制劑，以十倍或更大的倍數(shù)降低光刻膠在顯影液中的溶解速度。曝光后，U

5、V光子使氮分子脫離碳環(huán)，留下一個(gè)高活性的碳位。為使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，環(huán)內(nèi)的一個(gè)碳原子將移到環(huán)外，氧原子將與它形成共價(jià)鍵，實(shí)現(xiàn)重組，成為乙烯酮。在有水的情況下，環(huán)與外部碳原子間的雙化學(xué)鍵被一個(gè)單鍵和一個(gè)OH基替代，最終形成羥酸。羥酸易于溶解在顯影液中，直到曝過(guò)光的正膠全部去除，而未曝光的正膠則全部保留。,正膠的感光劑、基體結(jié)構(gòu),,正膠的基體材料：偏甲氧基酚醛樹脂,正膠的感光劑：重氮醌（DQ）,正膠的感光反應(yīng),負(fù)膠的成分和感光反應(yīng),負(fù)膠為包含聚乙烯

6、肉桂衍生物或環(huán)化橡膠衍生物雙鍵的聚合物。典型的負(fù)膠是疊氮感光膠，如環(huán)化聚異戊二烯。在負(fù)膠曝光時(shí)，產(chǎn)生大量的交聯(lián)聚合，成為互相連接的大樹脂分子，很難在顯影液中溶解。從而負(fù)膠的曝光部分在顯影后保留。而未曝光部分則在顯影時(shí)去除。,正膠與負(fù)膠的性能比較：顯影液不易進(jìn)入正膠的未曝光部分，正膠光刻后線條不變形。顯影液會(huì)使負(fù)膠膨脹，線條變寬。雖然烘烤后能收縮，但易變形。所以負(fù)膠不適合2.0微米以下工藝使用。正膠是ULSI的主要光刻膠。正膠的針孔密

7、度低，但對(duì)襯低的粘附差，通常用HMDS作增粘處理。負(fù)膠對(duì)襯底粘附好，針孔密度較高。3. 正膠耐化學(xué)腐蝕，是良好的掩蔽薄膜。,兩種光刻膠的性能,顯影液：正膠：典型的正膠顯影液為堿性水溶液，如： 25%的四甲 基氫氧化氨[TWAH--NH4（OH）4] 水溶液。負(fù)膠：典型的負(fù)膠顯影液為二甲苯。,正膠和負(fù)膠的工藝溫度：正膠 前烘：90°C，20分；堅(jiān)膜：130 °C，30分。負(fù)膠

8、 前烘：85 °C，10分；堅(jiān)膜：140 °C，30分；過(guò)高的前烘溫度，將會(huì)使光刻膠的光敏劑失效。,兩種光刻膠的性能,3. 對(duì)比度曲線,用對(duì)比度來(lái)描述光刻膠的曝光性能，即區(qū)分掩模上亮區(qū)和暗區(qū)能力的衡量標(biāo)準(zhǔn)。用D0表示光刻膠開始光化學(xué)反應(yīng)的曝光能量，D100 表示所有光刻膠完全去除需要的最低曝光量。對(duì)比度定義為：,對(duì)比度越大，光刻后的線條邊緣越陡。典型的光刻膠的對(duì)比度在2-4。意味著D100比D0大101/

9、3-101/2倍.其實(shí)，對(duì)一定的光刻膠，對(duì)比度曲線并不固定，它隨顯影過(guò)程、前烘條件、曝光波長(zhǎng)、圓片表面的反射率等情況改變。光刻工藝的任務(wù)就是調(diào)節(jié)工藝條件，使一定的光刻膠具有最大的、最穩(wěn)定的對(duì)比度。,理想的對(duì)比度曲線,DQN正膠的實(shí)測(cè)對(duì)比度曲線,1、2、3s 曝光后的剖面分布,簡(jiǎn)單的區(qū)域圖象,光刻膠的吸收,在低曝光劑量，光刻膠的剖面分布主要決定于對(duì)比度曲線的低曝光區(qū)和過(guò)渡區(qū)。當(dāng)曝光劑量大于150J/cm2時(shí)，光刻膠的剖面主要取決于光學(xué)圖象

