光学投影平版印刷与光致抗蚀剂

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,光学投影平版印刷与光致抗蚀剂,引言,1,、光学投影平版印刷术,集成电路的诞生与摩尔定律；,光学投影平版印刷术原理与工艺；,光学投影平版印刷术材料与功能；,2,、光致抗蚀剂,成膜树脂；,光敏化合物,溶剂与添加剂,3,、化学增幅抗蚀剂,原理,光致产酸剂,4,、提高分辨率的途径,5,、光学投影平板印刷的极限,结束语,光学投影平版印刷与光致抗蚀剂,引言,晶体管引起的技术革命,集成电路；,半导体工业；,信息（,IT),产业,超净高纯电子化学品。,光学投影平版印刷与光致抗蚀剂,一、光学平板印刷术,集成电路的诞生：,1947,年,William Shockley,John Bardeen,和,Walter Brattain,（,Bell,实验室）,；晶体管,1956,年,诺贝尔奖,1959,年,Jach Kilby/Robert Noyce,摩尔（,Moore),定律：芯片集成度每,18,个月翻一番；器件尺寸每,3,年缩小,0.7,倍；,摩尔定律的幕后推手：光刻技术,利用光致抗蚀剂（或称光刻胶）感光后因光化学反应而形成溶解性不同的特点，将掩模板上的图形刻制到被加工表面上。,光学投影平版印刷与光致抗蚀剂,一、光学平板印刷术,光学投影平版印刷术原理与工艺,平板印刷概念,被印物与底板或非印物同在一个平面上；印刷时，底板以水浸湿，利用油水不沾原理，以油墨将印物印刷；,光学投影平版印刷,将通过掩膜的光图案，经过光学系统，投影在涂有光致抗蚀剂的晶片上，后者发生内部反应后，经显影，刻蚀后，将掩膜图案留在晶片上,一、光学平板印刷术,光学投影平版印刷与光致抗蚀剂,一、光学平板印刷术,光学投影平版印刷术原理,光学投影平版印刷与光致抗蚀剂,一、光学平板印刷术,光学投影平版印刷术工艺,利用旋涂工艺将光致抗蚀剂均匀旋涂在底板或硅片上；,套准曝光,将掩膜套准已旋涂了光致抗蚀剂的底板或硅片并曝光。,显影,用显影液浸泡，光致抗蚀剂的曝光部分被溶解掉；,刻蚀，转移,腐蚀液继续作用于显露出的底板或硅片，将图形转移到底板或硅片上；,剥去未感光的抗蚀基层。,光学投影平版印刷与光致抗蚀剂,一、光学平板印刷术,光学投影平版印刷术原理与工艺,学投影光平版印刷与光致抗蚀剂,学投影光平版印刷与光致抗蚀剂,光学投影平版印刷与光致抗蚀剂,一、光学平板印刷术,光学投影平版印刷术材料与功能,1,、,底板或硅片或称硅圆片,（,wafer,）；光学投影平版印刷的承接物,通过刻蚀，在硅片上生成集成电路；,光学投影平版印刷与光致抗蚀剂,光学投影平版印刷与光致抗蚀剂,一、光学平板印刷术,光学投影平版印刷术材料与功能,2,、光致抗蚀剂,（,photoresist,）,又称光刻胶。它是由一种成膜聚合物与一种光敏化合物（,phtosensitive compound,）加溶剂溶解配制而成。在紫外光作用下，光敏化合物与聚合物反应或增加其在碱性溶液（显影液）中的溶解度被洗掉（正型聚合物）；或增加其交联度，不能被非极性溶剂溶掉而留下（负型聚合物），从而将掩膜上的图案转移到硅片上。,光学投影平版印刷与光致抗蚀剂,一、光学平板印刷术,光学投影平版印刷术材料与功能,3,、掩膜,(ph0tomusk),由透光衬底材料，即石英玻璃和不透光的金属铬吸收材料组成。其中铬被安置成要被转移的半导体图案,(pattern).,当紫外光照射时，光从透光的石英玻璃穿过，对其下的光抗蚀剂曝光,光学投影平版印刷与光致抗蚀剂,一、光学平板印刷术,光学投影平版印刷的指标要求,1,、分辨率（,resolution,）,：指光刻系统所能分辨和加工的最小线宽；分辨率越高，则可加工的线宽就越细；芯片上的晶体管数目就可能越多；,2,、焦深（,depth of focus,）,:,指投影光学系统可清晰成像的尺度或距离；距离越短，则图案可缩小的倍数越大，可以把更多的图案投影、浓缩到晶片上；,3,、关键尺寸（,critical dimension,）,的控制：控制精确方可保证集成电路的性能。