第7章光刻胶

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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
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。
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
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
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
7、
整盒硅片匀性差; 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。
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。
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
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
0
入射剂量 (C/cm2)
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:
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
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。
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
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。
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;
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.
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
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
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。
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。
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。
α z
光刻胶的吸收
吸收率A定义为:
A
TR
0
[Io 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。
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。
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。
T I I ( z ) d z 0 1 e 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。
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
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。
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
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