第3篇第八章光刻胶课件.ppt

1、微电子工艺原理与技术微电子工艺原理与技术 李李 金金 华华 第八章第八章 光光 刻刻 胶胶第三篇第三篇 单项工艺单项工艺2 2 主要内容主要内容1.1.光刻胶的类型；光刻胶的类型；2.DQN2.DQN正胶的典型反应；正胶的典型反应；3.3.对比度曲线；对比度曲线；4.4.临界调制函数临界调制函数5.5.光刻胶的涂敷和显影；光刻胶的涂敷和显影；6.6.二级曝光效应；二级曝光效应；先进光刻胶和光刻工艺。先进光刻胶和光刻工艺。1.1.光刻胶的类型光刻胶的类型 光学曝光过程中，为了将掩模上的图形转移到圆片上，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

2、照，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。的。该光敏物质称为光刻胶。酚醛树脂基化合物是酚醛树脂基化合物是IC制造中最常用的光刻胶的主要成制造中最常用的光刻胶的主要成分。分。胶中通常有三种成分，即树脂或基体材料、感光化合胶中通常有三种成分，即树脂或基体材料、感光化合物（物（PAC）、溶剂。）、溶剂。PAC是抑制剂，感光前，抑制光刻胶是抑制剂，感光前，抑制光刻胶在显影液中的溶解。感光后，起化学反应，增加了胶的溶在显影液中的溶解。感光后，起化学反应，增加了胶的溶解

3、速度。解速度。光刻胶分正胶和负胶。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。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。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。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（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是指排除光刻设备影响，能在光刻胶上再现的最

4、小特征尺寸。寸。正胶和负胶正胶和负胶 光刻胶是长链聚合物，光刻胶是长链聚合物，正胶在感光时，曝光对聚合物起正胶在感光时，曝光对聚合物起断链作用断链作用，使长链变短，使聚合物更容易在显影液中溶解。，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，使聚合物发生交联负胶在曝光后，使聚合物发生交联，在显影液中溶解变慢。，在显影液中溶解变慢。苯芳香族环烃苯芳香族环烃苯环苯环：六个排列成平面六角：六个排列成平面六角的的C C原子组成，每个原子组成，每个C C原子分原子分别与一个别与一个H H原子结合。原子结合。甲苯甲苯 氯苯氯苯萘萘苯环苯环聚乙烯聚乙烯支链聚合物支链聚合物交联交联2.DQN2.DQ

5、N正胶的典型反应正胶的典型反应 目前，常用的目前，常用的正胶正胶DQN是由感光剂是由感光剂DQ和基体材料和基体材料N组成组成。它适合于它适合于436nm的的g 线和线和365nm的的i 线曝光，不能用于极短线曝光，不能用于极短波长的曝光。波长的曝光。基体材料基体材料N是酚醛树脂是酚醛树脂，它是一种聚合物，单，它是一种聚合物，单体是一个带有两个甲基和一个体是一个带有两个甲基和一个OH的芳香环烃组成。酚醛树的芳香环烃组成。酚醛树脂易于溶解在含水溶液中。脂易于溶解在含水溶液中。正胶的溶剂通常是芳香烃化合正胶的溶剂通常是芳香烃化合物的组合，如二甲苯物的组合，如二甲苯和各种醋酸盐。和各种醋酸盐。正胶的感

6、光剂（正胶的感光剂（PAC）是重氮醌（是重氮醌（DQ）。它作为抑制剂，以十倍或更大的倍数降。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，低光刻胶在显影液中的溶解速度。曝光后，UV光子使氮分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，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子间的双化学键被一个单键和一个OH基替代，最

7、终形成羟基替代，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。除，而未曝光的正胶则全部保留。正胶的感光剂、基体结构正胶的感光剂、基体结构正胶的基体材料：正胶的基体材料：偏甲氧基酚醛树脂偏甲氧基酚醛树脂正胶的感光剂：正胶的感光剂：重氮醌（重氮醌（DQDQ）正胶的感光反应正胶的感光反应负胶的成分和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，如环化聚异戊二的聚合物。典型的负胶是叠氮感光胶，如环化聚

8、异戊二烯。在烯。在负胶曝光时，产生大量的交联聚合，成为互相连负胶曝光时，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。接的大树脂分子，很难在显影液中溶解。从而负胶的曝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。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：正胶与负胶的性能比较：1.1.显影液不易进入正胶的未曝光部分，正胶光刻后线条不变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，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。所以负胶不适合但易变形。所以负胶不适合2

