声表面波器件工艺原理-3光刻工艺原理

三，声表器件光刻工艺原理：目录：（一）光刻胶：1，正性光刻胶2，负性光刻胶3，光刻胶的性质（二）光刻工艺原理（湿法）：1，匀胶：1）匀胶方法2）粘附性3）光刻胶的厚度4）膜厚均匀性5）对胶面要求6）注意事项2，前烘：1）前烘目的2）对前烘温度和时间的选择3）前烘方法3，暴光：1）暴光目的2）暴光技术简介3）暴光条件选择4）暴光不良原因4，显影：1）显影目的2）显影方法3）影响显影质量的因素4）常见问题5）其它5，坚膜：1）坚膜目的2）坚膜方法3）问题讨论6，腐蚀：1）腐蚀目的2）腐蚀因子3）腐蚀方法4）影响因素5）注意事项7，去胶：1）去胶目的2）去胶方法3）注意事项8，问题分析：1）光刻分辨率2）控制光刻线宽的方法3）浮胶4）毛刺及钻蚀5）小岛6）针孔9，小结（光刻各工序需控制的工艺参数）（三）光刻工艺原理（干法）简介：1，干法腐蚀原理：1）等离子体腐蚀2）离子腐蚀3）反应离子腐蚀2，干法工艺：1）干法显影2）铝的干法刻蚀3）干法去胶（四）金属剥离工艺简介：1）剥离工艺特点2）剥离技术3）有关问题（五）微细光刻技术简介：1）抗蚀剂2）暴光技术3）刻蚀技术4）问题及原因序：光刻是SAW器件制造的关键工艺，是一种复印图象同化学腐蚀相结合的综合技术。

它先采用照相复印的方法，将光刻版上的图形精确的复印在涂有感光胶的金属膜层上，然后利用光刻胶的保护作用，对金属层进行选择性化学腐蚀，从而在金属层上得到与光刻版相应的图形，并要求图形线条陡直、无钻蚀、无断条和连指等。

影响光刻质量的因素很多，除暴光技术外，还有掩膜版、金属膜、光刻胶等的质量以及操作技术和环境条件等。

实践表明，光刻质量对器件性能有很大影响，是生产中影响成品率的关键因素。

（一） 光刻胶：按光化学反应的不同，光刻胶大体可分为正性光刻胶和负性光刻胶两类。

1，正性光刻胶：它的特点是原来的胶膜不能被某些溶剂溶解，当受适当波长光照射后发生光分解反应，切断树脂聚合体主链和从链之间的联系，使其变为可溶性物质。

因此当用正胶光刻时，可在基片表面得到与光刻版遮光图案完全相同的光刻胶图形，方向相差180度。

正性胶分辨率较高，对一些常用金属表面有较好粘附性；但与负胶相比，其稳定性和抗蚀能力较差。

目前常用的正性胶为DQN和PMMA。

1）DQN：DQN是一种近紫外NUV（365、435nm）光刻胶，主要由感光剂DQ、基体材料N和溶剂组成。

通常使用的基体材料是酸催化酚醛树脂，具有良好的成膜性和耐磨性，能溶于碱溶液和许多普通溶剂；感光剂DQ（邻叠氮醌化合物）如同基体材料N在碱溶液中溶解的抑制剂，当在基体N中加入20-50%的DQ，混合物（光刻胶）将变为不可溶；溶剂是用来溶解感光剂和基体材料、同时又易挥发的液体，由于溶剂的用量决定光刻胶的黏度（黏度也与温度有关），从而影响光刻胶的涂敷厚度，而厚度又与光聚合反应所需暴光量有关，与胶膜的分辨率有关，所以对溶剂用量的控制也十分重要。

DQN感光机理是，经近紫外光照射，感光剂发生分解，并重新组合为乙烯酮，乙烯酮和空气中的水气反应，产生酸性基，酸性基可与碱性溶液发生中和反应，使不溶性光刻胶可溶于碱溶液，而未经暴光的光刻胶仍为不可溶。

我们常用的美国AE-1350系列，北化的202、205、212，上试一厂的702，703等都属该类光刻胶。

2）PMMA：主要成分是甲基丙烯酸脂及其衍生物。

其感光机理是，PMMA在深紫外光（DUV）照射下，聚合体发生断链降解，分子量迅速降低，变为可被碱溶液溶解的物质，有资料介绍，暴光后的光刻胶在显影时的溶解度几乎十倍于没暴光的光刻胶。

