微细加工与MEMS技术8光刻胶

一 、 光 刻 胶 的 类 型 凡 是 在 能 量 束 （ 光 束 、 电 子 束 、 离 子 束 等 ） 的 照 射 下 ， 以交 联 反 应 为 主 的 光 刻 胶 称 为 ， 简 称 。 凡 是 在 能 量 束 （ 光 束 、 电 子 束 、 离 子 束 等 ） 的 照 射 下 ， 以降 解 反 应 为 主 的 光 刻 胶 称 为 ， 简 称 。 光 刻 胶 也 称 为 （ Photoresist， P. R.） 。 灵 敏 度 的 定 义 单 位 面 积 上 入 射 的 使 光 刻 胶 全 部 发 生 反 应 的 最 小 光 能 量 或最 小 电 荷 量 （ 对 电 子 束 胶 ） ， 称 为 光 刻 胶 的 灵 敏 度 ， 记 为 S ，也 就 是 前 面 提 到 过 的 D100 。 S 越 小 ， 则 灵 敏 度 越 高 。 灵 敏 度 太 低 会 影 响 生 产 效 率 ， 所 以 通 常 希 望 光 刻 胶 有 较 高的 灵 敏 度 。 但 灵 敏 度 太 高 会 影 响 分 辨 率 。 灵 敏 度 曲 线 （ 对 比 度 曲 线 ）1.00.50 D0 入 射 剂 量（ C/cm2）未 反 应 的 归 一 化 膜 厚 D100 下 面 讨 论 分 辨 率 与 灵 敏 度 的 关 系 。 当 入 射 电 子 数 为 N 时 ，由 于 随 机 涨 落 ， 实 际 入 射 的 电 子 数 在 范 围 内 。 为 保 证出 现 最 低 剂 量 时 不 少 于 规 定 剂 量 的 90%， 也 即 。由 此 可 得 。 因 此 对 于 小 尺 寸 曝 光 区 ， 必 须 满 足NN %10NN100 min N 2min minminmin ( ) 10S W Nq qN qW S S 光 刻 工 艺 中 影 响 分 辨 率 的 因 素 有 ： 和 （ 包 括 灵 敏 度 、 对 比 度 、 颗 粒 的 大 小 、 显 影 时 的 溶 胀 、电 子 散 射 等 ） 。 式 中 ， Wmin 为 最 小 尺 寸 ， 即 分 辨 率 。 可 见 ， 例 如 ， 负 性 电 子 束 光 刻 胶 COP 的 S = 0.3 10-6 C/cm2， 则其 Wmin = 0.073 m 。 若 其 灵 敏 度 提 高 到 S = 0.03 10-6 C/cm2 ，则 其 Wmin 将 增 大 到 0.23 m 。 minmin 10qN qW S S 对 比 度 是 上 图 中 对 数 坐 标 下 曲 线 的 斜 率 ， 表 示 光 刻 胶 区 分掩 模 上 亮 区 和 暗 区 的 能 力 的 大 小 ， 即 对 剂 量 变 化 的 敏 感 程 度 。11000lg DD D0 D100 对 比 度 的 定 义 为D cr D100D0 灵 敏 度 曲 线 越 陡 ， D0 与 D100 的 间 距 就 越 小 ， 则 光 刻 胶 的 对比 度 就 越 大 ， 这 样 有 助 于 得 到 清 晰 的 图 形 轮 廓 和 高 的 分 辨 率 。一 般 光 刻 胶 的 对 比 度 在 0.9 2.0 之 间 。 对 于 亚 微 米 图 形 ， 要 求 对比 度 大 于 1。 D0 D10011000lg DD 光 进 入 光 刻 胶 后 ， 其 强 度 按 下 式 衰 减 0( ) e zI z I 式 中 ， 为 光 刻 胶 的 光 吸 收 系 数 。 