光刻胶的发展及应用

Vo.l14,No.16精细与专用化学品第14卷第16期

F i n e and Specialty Che m ica ls2006年8月21日市场资讯

光刻胶的发展及应用

郑金红*

(北京化学试剂研究所,北京100022)

摘 要:主要介绍了国内外光刻胶的发展历程及应用情况,分析了国内外光刻胶市场状况及未来走向,并在此基础上阐述了我国光刻胶今后的研发重点及未来的发展方向。

关键词:集成电路;光刻胶;感光剂

D evelop m ent T rends and M arket of Photoresist

Z HENG J in hong

(Be iji ng Instit u te o f Che m ica l R eagents,Be iji ng100022,Chi na)

Abstrac t:The deve l op m ent course and app licati on o f photoresist i n Chi na and abroad we re i ntroduced.The m arket sta t us and head i ng d irec tion o f pho toresist in Ch i na and abroad w ere also analyzed.T he research f o cuses and deve l op m ent trends of pho t o res i st i n Ch i na w ere descri bed.

K ey word s:i n teg ra ted c ircuit;photoresist;photosensiti zer

光刻胶(又称光致抗蚀剂)是指通过紫外光、准分子激光、电子束、离子束、X射线等光源的照射或辐射,其溶解度发生变化的耐蚀刻薄膜材料。主要用于集成电路和半导体分立器件的微细加工,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。由于光刻胶具有光化学敏感性,可利用其进行光化学反应,将光刻胶涂覆半导体、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,然后采用蚀刻剂进行蚀刻就可将所需要的微细图形从掩模版转移到待加工的衬底上。因此光刻胶是微细加工技术中的关键性化工材料。

现代微电子(集成电路)工业按照摩尔定律在不断发展,即集成电路(I C)的集成度每18个月翻一番;芯片的特征尺寸每3年缩小2倍,芯片面积增加1 5倍,芯片中的晶体管数增加约4倍,即每过3年便有一代新的集成电路产品问世。现在世界集成电路水平已由微米级(1 0 m)、亚微米级(1 0~0 35 m)、深亚微米级(0 35 m以下)进入到纳米级(90~65nm)阶段,对光刻胶分辨率等性能的要求不断提高。因为光刻胶的可分辨线宽 =k /NA,因此缩短曝光波长和提高透镜的开口数(NA)可提高光刻胶的分辨率。光刻技术随着集成电路的发展,也经历了从g线(436nm)光刻,i线(365nm)光刻,到深紫外248nm光刻,及目前的193nm光刻的发展历程,相对应于各曝光波长的光刻胶也应运而生。随着曝光波长变化,光刻胶的组成与结构也不断地变化,使光刻胶的综合性能满足集成工艺制程的要求。

表1为光刻技术与集成电路发展的关系,其中光刻技术的变更决定了光刻胶的发展趋势。

1 国外光刻胶发展历程及应用

光刻胶按曝光波长不同可分为紫外(300~ 450nm)光刻胶、深紫外(160~280n m)光刻胶、电子束光刻胶、离子束光刻胶、X射线光刻胶等。根据曝

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*收稿日期:2006 07 19

作者简介:郑金红(1967 ),女,北京化学试剂研究所有机室主任,教授级高工,主要从事微电子化学品光刻胶的研究工作。

2006年8月21日郑金红:光刻胶的发展及应用

光前后光刻胶膜溶解性质的变化又可分为正型光刻胶和负型光刻胶,曝光后溶解度增大的为正型光刻胶,溶解度减小的为负型光刻胶。随着曝光波长变化,光刻胶中的关键组分,如成膜树脂、感光剂、添加剂也随之发生相应的变化,光刻胶的综合性能也不断提高。集成电路制作中使用的主要光刻胶见表2。

表1 光刻技术与集成电路发展的关系

时 间1986年1989年1992年1995年1998年2001年2004年2007年2010年I C集成度1M4M16M64M256M1G4G16G64G 技术水平/ m1 20 80 50 350 250 180 130 100 07

