张嘉伟-光刻工艺与三重态

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1、光刻工艺与三重态张嘉伟 113114312 光刻蚀是一种多步骤的图形转移过程，首先是在掩膜版上形成所需要的图形， 之后通过光刻工艺把所需要的图形转移到晶园表面的每一层。 图形转移通过两步完成。首先，图形被转移到光刻胶层。光刻胶经过曝光后 自身性质和结构发生变化 （由原来的可溶性物质变为非可溶性物质，或者相反）。 再通过化学溶剂（显影剂）把可以溶解的部分去掉， 在光刻层下就会留下一个孔， 而这个孔就是和掩膜版不透光的部分相对应。 光刻工艺包含有以下步骤：涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜、刻蚀和去胶。 而其中的主要步骤为：曝光、显影和刻蚀。在曝光和显影的过程中，必然伴随着 光子能量的变化及能态的跃迁。

2、 光刻胶在经过前烘之后，原本为液态的光刻胶在硅片表面上固化，这样就可 以进行曝光。在未经过曝光之前，正性光刻胶中的感光剂DQ是不溶于显影液的， 同时也会一直酚醛树脂在显影液中的溶解。在曝光过程中，感光剂DQ发生光化 学反应，成为乙烯酮。因为乙烯酮的化学性质不稳定，会进一步的水解为ICA。 羧酸对碱性溶剂的溶解度将比未感光的感光剂高出许多，同时还会促进酚醛树脂 的溶解。利用感光与为感光的光刻胶对碱性溶液的不同溶解度，就可以进行掩膜 图形的转移。 在曝光过程中，在曝光区与非曝光区便捷会出现驻波效应，驻波效应将在这 两个区域的边界附近形成曝光强弱相间的过渡区，这将影响显影后所形成的图形 尺寸和分辨率

3、。 为了降低驻波效应的影响， 在曝光后需要进行烘焙。 经过曝光和 曝光后烘焙， 非曝光区的感光剂会向曝光区扩散，从而在曝光区与非曝光区的边 界形成了均匀曝光效果。 普通光源光的波长范围大，图形边缘衍射现象严重，满足不了特征尺寸的要 求。所以作为晶园生产用的曝光光源必须是某一单一波长的光源；另外光源还必 须通过反射镜和透镜， 使光源发出的光转化成一束平行光，这样才能保证特征尺 寸的要求。 最广泛使用的曝光光源是高压汞灯，它所产生的光为紫外光（UV ） ，为获得 更高的清晰度， 光刻胶被设计成只与汞灯光谱中很窄一段波长的光（称为深紫外 区或 DUV ）反应。 除自之外，现今用的光源还有：准分子激光

4、器、X射线和电子束。一般的光化学过程如下：（1）引发反应产生激发态分子（A*）A（分子） +hvA* （2）A*离解产生新物质（C1，C2 ）A*C1+C2+ （3）A*与其它分子（B）反应产生新物质（D1，D2 ）A*+BD1+D2+ （4）A*失去能量回到基态而发光（荧光或磷光）A*A+hv（5）A* 与其它化学惰性分子（M ）碰撞而失去活性A*+M A+M 反应（ 1）是引发反应，是分子或原子吸收光子形成激发态A*的反应。 引发反应（ 1）所吸收的光子能量需与分子或原子的电子能级差的能量相适 应。物质分子的电子能级差值较大，只有远紫外光、紫外光和可见光中高 能部分才能使价电子激发到高能态

5、。即波长小于700 nm 才有可能引发光化 学反应。产生的激发态分子活性大，可能产生上述（2）（ 4）一系列复 杂反应。反应（2）和（ 3）是激发态分子引起的两种化学反应形式，其中 反应（ 2）于大气中光化学反应中最重要的一种，激发分子离解为两个以上 的分子、原子或自由基，使大气中的污染物发生了转化或迁移。反应（4） 和（ 5）是激发态分子失去能量的两种形式，结果是回到原来的状态。 如果分子中一对电子为自旋反平行，则S=0，M =1，这种态被称为单重态或 单线态，用S表示。大多数化合物分子处于基态时电子自旋总是成对的，所以是 单线态，用S0表示。在吸收光子后，被激发到空轨道上的电子，如果仍保持

6、自 旋反平行状态，则重度未变，按其能量高低可相应表示为S1态 S2态。 当处于 S0态的一对电子吸收光子受激后，产生了在两个轨道中自旋方向平 行的电子，这时S=1，M =3，这种状态称为三重态或三线态。因为在磁场中，电 子的总自旋角动量在磁场方向可以有三个不同值的分量，是三度简并的状态， 用 T表示。按能量高低可表示为T1, T2激发态。 在三重态中，处于不同轨道的两个电子自旋平行，两个电子轨道在空间的 交叠较少， 电子的平均间距变长， 因而相互排斥的作用减低， 所以 T 态的能量总 是低于相同激发态的S态能量。 经过曝光和曝光后烘焙之后，就可以进行显影。在显影过程中，正胶的曝 光区和负胶的非

7、曝光区的光刻胶在显影液中溶解，而正胶的非曝光区和负胶的曝 光区的光刻胶则不会在显影液中溶解。这样，曝光后的光刻胶层中形成的潜在图 形，显影后便显现出来，在光刻胶上形成三维图形，这一步骤成为显影。 正胶经过曝光以后成为羧酸，就可以被碱性的显影液中和，反应生成的胺 和金属盐可以快速溶解于显影液中。 非曝光区的光刻胶由于在曝光时并未发生光 化学反应，在显影时也就不存在这样的酸碱中和，因此非曝光区的光刻胶被保留 下来。经过曝光的正胶是逐层溶解的，中和反应只在光刻胶的表面进行，因此正 胶受显影液的影响相对较小。 对于负胶来说， 非曝光区的负胶在显影液中首先形 成凝胶体， 然后再分解掉， 这就使得整个的负胶层都被显影液浸透。在被显影液 浸透之后，曝光区的负胶将会膨胀变形。因此，相对于负胶来说，使用正胶可以 得到更高的分辨率。 为了提高分辨率， 目前每一种光刻胶几乎都配有专用的显影 液，以保证高质量的显影效果。