设 TR 为 光 刻 胶 的 厚 度 ， 则 可定 义 光 刻 胶 的 为 R R00 0 R R( ) d 1 e1T TI I z zA I T T 可 以 证 明 ， 对 比 度 与 光 吸 收 系 数 及 光 刻 胶 厚 度 TR 之 间有 如 下 关 系 R1 T 一 个 与 对 比 度 有 关 的 光 刻 胶 性 能 指 标 是 ， 它 代 表 在 光 刻 胶 上 获 得 能 被 分 辨 的 图 形 所 必 须 的 最 小调 制 传 输 函 数 ， 其 定 义 为 100 0100 0CMTF D DD D 1110 1CMTF 10 1 利 用 对 比 度 的 公 式 ， 可 得 CMTF 的 典 型 值 为 0.4。 如 果 光 学 系 统 的 MTF 小 于 CMTF，则 其 图 像 就 不 能 被 分 辨 ； 如 果 光 学 系 统 的 MTF 大 于 CMTF， 就有 可 能 被 分 辨 。 1、 负 性 紫 外 光 光 刻 胶 主 要 有 聚 肉 桂 酸 系 （ 聚 酯 胶 ） 和 环 化 橡 胶 系 两 大 类 ， 前 者以 柯 达 公 司 的 K PR 系 列 为 代 表 ， 后 者 以 OMR 系 列 为 代 表 。 2、 正 性 紫 外 光 光 刻 胶 主 要 以 重 氮 醌 为 感 光 化 合 物 ， 以 酚 醛 树 脂 为 基 体 材 料 。 最常 用 的 有 AZ 1350 系 列 。 正 胶 的 主 要 优 点 是 分 辨 率 高 ， 缺 点 是灵 敏 度 、 耐 刻 蚀 性 和 附 着 性 等 较 差 。 光 刻 胶 通 常 有 三 种 成 分 ： 感 光 化 合 物 、 基 体 材 料 和 溶 剂 。在 感 光 化 合 物 中 有 时 还 包 括 增 感 剂 。 3、 负 性 电 子 束 光 刻 胶 为 含 有 环 氧 基 、 乙 烯 基 或 环 硫 化 物 的 聚 合 物 。 最 常 用 的 是COP 胶 ， 典 型 特 性 ： 灵 敏 度 0.3 0.4 C/cm2（ 加 速 电 压 10K V 时 ） 、 分 辨 率 1.0 m 、 对 比 度 0.95。 限 制 分 辨 率 的 主 要 因 素 是光 刻 胶 在 显 影 时 的 溶 胀 。 4、 正 性 电 子 束 光 刻 胶 主 要 为 甲 基 丙 烯 甲 酯 、 烯 砜 和 重 氮 类 这 三 种 聚 合 物 。 最 常用 的 是 PMMA 胶 ， 典 型 特 性 ： 灵 敏 度 40 80 C/cm2（ 加 速 电压 20 K V 时 ） 、 分 辨 率 0.1 m 、 对 比 度 2 3 。 PMMA 胶 的主 要 优 点 是 分 辨 率 高 。 主 要 缺 点 是 灵 敏 度 低 ， 此 外 在 高 温 下 易流 动 ， 耐 干 法 刻 蚀 性 差 。 化 学 反 应 速 度 k 可 表 示 为 Aexp Ek A RT 感 光 物 质 的 电 子 在 未 曝 光 时 处 于 基 态 S0 ， 基 态 的 反 应 激 活能 EA 大 ， 因 此 反 应 慢 。 曝 光 后 ， 感 光 物 质 的 电 子 处 于 激 发 态 S1 、 S2 、 S3 等 ， 激 发 态 的 EA 小 ， 因 此 反 应 变 快 。式 中 ， A 、 R 为 常 数 ， T 为 绝 对 温 度 ， EA 为 化 学 反 应 激 活 能 ，随 电 子 状 态 的 不 同 而 不 同 。 EA 越 小 ， 则 在 同 样 的 温 度 下 反 应速 度 越 快 。 可 以 借 助 于 感 光 物 质 的 势 能 曲 线 来 讨 论 光 化 学 反 应 。 下 图是 重 氮 基 萘 的 RN - N2 切 断 反 应 的 势 能 曲 线 。S 0 S1S2S3 T188K cal 72K cal EA(S1) = 16K calEA(S0) = 38K cal RN 与 N2 的 间 距势能 感 光 分 子 吸 收 = 365 nm 的 光 能 （ 72 K cal ） 后 ， 电 子 从 基态 S0 跃 迁 到 第 一 激 发 态 S1 ， 激 活 能 由 EA(S0) = 38 K cal 降 为 EA(S1) = 16 K cal ， 反 应 速 度 加 快 。 