PMMA对波长220nm的光最敏感，而对波长大于240nm的光完全不敏感，通过添加光敏剂，如t-丁基苯酸，可使其紫外光谱吸收率增加。

PMMA常用于深紫外暴光，电子束光刻、离子束光刻、X射线光刻。

2，负性光刻胶：它的特点是原来的胶膜可被某些溶剂溶解，当受适当波长照射后，发生光聚合或交联反应，使其键结成高分子聚合物，变为不可溶物质。

因此当用负胶光刻时，可在基片表面得到与光刻版遮光图案完全相反的光刻胶图形，方向也相差180度。

负性光刻胶一般由感光剂（光致抗蚀剂）、溶剂和增感剂组成。

感光剂是对光敏感的高分子化合物，受光照射后，能吸收一定波长的光能量，发生交联、聚合等光化学反应，使光刻胶改变性质。

增感剂在光化学反应时起催化或引发作用，当用适当光源照射时，增感剂分子能在比感光剂响应波长更长一些的光谱范围吸收能量，并与感光剂分子进行能量转移，从而加快感光剂光聚合速度，提高感光度；但是在光刻胶中，感光剂也不宜过多，因为当感光度已达饱和，多余的感光剂会使胶质变脆，减弱胶的抗蚀能力。

溶剂是用来溶解感光剂和增感剂、同时又易挥发的液体，其用量与暴光量及胶膜的分辨率密切相关。

负性胶有较强的抗蚀能力和稳定性，但因暴光形成的高分子聚合物会吸收显影液引起胶膜溶胀及在聚合过程中所发生的氧化反应的影响，使其分辨率较低。

下面介绍几种常用的负性胶。

1）聚肉桂酸脂类：属该类树脂的有聚乙烯醇肉桂酸脂、肉桂酸纤维素等，是线性高分子聚合物，纤维状固体，能溶于甲苯、氯苯（芳香族溶剂）、丙酮、丁酮（脂肪族溶剂）、环已酮、环乙烷（脂环族溶剂）等溶剂。

在紫外线照射下，其分子侧链上的肉桂酸基中的一个双键被打开，与相邻的肉桂酸基相互结合形成交联键，这就是光化学聚合反应，它使线状结构的分子变成三维架桥式的网状结构，成为不溶于有机溶剂也不受酸影响的物质（由于其交联键在强酸强碱作用下易断开，所以该类光刻胶不能经受强酸碱腐蚀）。

聚肉桂酸脂类感光树脂的光谱吸收范围在230-340nm，添加增感剂可使其感光波长达到450nm，具有实用价值；常用的增感剂主要是硝基有机化合物，如5-硝基苊等，常用的溶剂是环已酮。

聚肉桂酸脂类光刻胶是研究使用最早的光刻胶品种，如北化的103胶，上海化学试剂厂的‘上试1号’，美国柯达光致抗试蚀剂（KPR），日本东京应化光致抗试蚀剂（TPR）等，都是以聚乙烯醇肉桂酸脂为基础的光刻胶。

2）聚脂类：聚脂类感光树脂系二元醇和二元酸的缩聚产物，在这类树脂分子侧链上带着含有共轭双键的感光性官能团，因此具有较强的感光性；在其分子主链上含有极性基团，因而对二氧化硅、铝有较好粘附性。

聚脂类感光树脂的增感作用和光化学反应机理与聚肉桂酸脂相似，其溶剂为氯仿、酮类，增感剂为硝基有机化合物。

3）环化橡胶类(聚烃类-双叠氮系)：它主要有天然或人造橡胶制成，主要成分是顺式聚乙戊二烯。

把这种橡胶溶于适当的溶剂（如二甲苯），并加入环化结构催化剂（如氟化硼），加一定温度环化后，链状结构的顺式聚乙戊二烯就变成了环状结构，其耐磨性、粘附性和抗蚀性都得到显著提高。

