8光刻胶

D −D 0 C T = 100 MF D +D 100 0
利用对比度的公式， 利用对比度的公式，可得
1 10 γ −1 C T = 1γ MF 10 &果光学系统的 MTF 小于 CMTF， 。 ， 则其图像就不能被分辨； 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。 有可能被分辨。
3、涂胶 、 一般采用旋涂法。 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。 均匀性。胶膜的厚度决定于光刻胶的粘度和旋转速度。
1) 滴胶 2) 加速旋转
3) 甩掉多 余的胶
4) 溶剂挥发
4、前烘（软烘） 、前烘（软烘） 目的是增强光刻胶与硅片的粘附性， 目的是增强光刻胶与硅片的粘附性，去除光刻胶中的大部 增强光刻胶与硅片的粘附性 分溶剂，促进光刻胶的均匀性和稳定性。 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。 对紫外线曝光可不进行，但对深紫外线曝光则必须进行。
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。 可以借助于感光物质的势能曲线来讨论光化学反应。下图 切断反应的势能曲线。 是重氮基萘的 RN - N2 切断反应的势能曲线。
势 能
S3 T1 S2
EA(S1) = 16Kcal
S1 S0
88Kcal
72Kcal EA(S0) = 38Kcal RN 与 N2 的间距
可以证明， 可以证明，对比度 有如下关系
γ 与光吸收系数 及光刻胶厚度 TR 之间 与光吸收系数α及光刻胶厚度
1 γ= β +αT R
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。
8.3 临界调制传输函数
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 CMTF ，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， 调制传输函数，其定义为
7 、显影 将曝光后的硅片用显影液浸泡或喷雾处理。对负胶， 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， 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， 水溶液。 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， 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。 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。 显影过程对温度非常敏感。显影过程有可能影响光刻胶的 对比度，从而影响光刻胶的剖面形状。 对比度，从而影响光刻胶的剖面形状。 显影后必须进行严格的检查，如有缺陷则必须返工。 显影后必须进行严格的检查，如有缺陷则必须返工。
自动显影检查设备
8、后烘（硬烘、坚膜） 、后烘（硬烘、坚膜） 目的是使胶膜硬化，提高其在后续工序中的耐腐蚀性。 目的是使胶膜硬化，提高其在后续工序中的耐腐蚀性。 9、刻蚀 、 10、去胶 、
8.7 二级曝光效应
在选择光刻胶时，必须考虑它的吸收谱， 在选择光刻胶时，必须考虑它的吸收谱，以及在特定波长 下的光学吸收系数α。 下的光学吸收系数 。 由下式
光进入光刻胶后， 光进入光刻胶后，其强度按下式衰减
I(z) = I0e−αz
式中， 为光刻胶的光吸收系数 为光刻胶的光吸收系数。 为光刻胶的厚度， 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
∫ [I A=
T R 0
0
−I(z)] dz
I0T R
1−e−αTR =1− αT R
3、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。 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 µC/cm2（加速电压 10KV 典型特性： 时）、分辨率 1.0 µm 、对比度 0.95。限制分辨率的主要因素是 ）、分辨率 。 光刻胶在显影时的溶胀。 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。 主要为甲基丙烯甲酯、烯砜和重氮类这三种聚合物。最常 典型特性： 用的是 PMMA 胶，典型特性：灵敏度 40 ~ 80 µC/cm2（加速电 ）、分辨率 压 20 KV 时）、分辨率 0.1 µm 、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， 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。 流动，耐干法刻蚀性差。
3、对比度 对比度的定义为
D γ =lg 100 0 D
−1
D0
D100
对比度是图中对数坐标下对比度曲线的斜率， 对比度是图中对数坐标下对比度曲线的斜率，表示光刻胶 区分掩模上亮区和暗区的能力的大小， 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 的间距就越小， 就越大， 度。灵敏度曲线越陡，D0 与 D100 的间距就越小，则 γ 就越大， 灵敏度曲线越陡， 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 这样有助于得到清晰的图形轮廓和高的分辨率。 之间。对于亚微米图形， 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。
S (W in )2 = Nmin m q qNmin q W in = =10 m S S
qNmin q W in = =10 m S S
式中， 为最小尺寸，即分辨率。可见，若灵敏度越高（ 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。 越小）， ），则 就越大，分辨率就越差。 例如， 例如，负性电子束光刻胶 COP 的 S = 0.3×10 -6C/cm2，则 × / 其 Wmin = 0.073 µm 。若其灵敏度提高到 S = 0.03×10 -6C/cm2 ， × / 则其 Wmin 将增大到 0.23 µm 。
第 8 章 光刻胶
光致抗蚀剂（ 光刻胶也称为 光致抗蚀剂（Photoresist，P. R.）。 ， ）。
8.1 光刻胶的类型
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， 凡是在能量束（光束、电子束、离子束等）的照射下，以 负性光刻胶， 负胶。 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， 凡是在能量束（光束、电子束、离子束等）的照射下，以 正性光刻胶， 正胶。 降解反应为主的光刻胶称为 正性光刻胶，简称 正胶。
8.2 光刻胶的特性
1、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， 最小电荷量（对电子束胶），称为光刻胶的灵敏度，记为 S ， ），称为光刻胶的灵敏度 越小，则灵敏度越高。 也就是前面提到过的 D100 。S 越小，则灵敏度越高。 灵敏度太低会影响生产效率， 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。 的灵敏度。但灵敏度太高会影响分辨率。 通常负胶的灵敏度高于正胶。 通常负胶的灵敏度高于正胶。
I(z) = I0e−αz
8.6 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。 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。 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。 扩散工艺来实现。 2、增粘处理 、 六甲基二硅亚胺（ 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， 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。 也可采用旋涂法。
8.5 正胶的典型反应
一、光化学反应 化学反应速度 k 可表示为
E k = Aexp− A T R
式中， 为常数， 为绝对温度， 为化学反应激活能， 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。 越小， 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。 速度越快。 感光物质的电子在未曝光时处于基态 S0 ，基态的反应激 因此反应慢。曝光后， 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。 因此反应变快。
灵敏度曲线（对比度曲线） 灵敏度曲线（对比度曲线）
未反应的归一化膜厚
1.0 0.5
入射剂量 （C/cm2） /
0
D0
D100
2、分辨率 光刻工艺中影响分辨率的因素有：光源、 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、 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。 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 下面讨论分辨率与灵敏度的关系。 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 N± N 范围内。为保证 范围内。 由于随机涨落， 出现最低剂量时不少于规定剂量的 90%，也即 N N ≤10%。 ， 因此对于小尺寸曝光区， 由此可得 Nm =100 。因此对于小尺寸曝光区，必须满足 in
的光能（ 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。 反应速度加快。 的光能（ 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， 态的曲线在图左侧有相交之处， 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 态并立即反应。 电子可从 S2 态跃迁到 S1 态并立即反应。所以用 λ = 300 nm 的光 的反应速度快。 曝光比用 λ = 365 nm 的反应速度快。