微细和纳米加工技术 光学曝光技术(. 光刻胶的特性)

★剖面形状除了和对比度有关外，还与光在胶层里度胶形成的剖面
(b)高对比度胶形成的剖面
图2.12 不同对比度的胶形成的剖面形状 (负型胶，相同曝光与显影条件，计算机模拟结果)
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三、光刻胶的抗刻蚀比
★如果光刻胶图形将作为等离子体刻 蚀掩模，就需要有较高的抗刻蚀性。 ★这一性能通常是以刻蚀胶的速率与 刻蚀衬底材料的速率之比来表示的。 ★例如，某一光刻胶与硅的抗刻蚀比 为10，这说明当刻蚀硅的速率为1 μm／min时，胶的损失只有100 nm／min。 ★抗刻蚀比的高低也决定了要涂多厚 的胶才能实现对衬底材料某一深度 的刻蚀。
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对比度对光刻胶剖面形状的影响
★对比度直接影响到胶的分辨能力。对比度越大，剖面越陡。
★虽然曝光时间越长，曝光能量越大，剖面越陡，但是生产效率太低。
(a)正型胶显影曲线
(b)负型胶显影曲线
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不同对比度的胶形成的剖面形状
★不同对比度的胶所形成的图形轮廓不同。在同样的曝光条件下，由于胶 的对比度不同而形成了完全不同的曝光结果。
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二、光刻胶的对比度
★对比度高的光刻胶所得到的曝光图形具有 陡直的边壁和较高的图形高宽比。 ★对比度与灵敏度的定义如图中的显影曲线所示。该曲线也称做对比度函 数。显影曲线上的横坐标表示曝光剂量，纵坐标代表显影后胶膜留下的 厚度（归一化值）。显影曲线的斜率越大，光刻胶的对比度越高。
(a)正型胶显影曲线
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七、光刻胶的热流动性
★每一种胶都有一个玻璃化温度Tg 。超过这一温度，胶就会 呈熔融状态。
★由于已成型胶的热流动，会使显影形成的图形变形，影响 图形质量和分辨率。
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八、膨胀效应
★有些负型胶在显影过程中会发生膨胀现象。这主要是由于 显影液分子进入胶的分子链，使胶的体积增加，从而使胶 的图形变形。
★曝光宽容度大的胶受曝光能量 浮动或不均匀的影响较小。
图2.13 两种胶形成的线宽随曝光 剂量的变化 (曝光宽容度定义为偏离标准线 宽±10％的曝光剂量范围)
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六、光刻胶的工艺宽容度
★前后烘烤的温度、显影时间、显影液浓度与温度都会对最后 的光刻胶图形产生影响。每一套工艺都有相应的最佳工艺条 件。 ★但当这些条件偏离最佳值时，要求光刻胶的性能变化尽量小， 即有较大的工艺宽容度。 ★这样的胶对工艺条件的控制有一定的宽容性，因而可获得较 高的成品率。
2.4光刻胶的特性
★光刻胶是指一大类具有光敏化学作用的高分子聚合物材料。 ★光刻胶又称为“抗蚀剂”，因为它的作用就是作为抗刻蚀层 保护晶圆表面。 ★光刻胶只是一种形象的说法，因为这类聚合物从外观上呈现 为胶状液体。
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正型光刻胶和负型光刻胶
★光刻胶可以分为两类：正型胶与负型胶。 ★就光敏化学反应而言，聚合物的长链分子因光照而截断成短 链分子的为正型胶；聚合物的短链分子因光照而交连成长链 分子的为负型胶。短链分子聚合物可以被显影液溶解掉，因 此正型胶的曝光部分被去除，而负型胶的曝光部分被保留。
