[工学]第8章 光刻胶电子科大mems课件.ppt

Microelectronic Fabrication & MEMS Technology1第 8 章 光刻胶一、光刻胶的类型凡是在能量束（光束、电子束、离子束等）的照射下，以交联反应为主的光刻胶称为 负性光刻胶负性光刻胶，简称 负胶负胶凡是在能量束（光束、电子束、离子束等）的照射下，以降解反应为主的光刻胶称为 正性光刻胶正性光刻胶，简称 正胶正胶8.1 8.1 光刻胶的类型光刻胶的类型光刻胶也称为 光致抗蚀剂光致抗蚀剂（Photoresist，P. R.）Microelectronic Fabrication & MEMS Technology2Microelectronic Fabrication & MEMS Technology31 1、灵敏度、灵敏度灵敏度的定义单位面积上入射的使光刻胶全部发生反应的最小光能量或最小电荷量（对电子束胶），称为光刻胶的灵敏度，记为 S ，也就是前面提到过的 D100 S 越小，则灵敏度越高通常负胶的灵敏度高于正胶通常负胶的灵敏度高于正胶灵敏度太低会影响生产效率，所以通常希望光刻胶有较高的灵敏度但灵敏度太高会影响分辨率8.2 8.2 光刻胶的特性光刻胶的特性Microelectronic Fabrication & MEMS Technology4灵敏度曲线（对比度曲线）1.00.50D0入射剂量（ C/cm2）未反应的归一化膜厚D100Microelectronic Fabrication & MEMS Technology52 2、分辨率、分辨率下面讨论分辨率与灵敏度的关系。

当入射电子数为 N 时，由于随机涨落，实际入射的电子数在 范围内为保证出现最低剂量时不少于规定剂量的 90%，也即 由此可得 因此对于小尺寸曝光区，必须满足光刻工艺中影响分辨率的因素有：光源、曝光方式光源、曝光方式和 光刻光刻胶本身胶本身（包括灵敏度、对比度、颗粒的大小、显影时的溶胀、电子散射等）通常正胶的分辨率要高于负胶通常正胶的分辨率要高于负胶Microelectronic Fabrication & MEMS Technology6式中，Wmin 为最小尺寸，即分辨率可见，若灵敏度越高（即若灵敏度越高（即S S越小），则越小），则WWminmin就越就越大，分辨率就越差大，分辨率就越差例如，负性电子束光刻胶 COP 的 S = 0.3×10-6 C/cm2，则其 Wmin = 0.073 m 若其灵敏度提高到 S = 0.03×10-6 C/cm2 ，则其 Wmin 将增大到 0.23 m Microelectronic Fabrication & MEMS Technology73 3、对比度、对比度对比度是上图中对数坐标下曲线的斜率，表示光刻胶区分掩模上亮区和暗区的能力的大小，即对剂量变化的敏感程度。

D0D100对比度的定义为DcrD100D0Microelectronic Fabrication & MEMS Technology8灵敏度曲线越陡，D0 与 D100 的间距就越小，则光刻胶的对比度 就越大，这样有助于得到清晰的图形轮廓和高的分辨率一般光刻胶的对比度在 0.9 ~ 2.0 之间对于亚微米图形，要求对比度大于 1通常正胶的对比度要高于负胶通常正胶的对比度要高于负胶D0D100Microelectronic Fabrication & MEMS Technology9光进入光刻胶后，其强度按下式衰减 式中，α为光刻胶的光吸收系数设 TR 为光刻胶的厚度，则可定义光刻胶的 光吸收率光吸收率为可以证明，对比度 与光吸收系数α及光刻胶厚度 TR 之间有如下关系 减小光吸收系数与胶膜厚度有利于提高对比度减小光吸收系数与胶膜厚度有利于提高对比度 Microelectronic Fabrication & MEMS Technology10一个与对比度有关的光刻胶性能指标是 临界调制传输函数临界调制传输函数CMTFCMTF ，它代表在光刻胶上获得能被分辨的图形所必须的最小调制传输函数，其定义为 利用对比度的公式，可得 CMTF 的典型值为 0.4。

如果光学系统的 MTF 小于 CMTF，则其图像就不能被分辨；如果光学系统的 MTF 大于 CMTF，就有可能被分辨8.3 8.3 临界调制传输函数临界调制传输函数Microelectronic Fabrication & MEMS Technology118.4 8.4 光刻胶材料光刻胶材料1、负性紫外光光刻胶主要有聚肉桂酸系（聚酯胶）和环化橡胶系两大类，前者以柯达公司的 KPR 系列为代表，后者以 OMR 系列为代表 2、正性紫外光光刻胶主要以重氮醌为感光化合物，以酚醛树脂为基体材料最常用的有 AZ –1350 系列正胶的主要优点是分辨率高，缺点是灵敏度、耐刻蚀性和附着性等较差光刻胶通常有三种成分：感光化合物、基体材料 和 溶剂在感光化合物中有时还包括增感剂Microelectronic Fabrication & MEMS Technology123、负性电子束光刻胶为含有环氧基、乙烯基或环硫化物的聚合物最常用的是COP 胶，典型特性：灵敏度 0.3 ~ 0.4 C/cm2（加速电压 10KV 时）、分辨率 1.0 m 、对比度 0.95限制分辨率的主要因素是光刻胶在显影时的溶胀。

