第7章光刻胶

第七章光刻胶第三篇单项工艺2光刻胶也称为光致抗蚀剂（Photoresist，P.R.）。主要内容7.1光刻胶类型；7.2DQN正胶的典型反应；7.3对比度曲线；7.4临界调制函数7.5光刻胶的涂敷和显影；7.6二级曝光效应；7.7先进光刻胶和光刻工艺。7.1光刻胶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。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，简称负胶。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，简称正胶。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。1、灵敏度: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。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。光刻胶的特性灵敏度曲线（对比度曲线）1.00.50D0入射剂量（C/cm2）未反应的归一化膜厚D1002、分辨率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NN%10NN100minN2minminminmin()10SWNqqNqWSS光刻工艺中影响分辨率的因素有：光源、曝光方式和光刻胶本身（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。式中，Wmin为最小尺寸，即分辨率。可见，若灵敏度越高（即S越小），则Wmin就越大，分辨率就越差。例如，负性电子束光刻胶COP的S=0.3×10-6C/cm2，则其Wmin=0.073m。若其灵敏度提高到S=0.03×10-6C/cm2，则其Wmin将增大到0.23m。minmin10qNqWSS3、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。11000lgDDD0D100对比度的定义为DcrD100D0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。D0D10011000lgDD光进入光刻胶后，其强度按下式衰减0()ezIzI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为RR000RR()d1e1TTIIzzAITT可以证明，对比度γ与光吸收系数α及光刻胶厚度TR之间有如下关系R1T减小光吸收系数与胶膜厚度有利于提高对比度。7.2DQN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[TMAH--NH4（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：90°C，20分；坚膜：130°C，30分。2.负胶前烘：85°C，10分；坚膜：140°C，30分；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7.3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：)/Dlog(D1γ0100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。理想的对比度曲线低曝光区：光刻胶都保留下来高曝光区：所有光刻胶都被去掉过渡区例题8.1DQN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。zα0eIIRT0oTαI(z)]dz[IARTR是胶的厚度吸收率A定义为：可以证明，对比度RTαβ1γ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7.4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：01000100DDDDCMTF胶利用对比度公式可得：110110CMTF1/γ1/γ胶CMTF的典型值约为0.4。CMTF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MTF小于CMTF，则其图象将不能被分辨。如果实象的MTF比CMTF大，则可能被分辨。例题8.27.5光刻胶的涂敷和显影介绍光刻工艺中除曝光与刻蚀以外的工序。硅片清洗去除玷污去除微粒减少针孔和其他缺陷提高光刻胶黏附性基本步骤化学清洗冲洗干燥传统方法高压氮气吹刷子旋转刷高压水冲洗1、光刻工艺-前烘去水烘干去除硅片表面的水份提高光刻胶与表面的黏附性通常在100℃与前处理同时进行2、光刻工艺-前处理防止显影时光刻胶脱离硅片表面通常使用：六甲基二硅胺（HMDS）匀胶前HMDS蒸汽涂布通常和前烘一起进行匀胶前硅片要冷却硅片冷却匀胶前硅片需要冷却到环境温度硅片在冷却板上冷却温度会影响光刻胶的黏度影响光刻胶的厚度3、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)加速旋转匀胶硅片吸附在真空卡盘上液态的光刻胶滴在硅片的中心卡盘旋转，离心力的作用下光刻胶扩散开高速旋转，光刻胶均匀地覆盖硅片表面先低速旋转~500rpm再上升到~3000-7000rpm黏度•在固体表面的流动性•影响匀胶厚度•与光刻胶的类型和温度有关•高速旋转有利于匀胶的均匀性硅片自动输送轨道系统；真空卡盘吸住硅片；胶盘排气系统：可控旋转马达；给胶管和给胶泵边缘清洗（去边）边缘光刻胶的去除方法a、化学的方法（ChemicalEBR）。软烘后，用PGMEA或EGMEA去边溶剂，喷出少量在正反面边缘出，并小心控制不要到达光刻胶有效区域；b、光学方法（OpticalEBR）。即硅片边缘曝光（WEE，WaferEdgeExposure）。在完成图形的曝光后，用激光曝光硅片边缘，然后在显影或特殊溶剂中溶解。5、曝光4、匀胶后烘（软烘）使光刻胶中的大部分溶剂蒸发溶剂帮助得到薄的光刻胶膜但是吸收光并且影响黏附性曝光后烘时间和温度取决于工艺条件过烘：聚合，光敏性降低后烘不足：影响黏附性和曝光软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。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单喷静置显影60s双喷分显法3.144.126、曝光后烘（PEB）•PEB通常使用110到130°C的热板烘1分钟•对于同一种类的光刻胶,PEB的温度通常高于匀胶后烘（15-20°C）.•不充分的PEB不能完全消除驻波的影响,•过烘将引起聚合反应影响光刻胶的显影硅片冷却•PEB后，显影前，硅片放置在冷却板上冷却至环境温度•高温会加速化学反应引起过显影•光刻胶CD变小7、缺点：显影液消耗很大；显影的均匀性差；连续喷雾显影/自动旋转显影。一个或多个喷嘴喷洒显影液在硅片表面，同时硅片低速旋转（100～500rpm）。喷嘴喷雾模式和硅片旋转速度是实现硅片间溶解率和均匀性的可重复性的关键调节参数。整盒硅片浸没式显影优点：显影液用量少；硅片显影均匀；最小化了温度梯度。8、显影后烘•使光刻胶中的溶剂蒸发•提高抗刻蚀和抗离子注入性•提高光刻胶和硅片表面的黏附性•聚合化并稳定光刻胶•光刻胶流动填平针孔•通常使用热板•也可在图形检查后用烘箱烘•温度:100到130°C•时间大约是1到2分钟•对于相同的光刻胶显影后烘的温度通常高于匀胶后烘显影后烘•烘烤不足–光刻胶未充分聚合化–低抗蚀性–低黏附性•过烘–光刻胶熔化，分辨率变差坚膜温度对显影后光刻胶台阶的影响•广泛应用于工业界•背面受热，无表面硬壳•在线轨道系统9、图形检查•不合格的硅片将被去除光刻胶返工–光刻胶的图形是临时性的–刻蚀和注入后的图形是永久的.•光刻是可以返工的•刻蚀和注入后不能返工•光学显微镜•扫描电子显微镜(SEM)检查内容•对准精度–放大,缩小,掩膜旋转,硅片旋转