光刻工艺概述

Mask pattern required when using negative photoresist (opposite of intended structure)
Mask pattern required when using positive photoresist (same as intended structure)
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第8章 光刻工艺概述
2014年11月5日2时34分
Unexposed areas remain soluble to developer chemical.
Photoresist
UV
Areas exposed to light become crosslinked and resist the developer chemical.
8.3 光刻技术
正胶的基本聚合物是苯酚－甲醛聚合物，也称 为苯酚－甲醛树脂。如图所示。 其中含有感光聚合PAC（DQ）和基体材料N， N一般采用酚醛树脂。 在光刻胶中聚合物是相对不可溶的，用适当能 量的光照后变成可溶状态。这种反应称为光溶 邻位 解反应。 （ 2 和 6 ）
间位 （ 3 和 4 ）
对位（ 4 ） 间甲 酚 甲醛
CH CH
CH
×× × × ×× × × ×× 未聚合的
能量
双键
CH (a)
聚合的
(b)
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第8章 光刻工艺概述
2014年11月5日2时34分
8.3 光刻技术
负性胶由光产生交联
聚合物：惰性聚异戊 二烯,天然橡胶 溶剂：二甲苯 感光剂：紫外线曝光 后释放出氮气的光敏 剂，产生自由基 自由基促使光刻胶聚 合 缺点：1、在显影时曝光区域会因溶剂 产生泡胀 2、曝光时产生的氮气会和光刻胶反应
2014年11月5日2时34分
正性光刻
Ultraviolet light Areas exposed to light are dissolved. Chrome island on glass mask Shadow on photoresist Island
photoresist Photoresist
8.3 光刻技术
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8.3 光刻技术
如果掩膜版的图形是由不透光的 区域决定的，称其为亮场掩膜版； 反之，称之为暗场掩膜版。
亮场
暗场
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负性光刻
Ultraviolet light Chrome island on glass mask Areas exposed to light become crosslinked and resist the developer chemical. Exposed area of photoresist Island Window
8Байду номын сангаас
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亮场掩模版和暗场掩模版
Clear Field Mask Dark Field Mask
Simulation of metal interconnect lines (positive resist lithography)
Simulation of contact holes (positive resist lithography)
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8.3 光刻技术
3. 此时环内的一个碳位 移到环外，氧原子将 与这个外部的碳原子 形成共价键，此过程 称为Wolff重组。重 组的结果是生成乙烯 酮 最终加入水后，会发 生最终的重组，此过 程中环与外部碳原子 之间的双化学键被一 个单键和一个OH基 所代替，生成羧酸
Oxide
Substrate
Unexposed Exposed
Soluble
Crosslinks
Pre-exposure - photoresist
Post-exposure - photoresist
Post-develop - photoresist
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-
+
2 × 10
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8.3 光刻技术
4、光刻胶的表现要素 （1）分辨率 在光刻胶层能够产生的最小图形通 常被作为对光刻胶的分辨率。产生的线 条越小，分辨率越高。分辨率不仅与光 刻胶本身的结构、性质有关，还与特定 的工艺有关，比如：曝光光源、显影工 艺等。
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8.3 光刻技术
重氮醌
Diazoquinone,DQ 1. DQ的二氧化硅以下 的分子部分，包括 两个位置靠下的芳 香族的环烃，在曝 光中仅是次要作用， 所以用R来表示这部 分分子。 2. 氮分子化合键较弱， 受光照氮分子脱离 碳环，留下一个高 活性的碳位
Oxide
Substrate
Exposed Unexposed
PAC
Pre-exposure + photoresist
Soluble resist
Post-exposure + photoresist
Post-develop + photoresist
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4.
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Unexposed resist, containing PACs, remain crosslinked and insoluble to developer chemical.
Photoresist
UV
Resist exposed to light dissolves in the developer chemical.