10、及光在膠中的吸收，且剖面分布十分陡峭，圖象清晰，但代價(jià)是曝光時(shí)間長(zhǎng)、產(chǎn)量低。一般選擇在中高曝光量區(qū)域光刻。光在膠中的吸收服從指數(shù)規(guī)律： ?為吸收系數(shù)，z 為深度，D0與膠的厚度無(wú)關(guān)，D100反比與吸收率A。,TR是膠的厚度,吸收率A定義為：,可以證明，對(duì)比度,?為無(wú)量綱常數(shù),可見，對(duì)比度隨膠的厚度增加而降低。所以為了獲得高的對(duì)比度，必須適當(dāng)降低光刻膠的厚度，特別是在特征尺寸很小的

11、情況下。但是，光刻膠很薄時(shí)，臺(tái)階覆蓋會(huì)變差，往往在為提高分辨率而降低膠的厚度時(shí)，要全面兼顧。,光刻膠的吸收,例 題 8.1,4. 臨界調(diào)制函數(shù),臨界調(diào)制函數(shù)是光刻膠的另一個(gè)性能指標(biāo)，定義為：,利用對(duì)比度公式可得：,CMIF的典型值約為0.4。CMIF的作用是提供一個(gè)簡(jiǎn)單的光刻膠的分辨率的試驗(yàn)。如果一個(gè)實(shí)象的MIF小于CMIF，則其圖象將不能被分辨。如果實(shí)象的MIF比CMIF 大，則可能被分辨。,例 題 8.2,,前烘,紫外光固膠，對(duì)離子

12、注入需要,150-200°C，30’，N2,5.光刻膠的涂敷和顯影,HMDS（六甲基二硅亞胺）,勻膠300-500rpm，5s + 甩膠 3000-6000rpm，30s,90-100 °C，10-30’,根據(jù)對(duì)比度試驗(yàn)結(jié)果,一般不做，但可增加對(duì)比度,1-2’，注意顯影液濃度的改變和溫度的恒定,130-140 °C，30’，考慮回流,前烘條件控制的重要性,前烘的作用是去除膠中大部分溶劑，使膠的曝光性能

13、穩(wěn)定。膠在顯影劑中的溶解速度極大地依賴于光刻膠中最終的溶劑濃度。 通常，前烘溫度低或時(shí)間短，會(huì)使膠有高的感光度，也會(huì)提高溶解速率。但代價(jià)是對(duì)比度降低，即線條的邊緣平坦、不陡直。而高溫前烘能使膠中的感光劑（PAC）開始光化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致膠的未曝光區(qū)在顯影液中也會(huì)溶解。所以必須嚴(yán)格控制前烘溫度和時(shí)間。事實(shí)上，前烘工藝的目標(biāo)是通過(guò)試驗(yàn)，確定在保持可接受的感光度下，得到對(duì)比度優(yōu)化的合適工藝條件。通常，典型的前烘溫度是90-100

14、76;C，時(shí)間從用熱板烘烤的30秒到用烘箱的10-30分。前烘后在膠中留下的溶劑濃度只有初始濃度的5%,前烘+曝光后烘烤對(duì)對(duì)比度的影響,堅(jiān)膜溫度對(duì)顯影后光刻膠臺(tái)階的影響,光刻膠的涂敷和顯影設(shè)備,實(shí)驗(yàn)室的涂膠設(shè)備通常是單個(gè)涂膠臺(tái)，顯影用浸入式操作；工業(yè)上一般采用軌道多頭涂膠、顯影復(fù)合裝置。由微機(jī)控制裝片、時(shí)間、轉(zhuǎn)速、卸片等各種工藝參數(shù)，涂膠和顯影自動(dòng)完成。顯影時(shí)，顯影液噴布整個(gè)圓片，不會(huì)有濃度改變問(wèn)題。,,6. 二級(jí)曝光效應(yīng),所謂二級(jí)曝

15、光效應(yīng)實(shí)際上指由于膠對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸收，以及圓片上臺(tái)階高度對(duì)光刻線條的影響。光刻膠對(duì)不同波長(zhǎng)的光有不同的吸收系數(shù)，吸收系數(shù)太大，曝光時(shí)光被上層膠充分吸收，下層膠顯得曝光不足；吸收系數(shù)太小，曝光期間幾乎沒(méi)有光被吸收，需要很長(zhǎng)的曝光時(shí)間。選擇對(duì)所用光線有合適吸收系數(shù)的膠，對(duì)光刻質(zhì)量很重要。苯醌的好處是對(duì)g 和i線吸收很好，但對(duì)中紫外和可見光吸收很差，光刻甚至可以在可見光下完成。典型的DQ感光劑對(duì)深紫外的吸收不好。,樹脂對(duì)光的吸收不會(huì)使P