第7章光刻胶

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。
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：
1 γ log(D100 /D0 )
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.
7、
整盒硅片浸没式显影
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。
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
出现最低剂量时不少于规定剂量的 90%，也即
N N 10%。
由此可得 N min 100 。因此对于小尺寸曝光区，必须满足 S (Wmin ) 2 N min q
Wmin
qN min q 10 S S
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 I 0 e 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。
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。
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
I 0 I ( z ) dz 1 e T A 0 1
TR
R
I 0TR
TR
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 1 TR
减小光吸收系数与胶膜厚度有利于提高对比度。
7.2 DQN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。
a、化学的方法（Chemical EBR）。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（Optical EBR）。即硅片边缘
曝光（WEE，Wafer Edge Exposure）。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。
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
双喷分显法 4.12 单喷静置显影60s
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
5、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。
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Baidu Nhomakorabea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。
Wmin
qN min q 10 S S
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 = 0.3×10-6 C/cm2， 则其 Wmin = 0.073 m 。若其灵敏度提高到 S = 0.03×10-6
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
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：
D100 D0 CMTF胶 D100 D0
利用对比度公式可得：
10 1 CMTF胶 1/γ 10 1
1/γ
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。
α z
光刻胶的吸收
吸收率A定义为：
A
TR
0
[I o I(z)]dz α TR
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。
3.14
6、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
1
D0
D100
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。
光进入光刻胶后，其强度按下式衰减
I ( z ) I 0 e z 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
例 题 8.2
7.5 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
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；
C/cm2 ，则其 Wmin 将增大到 0.23 m 。
3、对比度
对比度的定义为
D100 lg D0
1
D0
D100
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。
D100 Dcr D0
D100 lg D0
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。
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。
1) 滴胶 2) 加速旋转
3) 甩掉多 余的胶
4) 溶剂挥发
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
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 8.1
DQN正胶的实 测对比度曲线
通常负胶的灵敏度高于正胶。
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、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。 分辨率与灵敏度的关系:
负胶在曝光后，使聚合物发生交联，在显影液中溶 解变慢。
光刻胶的特性
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。
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。
第三篇
第七章
单项工艺2
光 刻 胶
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；
7.2 DQN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。