这与光刻胶材料的组成与性质；曝光加工工艺等紧密相关；,光学投影平版印刷与光致抗蚀剂,一、光学平板印刷术,光学投影平版印刷的指标要求,4,、对准和套刻（,alignment and overlay,）精度,：即在掩膜上安置铬金属图案时要控制精确；将掩膜套住或罩住硅片时同样要求十分精确。,5,、产出（,throughout,）,：集成电路的发展轨迹就是两高一低，即高集成度，高产出和低成本。投影曝光工艺占整个硅片制造工艺的制造时间的,40%-60%,；成本占,1/3,！因此十分重视高产出。,光学投影平版印刷与光致抗蚀剂,二、光致抗蚀剂,光致抗蚀剂,又叫光刻胶；是一种物质，经过曝光后，曝光部分内部发生反应，可被碱性溶液溶去或被非极性溶剂留下的一类物质；它由成膜树脂，光敏化合物和溶剂及添加剂（表面活性剂）组成。它分正型和负型，正型抗蚀剂在曝光后，曝光部分可被碱液溶去；负型在曝光后可被非极性溶剂留下，实现显影。,对光致抗蚀剂的要求：对曝光光源敏感但不吸收；可显影；有阻容性（反差或对比度好）。,光学投影平版印刷与光致抗蚀剂,光学投影平版印刷与光致抗蚀剂,光学投影平版印刷与光致抗蚀剂,二、光致抗蚀剂,成膜树脂,对曝光光源波长的光不吸收；,可溶于有机溶剂；,可显影；,抗蚀性；,高的玻璃化温度（,130-170,）；,与基片有较好的粘结力。,光学投影平版印刷与光致抗蚀剂,光学投影平版印刷与光致抗蚀剂,二、光致抗蚀剂,感光剂,又称光敏化合物：曝光后能分解产生活性物质，该活性物质与成膜树脂发生反应，使其溶解性能发生变化的物质。,在正型抗蚀剂中，在,248nm,曝光波长之前为酮类，醌类；在,248nm,曝光波长以下为产酸剂；,在负型抗蚀剂中，为自由基发生剂，如叠氮化合物,光学投影平版印刷与光致抗蚀剂,二、光致抗蚀剂,溶剂,常用的有机溶剂，多见“双亲”溶剂，,如 乙二醇单乙醚,；,丙二醇单甲醚,/,与乙酸酯乙酯（,1:1,）混合溶剂,对成膜树脂不产生溶胀效应；,前烘时，能全部整除。,添加剂,改进树脂与基板的粘结性能或改进其溶解性能；如表面活性剂或键合剂,光学投影平版印刷与光致抗蚀剂,三、化学增幅抗蚀剂,问题的提出：分辨率不断提高,抗蚀剂对曝光波长的吸收,聚羟基苯乙烯树脂,光敏树脂,1987,年,IBM,公司 伊藤：光致产酸剂（,photoacid generator),光学投影平版印刷与光致抗蚀剂,三、化学增幅抗蚀剂,反应机理,光学投影平版印刷与光致抗蚀剂,三、化学增幅抗蚀剂,成膜树脂,248nm,：聚对羟基苯乙烯及其衍生物；,193nm:,聚酯环族丙烯酸酯及其共聚物；,改变极性基团,提供可粘性,光学投影平版印刷与光致抗蚀剂,三、化学增幅抗蚀剂,成膜树脂,改变酸敏部分：提供成像能力和抗蚀性,光学投影平版印刷与光致抗蚀剂,三、化学增幅抗蚀剂,成膜树脂,光学投影平版印刷与光致抗蚀剂,三、化学增幅抗蚀剂,光致产酸剂,光学投影平版印刷与光致抗蚀剂,三、化学增幅抗蚀剂,光致产酸剂,苯环被稠环替代；,产酸效率,光学投影平版印刷与光致抗蚀剂,三、化学增幅抗蚀剂,抗蚀剂的配制工艺,配方（,1,）组成：,成膜树脂,100%,N-,羟基马来海松酸酰亚胺磺酸酯产酸剂,5%,乙二醇单乙醚,适量,制作工艺：将配方量的成膜树脂和产酸剂加入计算量的乙二醇单乙醚中，搅拌溶解为溶液。待其充分溶解后，过滤；将适量滤饼离心旋涂于石英片上；将涂敷抗蚀剂的石英片置于,100,烘烤箱中，烘烤,2min;,膜厚约,0.4-0.6,m,。