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1、微电电子工艺艺原理与技术术 李 金 华华 第八章 光 刻 胶 第三篇 单项单项 工艺艺2 主要内容 1 光刻胶的类类型 2 DQN正胶的典型反应应 3 对对比度曲线线 4 临临界调调制函数 5 光刻胶的涂敷和显显影 6 二级级曝光效应应 先进进光刻胶和光刻工艺艺 1 光刻胶的类类型 光学曝光过过程中 为为了将掩模上的图图形转转移到圆圆片上 辐辐照必须须作用在光敏物质质上 该该光敏物质质必须须通过过光照 改变变材料性质质 使在完成光刻工艺艺后 达到转转移图图形的目 的 该该光敏物质质称为为光刻胶 酚醛树醛树 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 即树树脂或基体材料
2、 感光化合 物 PAC 溶剂剂 PAC是抑制剂剂 感光前 抑制光刻胶 在显显影液中的溶解 感光后 起化学反应应 增加了胶的溶 解速度 光刻胶分正胶和负负胶 正胶 曝光区在显显影后溶化 非曝光区留下 负负胶 曝光区在显显影后留下 非曝光区在显显影液中溶解 光刻胶的两个基本性能为为灵敏度和分辨率 灵敏度是指发发生上述化学变变化所需的光能量 J cm2 灵敏度越高 曝光过过程越快 所需曝光时间时间 越短 分辨率 是指排除光刻设备设备 影响 能在光刻胶上再现现的最小特征尺 寸 正胶和负负胶 光刻胶是长链长链 聚合物 正胶在感光时时 曝光对对聚合物起 断链链作用 使长链变长链变 短 使聚合物更容易在显显
3、影液中溶解 负负胶在曝光后 使聚合物发发生交联联 在显显影液中溶解变变 慢 苯芳香族环烃环烃 苯环环 六个排列成平面六角 的C原子组组成 每个C原子分 别别与一个H原子结结合 甲苯 氯氯苯 萘萘 苯环环 聚乙烯烯 支链链聚合物 交联联 2 DQN正胶的典型反应应 目前 常用的正胶DQN是由感光剂剂DQ和基体材料N组组成 它适合于436nm的g 线线和365nm的i 线线曝光 不能用于极 短波长长的曝光 基体材料N是酚醛树醛树 脂 它是一种聚合物 单单体是一个带带有两个甲基和一个OH的芳香环烃组环烃组 成 酚醛树醛树 脂易于溶解在含水溶液中 正胶的溶剂剂通常是芳香 烃烃化合物的组组合 如二甲苯和
4、各种醋酸盐盐 正胶的感光剂剂 PAC 是重氮醌醌 DQ 它作为为抑制剂剂 以十倍或更大 的倍数降低光刻胶在显显影液中的溶解速度 曝光后 UV光 子使氮分子脱离碳环环 留下一个高活性的碳位 为为使结结构 稳稳定 环环内的一个碳原子将移到环环外 氧原子将与它形成 共价键键 实现实现 重组组 成为为乙烯酮烯酮 在有水的情况下 环环与 外部碳原子间间的双化学键键被一个单键单键 和一个OH基替代 最终终形成羟羟酸 羟羟酸易于溶解在显显影液中 直到曝过过光的 正胶全部去除 而未曝光的正胶则则全部保留 正胶的感光剂剂 基体结结构 正胶的基体材料 偏甲氧基酚醛树醛树 脂 正胶的感光剂剂 重氮醌醌 DQ 正胶的
5、感光反应应 负负胶的成分和感光反应应 负负胶为为包含聚乙烯烯肉桂衍生物或环环化橡胶衍生物双键键 的聚合物 典型的负负胶是叠氮感光胶 如环环化聚异戊二 烯烯 在负负胶曝光时时 产产生大量的交联联聚合 成为为互相连连 接的大树树脂分子 很难难在显显影液中溶解 从而负负胶的曝 光部分在显显影后保留 而未曝光部分则则在显显影时时去除 正胶与负负胶的性能比较较 1 显显影液不易进进入正胶的未曝光部分 正胶光刻后线线条不 变变形 显显影液会使负负胶膨胀胀 线线条变宽变宽 虽虽然烘烤后能 收缩缩 但易变变形 所以负负胶不适合2 0微米以下工艺艺使用 正胶是ULSI的主要光刻胶 2 正胶的针针孔密度低 但对衬
6、对衬 低的粘附差 通常用HMDS作 增粘处处理 负负胶对衬对衬 底粘附好 针针孔密度较较高 3 3 正胶耐化学腐蚀蚀 是良好的掩蔽薄膜 两种光刻胶的性能 显显影液 正胶 典型的正胶显显影液为为碱性水溶液 如 25 的四甲 基氢氢氧化氨 TWAH NH4 OH 4 水溶液 负负胶 典型的负负胶显显影液为为二甲苯 正胶和负负胶的工艺艺温度 1 正胶 前烘 90 C 20分 坚坚膜 130 C 30分 2 负负胶 前烘 85 C 10分 坚坚膜 140 C 30分 3 过过高的前烘温度 将会使光刻胶的光敏剂剂失效 两种光刻胶的性能 3 对对比度曲线线 用对对比度来描述光刻胶的曝光性能 即区分掩模上亮
