第3篇第八章光刻胶.ppt
微电子工艺原理与技术,第八章 光 刻 胶,第三篇 单项工艺2,主要内容,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。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。,光刻胶的两个基本性能为灵敏度和分辨率。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。,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。,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,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。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。,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。,正胶与负胶的性能比较：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。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。,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：正胶 前烘：90C，20分；坚膜：130 C，30分。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,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：,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。,理想的对比度曲线,DQN正胶的实测对比度曲线,1、2、3s 曝光后的剖面分布,简单的区域图象,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：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。,TR是胶的厚度,吸收率A定义为：,可以证明，对比度,为无量纲常数,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。,光刻胶的吸收,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：,利用对比度公式可得：,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。,例 题 8.2,前烘,紫外光固胶，对离子注入需要,150-200C，30，N2,5.光刻胶的涂敷和显影,HMDS（六甲基二硅亚胺）,匀胶300-500rpm，5s+甩胶 3000-6000rpm，30s,90-100 C，10-30,根据对比度试验结果,一般不做，但可增加对比度,1-2，注意显影液浓度的改变和温度的恒定,130-140 C，30，考虑回流,前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。事实上，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,坚膜温度对显影后光刻胶台阶的影响,光刻胶的涂敷和显影设备,实验室的涂胶设备通常是单个涂胶台，显影用浸入式操作；工业上一般采用轨道多头涂胶、显影复合装置。由微机控制装片、时间、转速、卸片等各种工艺参数，涂胶和显影自动完成。显影时，显影液喷布整个圆片，不会有浓度改变问题。,6.二级曝光效应,所谓二级曝光效应实际上指由于胶对不同波长光的吸收，以及圆片上台阶高度对光刻线条的影响。光刻胶对不同波长的光有不同的吸收系数，吸收系数太大，曝光时光被上层胶充分吸收，下层胶显得曝光不足；吸收系数太小，曝光期间几乎没有光被吸收，需要很长的曝光时间。选择对所用光线有合适吸收系数的胶，对光刻质量很重要。苯醌的好处是对g 和i线吸收很好，但对中紫外和可见光吸收很差，光刻甚至可以在可见光下完成。典型的DQ感光剂对深紫外的吸收不好。,树脂对光的吸收不会使PAC发生光化学反应，而树脂对深紫外光的吸收很好，所以，DQN胶不适合低于250nm深紫外光的使用。圆片表面的台阶将使涂布的胶的厚度不均匀，胶在台阶边缘厚，而在台阶上薄，从而有不同的对比度和不同的感光量要求，导致经过台阶线条的变形，甚至会影响器件的可靠性。解决办法是预先平坦化和采用多层胶，降低台阶高度的影响，但工艺复杂。,台阶对光刻的影响,