4、正性电子束光刻胶主要为甲基丙烯甲酯、烯砜和重氮类这三种聚合物最常用的是 PMMA 胶，典型特性：灵敏度 40 ~ 80 C/cm2（加速电压 20 KV 时）、分辨率 0.1 m 、对比度 2 ~ 3 PMMA 胶的主要优点是分辨率高主要缺点是灵敏度低，此外在高温下易流动，耐干法刻蚀性差Microelectronic Fabrication & MEMS Technology138.5 8.5 正胶的典型反应正胶的典型反应一、光化学反应一、光化学反应化学反应速度 k 可表示为感光物质的电子在未曝光时处于基态 S0 ，基态的反应激活能 EA 大 ，因此反应慢曝光后，感光物质的电子处于激发态 S1 、S2 、S3 等， 激发态的 EA 小，因此反应变快式中，A 、R 为常数，T 为绝对温度，EA 为化学反应激活能，随电子状态的不同而不同EA 越小，则在同样的温度下反应速度越快Microelectronic Fabrication & MEMS Technology14二、势能曲线二、势能曲线可以借助于感光物质的势能曲线来讨论光化学反应下 图是重氮基萘的 RN - N2 切断反应的势能曲线。

S0S1S2S3T188Kcal72KcalEA(S1) = 16KcalEA(S0) = 38KcalRN 与 N2 的间距势 能Microelectronic Fabrication & MEMS Technology15感光分子吸收λ= 365 nm 的光能（ 72 Kcal ）后 ，电子从基态 S0 跃迁到第一激发态 S1 ，激活能由 EA(S0) = 38 Kcal 降为 EA(S1) = 16 Kcal ，反应速度加快 感光分子吸收λ= 300 nm 的光能（88 Kcal）后，电子跃迁到第二激发态 S2 ，此态的谷底势能恰好与 S1 态当 RN - N2 分解时的势能相当，且 S2 与 S1 态的曲线在图左侧有相交之处，因此电子可从 S2 态跃迁到 S1 态并立即反应所以用λ= 300 nm 的光曝光比用λ= 365 nm 的反应速度快Microelectronic Fabrication & MEMS Technology16在重氮基萘中还存在着三重态 T1 由 T1 态的曲线可见 ，RN-N2 的距离越远，分子的势能越低，所以处于 T1 态的分子将立即发生反应而不需激活能。

由于 T1 态曲线与所有单重激发态的曲线在谷底附近相交，所以进入单重激发态的电子还可以通 过向 T1 态跃迁而使感光物分子立即发生化学反应，从而使反应速度大大加快这种作用称为 “三重态增感” T1三、增感剂及其作用三、增感剂及其作用Microelectronic Fabrication & MEMS Technology17photoresistsilicon substrateoxideUltraviolet light光刻胶上 的阴影光刻胶的 曝光区在玻璃掩膜 版上的铬岛Silicon substratePhotoresist Oxide使光衰弱的 被曝光区光刻胶显影后的最终图形窗口Silicon substrate岛PhotoresistOxide正性光刻: 曝光后的光刻胶被显影液溶解而去除 ，留下光刻胶的图形与掩膜版图形一致正性光刻正性光刻Microelectronic Fabrication & MEMS Technology18Ultraviolet light光刻胶的 曝光区光刻胶上 的阴影在玻璃掩膜 版上的铬岛岛被曝光的区域发生交 联并变成阻止显影的 化学物质光刻胶显影后 的最终图形窗口Silicon substratePhotoresistOxidePhotoresistOxide Silicon substrate负性光刻负性光刻负性光刻: 曝光后的光刻胶因发生交联反应而硬化，留在硅片表面，未曝光 的被显影液溶解而去除，留下光刻胶的图形与掩膜版图形相反。

Microelectronic Fabrication & MEMS Technology19期望印在硅片上 的光刻胶结构.窗口Substrate光刻胶岛石英铬岛当使用负胶时，要 求掩膜版上图形与 想要的结构相反当使用正胶时，要 求掩膜版上图形与 想要的结构相同掩膜版与光刻胶的关系掩膜版与光刻胶的关系Microelectronic Fabrication & MEMS Technology20金属互连线的模拟(正胶光刻）亮场掩膜版接触孔的模拟 （正胶光刻）暗场掩膜版亮场和暗场掩膜版亮场和暗场掩膜版暗场掩膜版：其石英版上大部分被铬覆盖 亮场掩膜版：有大面积透明的石英，只有很细的铬图形Microelectronic Fabrication & MEMS Technology218.6 8.6 光刻胶的涂敷和显影光刻胶的涂敷和显影本节简要介绍光刻工艺中除曝光与刻蚀以外的工序1、脱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扩散工艺来实现2、增粘处理在烘烤后的硅片表面涂一层六甲基二硅亚胺（HMDS），目的是增加硅片表面与光刻胶的粘附性可采用蒸汽涂布法，也可采用旋涂法Microelectronic Fabrication & MEMS Technology223、涂胶一般采用旋涂法。

涂胶的关键是控制胶膜的厚度与膜厚的均匀性胶膜的厚度决定于光刻胶的粘度和旋转速度3) 甩掉多 余的胶4) 溶剂挥发1) 滴胶2) 加速旋转Microelectronic Fabrication & MEMS Technology234、前烘（软烘）目的是增强光刻胶与硅片的粘附性，去除光刻胶中的大部分溶剂，促进光刻胶的均匀性和稳定性5、曝光6、曝光后的烘焙对紫外线曝光可不进行，但对深紫外线曝光则必须进行Microelectronic Fabrication & MEMS Technology247 、显影将曝光后的硅片用显影液浸泡或喷雾处理对负胶，显影液将溶解掉未曝光区的胶膜；对正胶，显影液将溶解曝光区的胶膜几乎所有的正胶都使用碱性显影液，如 KOH 水溶液显影过程中光刻胶膜会发生膨胀正胶的膨胀可以忽略，而负胶的膨胀则可能使图形尺寸发生变化显影过程对温度非常敏感显影过程。