7、区 和暗区能力的衡量标标准 用D0表示光刻胶开始光化学反应应 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 对对比度定义为义为 对对比度越大 光刻后的线线条边缘边缘 越陡 典型的光刻胶的 对对比度在2 4 意味着D100比D0大101 3 101 2倍 其实实 对对一定 的光刻胶 对对比度曲线线并不固定 它随显显影过过程 前烘条 件 曝光波长长 圆圆片表面的反射率等情况改变变 光刻工艺艺 的任务务就是调节调节 工艺艺条件 使一定的光刻胶具有最大的 最稳稳定的对对比度 理想的对对比度曲线线 DQN正 胶的实实 测对测对 比 度曲线线 1 2 3s 曝光后的 剖面分布 简单简单
8、的 区域图图象 光刻胶的吸收 在低曝光剂剂量 光刻胶的剖面分布主要决定于对对比度曲 线线的低曝光区和过过渡区 当曝光剂剂量大于150J cm2时时 光 刻胶的剖面主要取决于光学图图象及光在胶中的吸收 且剖面 分布十分陡峭 图图象清晰 但代价是曝光时间长时间长 产产量低 一般选择选择 在中高曝光量区域光刻 光在胶中的吸收服从指数规规律 为为吸收系 数 z 为为深度 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定义为义为 可以证证明 对对比度 为为无量纲纲常数 可见见 对对比度随胶的厚度增加而降低 所以为为了获获 得高的对对比度 必须须适当降低光刻胶的厚度 特别别是 在特征
9、尺寸很小的情况下 但是 光刻胶很薄时时 台 阶阶覆盖会变变差 往往在为为提高分辨率而降低胶的厚度 时时 要全面兼顾顾 光刻胶的吸收 例 题题 8 1 4 临临界调调制函数 临临界调调制函数是光刻胶的另一个性能指标标 定义为义为 利用对对比度公式可得 CMIF的典型值约为值约为 0 4 CMIF的作用是提供一个简简 单单的光刻胶的分辨率的试验试验 如果一个实实象的MIF小于 CMIF 则则其图图象将不能被分辨 如果实实象的MIF比 CMIF 大 则则可能被分辨 例 题题 8 2 前烘 紫外光固胶 对对离子注入需要 150 200 C 30 N2 5 光 刻 胶 的 涂 敷 和 显显 影 HMDS
10、 六甲基二硅亚亚胺 匀胶300 500rpm 5s 甩胶 3000 6000rpm 30s 90 100 C 10 30 根据对对比度试验结试验结 果 一般不做 但可增加对对比度 1 2 注意显显影液浓浓度的改变变 和温度的恒定 130 140 C 30 考虑虑回流 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剂 使胶的曝光性能稳稳定 胶在显显影剂剂中的溶解速度极大地依赖赖于光刻胶中最终终的 溶剂浓剂浓 度 通常 前烘温度低或时间时间 短 会使胶有高的感光度 也 会提高溶解速率 但代价是对对比度降低 即线线条的边缘边缘 平 坦 不陡直 而高温前烘能使胶中的感光剂剂 PAC 开始光 化学
11、反应应 从而导导致胶的未曝光区在显显影液中也会溶解 所以必须严须严 格控制前烘温度和时间时间 事实实上 前烘工艺艺的 目标标是通过试验过试验 确定在保持可接受的感光度下 得到对对 比度优优化的合适工艺艺条件 通常 典型的前烘温度是90 100 C 时间时间 从用热热板烘烤 的30秒到用烘箱的10 30分 前烘后在胶中留下的溶剂浓剂浓 度只有初始浓浓度的5 前烘 曝光后烘烤对对对对 比度的影响 坚坚膜温度对对 显显影后光刻胶 台阶阶的影响 光刻胶的涂敷和显显影设备设备 实验实验 室的涂胶设备设备 通常是单单个涂胶台 显显影用浸入式操作 工业业上一般采用轨轨道多头头涂胶 显显影复合装置 由微机控制
12、装 片 时间时间 转转速 卸片等各种工艺艺参数 涂胶和显显影自动动完成 显显影时时 显显影液喷喷布整个圆圆片 不会有浓浓度改变问题变问题 6 二级级曝光效应应 所谓谓二级级曝光效应实际应实际 上指由于胶对对不同波长长光的吸收 以及圆圆片上台阶阶高度对对光刻线线条的影响 光刻胶对对不同波长长的光有不同的吸收系数 吸收系数太大 曝光时时光被上层层胶充分吸收 下层层胶显显得曝光不足 吸收 系数太小 曝光期间间几乎没有光被吸收 需要很长长的曝光 时间时间 选择对选择对 所用光线线有合适吸收系数的胶 对对光刻质质量 很重要 苯醌醌的好处处是对对g 和i线线吸收很好 但对对中紫外 和可见见光吸收很差 光刻甚至可以在可见见光下完成 典型的 DQ感光剂对剂对 深紫外的吸收不好 树树脂对对光的吸收不会使PAC发发生光化学反应应 而树树脂对对 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 圆圆片表面的台阶阶将使涂布的胶的厚度不均匀 胶在台阶阶 边缘边缘 厚 而在台阶阶上薄 从而有不同的对对比度和不同的 感光量要求 导导致经过经过 台阶线阶线 条的变变形 甚至会影响器 件的可靠性 解决办办法是预预先平坦化和采用多层层胶 降低 台阶阶高度的影响 但工艺艺复杂杂 台阶对阶对 光刻的影响 作业业 P200 1