可能采用的光刻技术g线g线、i线、K r F i线、K r F KrF KrF+RET

ArF

A rF+RET、

F2、PXL、I PL

F2+RET、

EPL、EUV、

I PL、EBO W

注:①g线:g线光刻技术;②i线:i线光刻技术;③K r F:248n m光刻技术;④ArF:193nm光刻技术;⑤F

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:157nm光刻技术;⑥RET:光网增强技术;⑦EPL:为电子投影技术;⑧P XL:近X射线技术;⑨IPL:离子投影技术;⑩EUV:超紫外技术; EBO W:电子束直写技术。

表2 集成电路制作中使用的主要光刻胶

光刻胶体系成膜树脂感 光 剂曝光机/曝光波长聚乙烯醇肉桂酸酯负胶聚乙烯醇肉桂酸酯成膜树脂自身高压汞灯/紫外全谱

环化橡胶 双叠氮负胶环化橡胶双叠氮化合物高压汞灯/紫外全谱

酚醛树脂 重氮萘醌正胶酚醛树脂重氮萘醌化合物①高压汞灯/紫外全谱;②g线S tepper/ 436nm;③i线S tepper/365nm

248nm光刻胶聚对羟基苯乙烯及其衍生物光致产酸剂KrF Exci m er Laser/248n m 193nm光刻胶聚脂环族丙烯酸酯及其共聚物光致产酸剂ArF Exci m er Laser/193n m

1.1 紫外光刻胶

1.1.1 紫外负型光刻胶

1954年E asM t an Kodak公司合成了人类第一种感光聚合物 聚乙烯醇肉桂酸酯,开创了聚乙烯醇肉桂酸酯及其衍生物类光刻胶体系,这是人类最先应用在电子工业上的光刻胶。该类光刻胶无暗反应,存储期长,感光灵敏度高,分辨率好,但在硅片上的粘附性差,影响了它在电子工业的广泛应用。

1958年Kodak公司又开发出了环化橡胶 双叠氮系光刻胶。因为该胶在硅片上具有良好的粘附性,同时具有感光速度快、抗湿法刻蚀能力强等优点,在20世纪80年代初成为电子工业的主要用胶,占当时总消费量的90%。但由于其用有机溶剂显影,显影时胶膜会溶胀,从而限制了负胶的分辨率,因此主要用于分立器件和5 m、2~3 m集成电路的制作。在紫外负型光刻胶的生产方面,由于其生产技术已经十分成熟,再加上其用量比较大,国外厂家负胶的生产规模一般均超过百吨以上。随着微电子工业加工线宽的缩小,该系列负胶在集成电路制作中的应用逐渐减少。1.1.2 紫外正型光刻胶

1950年左右开发出的酚醛树脂 重氮萘醌正型光刻胶用稀碱水显影,显影时不存在胶膜溶胀问题,因此分辨率较高,且抗干法蚀刻性较强,故能满足大规模集成电路及超大规模集成电路的制作。紫外正型光刻胶根据所用的曝光机不同,又可分为宽谱紫外正胶、G线正胶、I线正胶。三者虽然都是用线型酚醛树脂做成膜树脂,重氮萘醌型酯化物作感光剂,但在酚醛树脂及感光剂的微观结构上稍有变化,因此三者性能,尤其是分辨率不一样,应用场合也不同。宽谱紫外正胶适用于2~3 m、0 8~1 2 m集成电路的制作。G线紫外正胶采用g线曝光,适用0 5~0 6 m集成电路的制作。I线紫外正胶采用i 线曝光,适用0 35~0 5 m集成电路的制作。紫外正胶还用于液晶平面显示器等较大面积的电子产品制作。

i线光刻技术自20世纪80年代中期进入开发期,90年代初进入成熟期,90年代中期进入昌盛期并取代了G线光刻胶的统治地位,I线光刻技术目前仍是最为广泛应用的光刻技术。i线光刻胶最初分辨率只能达到0 5 m,随着i线光刻机的改进,I

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