★值得提出的是，光刻胶并不意味着仅对光辐射敏感，有些 光刻胶对电子束、离子束或X射线也敏感，因此这些胶可 同时用来做其他加工工艺中的抗蚀剂。 ★不管是光致抗蚀剂还是电子抗蚀剂，人们总希望在曝光前， 抗蚀剂完全不起化学变化，而在曝光后，则应迅速起化学 变化。这是对抗蚀剂的基本要求。
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2．4．1光刻胶的一般特性
负性 正性
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四、光刻胶的分辨能力
★光刻胶的分辨能力是一个综合指标。 ★影响分辨能力的因素有3个方面： ①曝光系统的分辨率； ②光刻胶的相对分子质量、分子平均分布、对比度与胶厚； ③显影条件与前后烘烤温度。 ★一般薄胶层容易获得高分辨图形，但胶层厚度必须与胶的抗 刻蚀比综合加以考虑。 ★正型胶的过量显影或负型胶的显影不足都会影响分辨率。 ★烘烤温度过高，使胶软化 流动，也会破坏曝光图形的分辨 率。
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九、光刻胶的黏度
★黏度用于衡量光刻胶液体的可流动性。 ★黏度通常可以用胶中的聚合物固体含量来控制。同一种胶根 据浓度的不同可以有不同的黏度。而不同的黏度决定了该种 胶的不同涂覆厚度。这在厚胶工艺中非常明显。 ★光刻胶一旦开瓶使用后，溶剂会逐渐挥发，所以时间久了之 后，聚合物固体的浓度会越来越高，使胶的黏度增加。因此 在同样的甩胶条件下，新胶和旧胶可能会有不同的涂覆厚度。
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十、光刻胶的保质期限
★每一种胶都有一定的保质期限。这是因为光刻胶含光敏物质， 搁置时间过久会失去光活性；溶剂会挥发。 ★有些胶会因受热而变质，必须低温贮藏。 ★光刻胶一般都是对外界光照敏感的，尤其是外界光源中的紫 外光成分，所以光刻胶都盛在深棕色的玻璃瓶子内，光刻胶 工艺线都是在黄色灯光照明的环境中操作的。
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五、光刻胶的曝光宽容度
★如果光刻胶在偏离最佳曝光剂量的情况下，曝光图形的线宽变化较小， 则说明此光刻胶有较大的曝光宽容度。 ★一般，曝光宽容度定义为偏离标准线宽±10％的曝光剂量范围。 ★图是两种胶在不同曝光剂量下所形成的图形线宽。设计线宽是0．45 μm。可见，图中A型胶比B型胶相有较大的曝光宽容度。
(b)负型胶显影曲线
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图2.11 正型胶与负型胶的灵敏度与对比度的定义
光刻胶的对比度数值
★典型的光刻胶对比度为2~4。 ★另外，对于给定的某种胶，其对比度曲线并不固定，它们取 决于显影过程、前烘和曝光之后烘烤过程、曝光辐照的波长、 圆片的表面反射率、以及一些其他的因素。 ★表为几种商用光刻胶在不同波长时的典型对比度值。
图2.10 正型光 刻胶与 负型光 刻胶的 区别
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光刻胶的基本成分
★光刻胶一般由4个基本成分组成，即树脂型聚合物、溶剂、 光活性物质、添加剂。
★树脂型聚合物是光刻胶的主体，它使胶具有抗刻蚀性能。 ★溶剂使树脂型聚合物保持液体状态以利于涂覆。 ★光活性物质控制树脂型聚合物对某一特定光波长的感光度。 ★添加剂用于控制胶的光吸收率或溶解度。
一、灵敏度
★灵敏度是衡量曝光速度的指标。 ★光刻胶的灵敏度越高，所需要的曝光剂量越小。 ★曝光剂量以毫焦耳每平方厘米(mJ／cm2)为单位。 曝光剂量=光强（mW/cm2）×时间 ★光刻胶聚合物分子的断链或交链是通过吸收特定波长光辐射 能量完成的。 ★一种光刻胶通常只在某一特定波长范围内使用，因此G 线与 I 线胶一般不能通用。且G 线或I线胶完全不能用于深紫外曝 光。