感 光 分 子 吸 收 = 300 nm 的 光 能 （ 88 K cal） 后 ， 电 子 跃 迁到 第 二 激 发 态 S2 ， 此 态 的 谷 底 势 能 恰 好 与 S1 态 当 RN - N2 分 解时 的 势 能 相 当 ， 且 S2 与 S1 态 的 曲 线 在 图 左 侧 有 相 交 之 处 ， 因 此电 子 可 从 S2 态 跃 迁 到 S1 态 并 立 即 反 应 。 所 以 用 = 300 nm 的 光曝 光 比 用 = 365 nm 的 反 应 速 度 快 。 在 重 氮 基 萘 中 还 存 在 着 三 重 态 T1 。 由 T1 态 的 曲 线 可 见 ，RN-N2 的 距 离 越 远 ， 分 子 的 势 能 越 低 ， 所 以 处 于 T1 态 的 分 子 将立 即 发 生 反 应 而 不 需 激 活 能 。 由 于 T1 态 曲 线 与 所 有 单 重 激 发 态的 曲 线 在 谷 底 附 近 相 交 ， 所 以 进 入 单 重 激 发 态 的 电 子 还 可 以 通过 向 T1 态 跃 迁 而 使 感 光 物 分 子 立 即 发 生 化 学 反 应 ， 从 而 使 反 应速 度 大 大 加 快 。 这 种 作 用 称 为 “ 三 重 态 增 感 ” 。 T1 本 节 简 要 介 绍 光 刻 工 艺 中 除 曝 光 与 刻 蚀 以 外 的 工 序 。 1、 脱 水 烘 烤 目 的 是 去 除 硅 片 表 面 吸 附 的 水 分 。 也 可 利 用 前 面 的 氧 化 或扩 散 工 艺 来 实 现 。 2、 增 粘 处 理 在 烘 烤 后 的 硅 片 表 面 涂 一 层 六 甲 基 二 硅 亚 胺 （ HMDS） ，目 的 是 增 加 硅 片 表 面 与 光 刻 胶 的 粘 附 性 。 可 采 用 蒸 汽 涂 布 法 ，也 可 采 用 旋 涂 法 。 3、 涂 胶 一 般 采 用 旋 涂 法 。 涂 胶 的 关 键 是 控 制 胶 膜 的 厚 度 与 膜 厚 的均 匀 性 。 胶 膜 的 厚 度 决 定 于 光 刻 胶 的 粘 度 和 旋 转 速 度 。3) 甩 掉 多 余 的 胶 4) 溶 剂 挥 发1) 滴 胶 2) 加 速 旋 转 4、 前 烘 （ 软 烘 ） 目 的 是 增 强 光 刻 胶 与 硅 片 的 粘 附 性 ， 去 除 光 刻 胶 中 的 大 部分 溶 剂 ， 促 进 光 刻 胶 的 均 匀 性 和 稳 定 性 。 5、 曝 光 6、 曝 光 后 的 烘 焙 对 紫 外 线 曝 光 可 不 进 行 ， 但 对 深 紫 外 线 曝 光 则 必 须 进 行 。 7 、 显 影 将 曝 光 后 的 硅 片 用 显 影 液 浸 泡 或 喷 雾 处 理 。 对 负 胶 ， 显 影液 将 溶 解 掉 未 曝 光 区 的 胶 膜 ； 对 正 胶 ， 显 影 液 将 溶 解 曝 光 区 的胶 膜 。 几 乎 所 有 的 正 胶 都 使 用 碱 性 显 影 液 ， 如 K OH 水 溶 液 。 显 影 过 程 中 光 刻 胶 膜 会 发 生 膨 胀 。 正 胶 的 膨 胀 可 以 忽 略 ，而 负 胶 的 膨 胀 则 可 能 使 图 形 尺 寸 发 生 变 化 。 显 影 过 程 对 温 度 非 常 敏 感 。 显 影 过 程 有 可 能 影 响 光 刻 胶 的对 比 度 ， 从 而 影 响 光 刻 胶 的 剖 面 形 状 。 显 影 后 必 须 进 行 严 格 的 检 查 ， 如 有 缺 陷 则 必 须 返 工 。 