在光照下，环化的橡胶分子通过交联剂（双叠氮化合物，起光化学反应交连作用）交联形成网状分子结构，成为不溶性聚合物。

由于在光照时，同时发生的氧化反应是聚合交连的竞争反应，所以该胶具有一定的厌氧性。

双叠氮化合物感光范围260-400nm，对常用光源是合适的，添加适宜的增感剂（二苯甲酮），可出现新的吸收峰，使感光度提高。

该类光刻胶和金属衬底粘附能力强，耐腐蚀性强，因而得到广泛应用；美国柯达（KMER），日本应化（OMR），北化302胶都属该类型。

3，光刻胶的性质：光刻胶性能好坏对光刻质量影响很大，常用感光度、分辨率、抗蚀性、粘附能力和针孔密度等指标来衡量光刻胶的优劣。

1）感光度：是用来表征光刻胶对光敏感度的性能指标。

感光度不同，表示它对光的敏感程度不同，即光化学反应所需暴光量不同。

感光度（S）可用暴光时使光刻胶发生光化学反应所需的最小暴光量（E）的倒数表示：S = k / E （式中为常数，的单位：勒克斯•秒）暴光量（E）等于光强（I）与暴光时间（t）的乘积，故E又可表示为：E =k /（I•t）由于光刻胶对不同波长的光源敏感程度不同，因此感光度与光刻胶的光谱响应、及所用光源的光谱成分有关。

为改善光刻胶的感光性，增大其感光范围，往往需要加入适当适量的增感剂。

在光刻过程中，当确定了光刻胶后，必须选用合适的光源，才能有满意的效果。

影响感光度的因素很多，与光刻胶本身有关的因素在此不议，这里主要介绍光刻工艺条件对感光度的影响：a）干燥（前烘）条件的影响：以KPR-2胶为例，在空气中干燥30′，比在100℃ 热板上干燥2′的感光度小许多；在100℃ 热板上干燥2′，感光度即达到最大值，时间再增加，感光度不变。

试验说明，当溶剂完全从胶中去除后，感光度即达一定值，感光度与溶剂去除程度有关。

因此要仔细控制好前烘，以达最佳感光度。

b）胶膜厚度的影响：胶厚不同，感光度不同。

以KTFR胶为例，厚度在12-23µm之间，感光度无变化，当厚度为08-06µm时，感光度显著下降。

此外，厚度对感光度的影响还与衬底有无反射、光刻胶对光的吸收等因素有关。

c）暴光的影响：在暴光过程中，光强对感光度通常无影响；但对氧敏感的光刻胶在空气中暴光时，由于氧的影响（胶的氧化会减弱胶的光聚合作用），当用较弱的光暴光时，感光度明显下降。

2）分辨率：它是表示光刻精度的标志之一。

它不仅与光刻胶本身有关，还与光刻工艺条件和操作技术等因素有关，如掩膜版的质量，光源的状况，暴光量的大小，暴光光线的平行度，光刻胶的厚度，基片粘附程度，显影液、腐蚀液的配比及显影、腐蚀的温度、时间，前烘、坚膜的温度、时间，以及光的衍射、铝膜的反射等等。

分辨率通常是以每毫米最多可容纳的线条数来表示。

若可分辨的条宽为W/2 ，而条与条的间距也为W/2 时，则分辨率为1/W （条线/毫米）。

3）留膜率：留膜率直接影响光刻质量，习惯上常用显影前后的光刻胶膜厚之比值表示留膜率。

留膜率（%）= 显影后的胶膜厚度（坚膜后）/ 显影前的胶膜厚度（前烘后）不同类型的光刻胶，留膜率不同；负性胶一般低于85%，正性胶大于90%。

影响留膜率的因素还与光刻工艺条件选择有关，如前烘条件，暴光时间及显影条件（显影液配比、浓度、显影时间）等。

4）针孔密度：单位面积的光刻胶膜上的针孔数。

它反应了光刻胶各种外在因素（例如颗粒等）及内在组分，直接影响光刻质量。

5）黏度、固态含有率：温度、黏度和固态含有率是影响涂胶厚度的重要因素。

胶黏度越大（即越稠），在相同条件下，所得胶膜越厚；温度高、固态含有率低，胶的黏度变小。

此外，固态含有率不仅通过黏度影响胶厚，它本身对膜厚也有直接影响，固态含有率大，胶膜干燥后就厚；但固态含有率增大，影响分辨率的提高，为达到一定分辨率，要求膜厚及前烘条件必须与胶的黏度及固态含有率相适应，以达最佳效果。

6）抗蚀性：是指光刻胶耐酸、碱腐蚀及等离子腐蚀的能力。

在湿法腐蚀时，光刻胶膜只有在针孔密度小、粘附性能好的情况下，才有好的抗蚀能力，对负性胶而言，橡胶系光刻胶性能较优，而正性胶抗湿法腐蚀能力就较差。