第3篇第八章光刻胶-文档资料

2.DQN正胶的典型反 应
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。
微电子工艺原理与技术
李金华
第三篇 单项工艺2
第八章
光刻胶
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主要内容
1. 光刻胶的类型；
2. DQN正胶的典型反应； 3. 对比度曲线；
4. 临界调制函数
5. 光刻胶的涂敷和显影；
6. 二级曝光效应；
• 先进光刻胶和光刻工艺。
1. 光刻胶的类型
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。
例 题 8.1
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：
D D 100 0 CMIF 胶 D D 100 0
利用对比度公式可得：
10 1 CMIF 胶 1γ / 10 1
1γ /
CMIF的典型值约为0.4。CMIF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MIF小于 CMIF，则其图象将不能被分辨。如果实象的MIF比 CMIF 大，则可能被分辨。
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. 3. 正胶耐化学腐蚀，是良好的掩蔽薄膜。
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。
光刻胶分正胶和负胶。
正胶：曝光区在显影后溶化，非曝光区留下。 负胶：曝光区在显影后留下，非曝光区在显影液中溶解。
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。
光刻胶的两个基本性能为灵敏度和分辨率。
理想的对比度曲线
DQN正 胶的实测 对比度曲 线
简单的区 域图象
1、2、3s 曝光后的 剖面分布
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： I I0e 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。
例 题 8.2
5. 光 刻 胶 的 涂 敷 和 显 影
150-200°C，30’，N2 HMDS（六甲基二硅亚胺） 匀胶300-500rpm，5s + 甩胶 3000-6000rpm，30s 前烘 90-100 °C，10-30’
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[TWAH--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；
灵敏度是指发生上述化学变化所需的光能量（J/cm2）。 灵敏度越高，曝光过程越快，所需曝光时间越短。分辨率 是指排除光刻设备影响，能在光刻胶上再现的最小特征尺 寸。
苯芳香族环烃
苯环：六个排列成平面六角 的C原子组成，每个C原子 分别与一个H原子结合。
甲苯
氯苯
萘
苯环
聚乙烯
支链聚合物
交联
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。
3. 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
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：
1 γ log(D /D 100 0)
αz
光刻胶的吸收
吸收率A定义为：
A
TR
0
[Io I(z)]dz αTR
TR是胶的厚度 为无量纲常数
可以证明，对比度
1 γ β α TR
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。