自 动 显 影 检 查 设 备 10、 去 胶 9、 刻 蚀 8、 后 烘 （ 硬 烘 、 坚 膜 ） 目 的 是 使 胶 膜 硬 化 ， 提 高 其 在 后 续 工 序 中 的 耐 腐 蚀 性 。 1、 在 选 择 光 刻 胶 时 ， 必 须 考 虑 它 的 吸 收 谱 ， 以 及 在 特 定波 长 下 的 光 学 吸 收 系 数 。 2、 还 要 考 虑 基 体 材 料 对 光 的 吸 收 。 例 如 酚 醛 树 脂 就 对 深紫 外 光 有 很 强 的 吸 收 。 被 基 体 材 料 吸 收 的 光 到 达 不 了 感 光 化 合物 ， 从 而 影 响 光 刻 胶 的 灵 敏 度 。 0( ) e zI z I 可 知 ， 当 太 大 时 ， 则 只 有 光 刻 胶 的 顶 部 能 被 有 效 曝 光 ； 当 太小 时 ， 则 由 于 吸 收 太 少 而 需 要 长 时 间 的 曝 光 。由 下 式 3、 当 硅 片 表 面 凹 凸 不 平 时 ， 遇 到 的 第 一 个 问 题 是 硅 片 表面 倾 斜 的 台 阶 侧 面 会 将 光 反 射 到 不 希 望 曝 光 的 区 域 。 第 二 个 问题 是 使 胶 膜 的 厚 度 发 生 变 化 ： 在 硅 片 表 面 凹 下 处 胶 膜 较 厚 ， 导致 曝 光 不 足 ； 在 硅 片 表 面 凸 起 处 胶 膜 较 薄 ， 导 致 曝 光 过 度 。 胶膜 厚 度 的 不 同 还 会 影 响 对 比 度 。 解 决 这 个 问 题 的 办 法 是 表 面 平 坦 化 。 随 着 线 条 宽 度 的 不 断 缩 小 ， 为 了 防 止 胶 上 图 形 出 现 太 大 的深 宽 比 ， 提 高 对 比 度 ， 应 该 采 用 很 薄 的 光 刻 胶 。 但 薄 胶 会 遇 到耐 腐 蚀 性 的 问 题 。 由 此 开 发 出 了 ， 这 也 是 所 谓 的 组 成 部 分 。 顶 层 胶 ： 含 硅 ， 厚 约 0.25 m 底 层 胶 ： 也 称 为 干 显 影 胶 ， 厚约 0.5 m 对 顶 层 胶 曝 光 显 影对 底 层 胶 作 含 氧 的 RIE 刻 蚀 据 报 导 ， 采 用 193 nm 波长 光 源 ， 在 底 层 胶 上 获 得 了 0.15 m 0.12 m 宽 的 线 条 。用 CF4 RIE 法 刻 蚀 掉 0.23 m 厚 的 多 晶 硅 后 ， 还 有 约 50% 的 底 层 胶 保 留 下 来 。 本 章 首 先 介 绍 了 光 刻 胶 的 类 型 与 特 性 ， 重 点 讨 论 了 光 刻 胶的 灵 敏 度 、 分 辨 率 、 对 比 度 及 其 相 互 关 系 。 通 过 正 胶 的 典 型 反应 和 势 能 曲 线 ， 说 明 了 光 刻 胶 的 光 化 学 反 应 过 程 和 增 感 作 用 。介 绍 了 涉 及 光 刻 胶 的 工 艺 步 骤 。 最 后 介 绍 了 双 层 光 刻 胶 技 术 。 光 刻 胶 的 D0 = 40mJ/cm2， D100 = 85mJ/cm2， 试 计算 这 光 刻 胶 的 对 比 度 与 CMTF。 当 这 光 刻 胶 的 厚 度 减 薄 一半 时 ， 其 D100 减 到 70mJ/cm2， 而 D0 则 不 变 ， 这 时 其 对 比 度 变为 多 少 ？ 设 某 电 子 束 光 刻 胶 的 灵 敏 度 S = 0.3 C/cm2 ， 这 意 味 着在 ( 0.01 m )2 的 面 积 上 只 需 多 少 个 电 子 照 射 ？ 在 ( Wmin )2 的 面积 上 又 需 多 少 个 电 子 照 射 ？ 这 个 结 果 对 提 高 光 刻 胶 的 灵 敏 度 和曝 光 效 率 有 什 么 指 导 意 义 ？