用所需紫外曝光光源测定该树脂模的紫外吸收光谱；,光学投影平版印刷与光致抗蚀剂,三、化学增幅抗蚀剂,抗蚀剂的配制工艺,配方（,2,）组成：,酰胺，酰亚胺共聚成膜树脂：,15-20%,；,2,1,5-,磺酰氯产酸剂,4.5%-6%,；,丙二醇单甲醚,/,与乙酸酯乙酯（,1:1,）混合溶剂,70%-80%,制作工艺：在避光条件下，将成膜树脂和产酸剂溶于混合溶剂中。充分溶解后，用,0.25,m,聚四氟乙烯超滤膜过滤两次；,0-5,冰箱密封避光保存。在旋涂转速条件下，将上述光刻胶均匀涂在单晶硅片上；于,90,，前烘,4min,测膜厚为,1,m,；,光学投影平版印刷与光致抗蚀剂,三、化学增幅抗蚀剂,抗蚀剂的配置环境,百级超净工房；,温度,23.0,0.5,；,湿度,45,2%,的条件中进行；,产品要密封包装，避光低温保存。,光学投影平版印刷与光致抗蚀剂,三、化学增幅抗蚀剂,光致抗湿剂的性能检测,以成膜树脂为例：,热稳定性与耐热性：,DSC,测试；,TDA,测试玻璃化温度；,溶解性与碱溶性：显影功能测试（按上述工艺成膜显影）；,成膜性与机械强度：膜厚，粘附力，机械强度测试；,TFA,等测厚仪；,微颗粒检测：,0.1,m,激光颗粒测定仪；,金属离子检测：电感耦合等离子质谱；,微量水分：微量水分测定仪,光学投影平版印刷与光致抗蚀剂,四、提高分辨率的途径,瑞利方程,R=K1,/NA,式中,R,；分辨率；,K1,：工艺因子；,:,曝光波的波长或称工作波长；,NA,：光学系统的数值孔径。,光学投影平版印刷与光致抗蚀剂,四、提高分辨率的途径,减小曝光波的波长,。这是业内目前采取的主要途径。例如为了获得高分辨率，即获得更细的电路线宽，已经由紫外的,g,线（,436nm,）,i,线,(365nm),到氟化氪（,248nm,）激光，氟化氩（,193nm,）激光并向,F2,准分子激光推进。由于光通过掩膜后，被光学系统将图像缩小,例如,4,倍，因此，实际成像，以,248nm,光为例，即为为,62nm,。,降低工艺因子,K1,.,这与各工艺参数，包括光刻胶，掩膜制作，套准工艺等密切相关；,增大数值孔径,，即改进光学系统的缩小倍数。,光学投影平版印刷与光致抗蚀剂,五、光学投影曝光波长平板印刷的极限,曝光波长不断变小出现的问题,更短波长的光源；,193nm;153nm;.,新的透镜材料；难找到对光波不吸收的材料,更高数字孔径光学系统：难以加工,光学投影曝光波长平板印刷的极限：,0.07,m,193nm,的极限分辨率：,0.1,m,157nm,的极限分辨率：,0.07,m,下一代光刻技术（,next generation lithography):x,射线；极紫外；电子束；离子束投影光刻,光学投影平版印刷与光致抗蚀剂,结束语,我们面对着一门庞大的化工产业：超净高纯电子化学品,它包括,抗蚀剂或光刻胶；,各种酸，如盐酸，硫酸，硝酸，磷酸，氢氟酸,各种碱，如氢氧化钠，氢氧化钾,各种氧化剂，如过氧化氢,各种溶剂，如水，甲醇，乙醇，异丙醇,光学投影平版印刷与光致抗蚀剂,结束语,它的市场,电子化学品市场,2010,年我国电子化学品市场规模为,200,亿元人民币；,吨位需求量大于,50000,吨,/,年；,以酸类中的磷酸,硝酸,醋酸来说,如能在,”12.5”,末期能实现部分替代,就有约,20,亿美元的产值。,利润空间,以磷酸为例,目前工业级产品市场价为,3800,元,/,吨，而低端电子级磷酸市场价为,800012000,元,/,吨，高端电子级磷酸市场价更是高达,30000,元,/,吨以上，即产值提升,8,10,倍！,光学投影平版印刷与光致抗蚀剂,结束语,它的市场,随着中国集成电路产业的快速发展，对光刻胶的需求量也与日俱增。,据统计中国目前,8,英寸硅片集成电路生产厂家建成和在建共,19,家，产能,44.2,万片,/,月,需用,248nm,光刻胶约,530,吨,/,年，市值,12,亿元,/,年，,光学投影平版印刷与光致抗蚀剂,结束语,它的门槛,由于本土公司在高档光刻胶上的薄弱现状使得形势十分严峻,国产高档光刻胶研究多而投产少，目前处于起