Sensitizers: photosensitive component of the resist material
Additives: chemicals that control specific aspects of resist material
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溶剂
感光剂
在曝光过程中控制和 / 或 调节光刻胶的化学反应 各种添加的化学成分实 现工艺效果，例如染色
添加剂
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Solvent: gives resist its flow characteristics Resin: mix of polymers used as binder; gives resist mechanical and chemical properties
8.3 光刻技术
• 溶剂 光刻胶中容量最大的成分是溶剂。添加溶 剂的目的是光刻胶处于液态，以便是光刻胶能 够通过旋转的方法涂在晶圆表面。 在曝光之前，大部分溶剂已经从光刻胶里 面蒸发出去，所以它在实际的光化学反应中不 起任何作用。
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8.3 光刻技术
Photoresist
Shadow on photoresist
Photoresist Oxide Silicon substrate
Oxide Silicon substrate
Resulting pattern after the resist is developed. 6
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• 感光剂 光刻胶中的感光剂是用来产生或者控制聚 合物的特定反应。如果聚合物中不添加感光剂， 那么它对光的敏感性差，而且光谱范围较宽， 添加特定的感光剂后，可以增加感光灵敏度， 而且限制反应光的光谱范围，或者把反应光限 制在某一波长的光。
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8.3 光刻技术
8.3 光刻技术
初始材料不溶于显影溶液（PH<7，一般是KON或NaOH 溶液），当发生整个曝光之后，生成的羧酸易于显影 溶液反应，从而可以溶解。其中发生的化学反应是羧 酸分解成溶于水的胺，比如苯胺和钾盐/钠盐。 正胶的优点：1. 未曝光区基本不受显影剂的影响，所 以正胶的亮区细线条图形能够保持其线宽和形状。 2. 酚醛树脂作为光刻胶的机体材料，化学性能稳定， 对刻蚀工艺来说可以起到很好的掩蔽作用。
2. 常见光刻胶的组成 • I线光刻胶 该光刻胶适用于I线紫外波 长（365nm） 适用于0.35微米以上的非 关键层的光刻 负胶：惰性聚异戊二烯 正胶：线性酚醛树脂 由4种成分： 聚合物 溶剂 感光剂 添加剂
8.3 光刻技术
成分 聚合物 功能 当被对准机光源曝光时， 聚合物结构由可溶变成 聚合（或反之） 稀化光刻胶，通过旋转 形成薄膜
Window
Exposed area of photoresist
photoresist Photoresist oxide Oxide silicon substrate Silicon substrate oxide Oxide silicon substrate substrate Silicon
Resulting pattern after the resist is developed.
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正性光刻和负性光刻的区别
• 负性光刻：产生和掩模版相反的图形 • 正性光刻：产生和掩模版相同的图形
Desired photoresist structure to be printed on wafer Chrome Window Island of photoresist Substrate Quartz Island
极性 + + + + +
感光性 (Coul/cm ) 3-5 × 10
曝光光源 紫外 紫外 电子束 电子束 / 深紫外 电子束 电子束 电子束 X 射线 电子束
正性 负性
PMMA PMIPK PBS TFECA COP (PCA) PMPS
5 × 10
1 × 10
2 × 10 8 × 10 5 × 10
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8.3 光刻技术
下表列出了用在光刻胶产品上的聚合物
光刻胶
聚合物
酚醛树脂（间 甲酚甲醛） 聚异戊二烯 聚甲基丙烯酸酯 聚甲基异丙烯基酮 聚丁烯 1 砜 聚三氟乙烷基氯丙烯 酸酯 共聚物（ a 氰乙基丙烯酸， a 氨基乙烷基丙烯酸酯） 聚甲基戊烯 1 砜
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8.3 光刻技术
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8.3 光刻技术
基本光刻工艺
气相成底膜处理 曝光后烘焙
旋转涂胶
显影
软烘（前烘）
坚膜显影
对准和曝光
显影检查
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8.3 光刻技术
8.3.6 光刻胶
光刻胶是光刻工艺的核心，光刻过 程中的所有操作都会根据特定的光刻胶 性质和想达到的预期结果而进行微调。 光刻胶的选择和光刻工艺的研发是一个 非常漫长的过程。
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1. 光刻胶的分类 对光有负效应的光刻胶，称为负性光刻胶。负胶在曝 光之后，浸入显影溶液，在显影过程中，曝光部分性 能稳定，未曝光部分将更容易溶解。对光有正效应的 光刻胶，称为正性光刻胶。其性能和负胶正好相反。 –正胶：曝光前-不可溶 曝光后-可溶 –负胶：曝光前-可溶 曝光后-不可溶
• 添加剂 光刻胶中的添加剂主要在光刻胶薄 膜中用来吸收和控制光线，可以阻止光 刻胶没有被曝光的部分在显影过程中被 溶解。
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第8章 光刻工艺概述
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8.3 光刻技术
• 聚合物 聚合物是由一组大而且重的分子组成，包括碳、 氢和氧。对负胶，聚合物曝光后会由非聚合状态变 为聚合状态。在大多数负胶里面，聚合物是聚异戊 二烯类型。是一种相互粘结的物质－－抗刻蚀的物 质，如图所示。其他常用负胶有聚肉桂酸酯类、聚 酯类和聚烃类。负胶一般不适于2.0μ m以下的尺寸
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第8章 光刻工艺概述
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• 根据光刻胶所能达到的最小关键尺寸分类 传统光刻胶： 0.35微米和0.35微米以上 适用于非关键层 化学放大(CA)光刻胶：0.25~0.05微米 适用于关键层 特殊光刻胶：用于非光学光刻
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