9、.02.0微米以下工艺使用。正胶微米以下工艺使用。正胶是是ULSIULSI的主要光刻胶。的主要光刻胶。2.2.正胶的针孔密度低，但对衬低的粘附差，通常用正胶的针孔密度低，但对衬低的粘附差，通常用HMDSHMDS作增作增粘处理。负胶对衬底粘附好，针孔密度较高。粘处理。负胶对衬底粘附好，针孔密度较高。3.3.正胶耐化学腐蚀，是良好的掩蔽薄膜。正胶耐化学腐蚀，是良好的掩蔽薄膜。两种光刻胶的性能两种光刻胶的性能显影液：显影液：正胶：正胶：典型的正胶显影液为碱性水溶液，如：典型的正胶显影液为碱性水溶液，如：25%的四甲的四甲 基氢氧化氨基氢氧化氨TWAH-NH4（OH）4 水溶液。水溶液。负胶：负胶：典

10、型的负胶显影液为二甲苯。典型的负胶显影液为二甲苯。正胶和负胶的工艺温度：正胶和负胶的工艺温度：1.正胶正胶 前烘：前烘：90C，20分；坚膜：分；坚膜：130 C，30分。分。2.负胶负胶 前烘：前烘：85 C，10分；坚膜：分；坚膜：140 C，30分；分；过高的前烘温度，将会使光刻胶的光敏剂失效。过高的前烘温度，将会使光刻胶的光敏剂失效。两种光刻胶的性能两种光刻胶的性能3.3.对比度曲线对比度曲线 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。用和暗区能力的衡量标准。用D0表示光刻胶开始光化学反应表示光刻胶开始光化学反

11、应的曝光能量，的曝光能量，D100 表示所有光刻胶完全去除需要的最低曝光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：量。对比度定义为：)/Dlog(D10100 对比度越大，光刻后的线条边缘越陡。对比度越大，光刻后的线条边缘越陡。典型的光刻胶的对典型的光刻胶的对比度在比度在2-4。意味着。意味着D100比比D0大大101/3-101/2倍倍.其实，对一定的其实，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、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。曝光波长、圆片表面的反射率等情况改变。光刻工艺的任光刻工艺的任务就是调节工艺

12、条件，使一定的光刻胶具有最大的、最稳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。定的对比度。理想的对比度曲线理想的对比度曲线DQN正正胶的实测胶的实测对比度曲对比度曲线线1 1、2 2、3s 3s 曝光后的曝光后的剖面分布剖面分布简单的区简单的区域图象域图象光刻胶的吸收光刻胶的吸收 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。当曝光剂量大于的低曝光区和过渡区。当曝光剂量大于150J/cm2时，光刻胶时，光刻胶的剖面主要取决于光学图象及光在胶中的吸收，且剖面分布的剖面主要取决于光学图象及光在胶中的吸收，

13、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。选择在中高曝光量区域光刻。光在胶中的光在胶中的吸收服从指数规律吸收服从指数规律：为吸收系为吸收系数，数，z 为深度，为深度，D0与胶的厚度无关，与胶的厚度无关，D100反比与吸收率反比与吸收率A。z0eIIRT0oTI(z)dzIARTR是胶的厚度是胶的厚度吸收率吸收率A定义为：定义为：可以证明，对比度可以证明，对比度RT1 为无量纲常数为无量纲常数 可见，可见，对比度随胶的厚度增加而降低。所以为了获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

14、适当降低光刻胶的厚度得高的对比度，必须适当降低光刻胶的厚度，特别是在，特别是在特征尺寸很小的情况下。但是，特征尺寸很小的情况下。但是，光刻胶很薄时，台阶覆光刻胶很薄时，台阶覆盖会变差盖会变差，往往在为提高分辨率而降低胶的厚度时，要，往往在为提高分辨率而降低胶的厚度时，要全面兼顾。全面兼顾。光刻胶的吸收光刻胶的吸收 例例 题题 8.18.1 4.4.临界调制函数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：临界调制函数是光刻胶的另一个性能指标，定义为：01000100DDDDCMIF胶利用对比度公式可得：利用对比度公式可得：110110CMIF1/1/胶 CMIF的典型值约为的典型值

15、约为0.4。CMIF的作用是提供一个简的作用是提供一个简单的光刻胶的分辨率的试验。如果一个实象的单的光刻胶的分辨率的试验。如果一个实象的MIF小于小于CMIF，则其图象将不能被分辨。，则其图象将不能被分辨。如果实象的如果实象的MIF比比CMIF 大，则可能被分辨。大，则可能被分辨。例例 题题 8.28.2前烘前烘紫外光固胶，对离子注入需要紫外光固胶，对离子注入需要150-200C，30，N25.5.光光刻刻胶胶的的涂涂敷敷和和显显影影HMDS（六甲基二硅亚胺）（六甲基二硅亚胺）匀胶匀胶300-500rpm，5s +甩胶甩胶 3000-6000rpm，30s 90-100 C，10-30根据对比

16、度试验结果根据对比度试验结果一般不做，但可增加对比度一般不做，但可增加对比度1-2，注意显影液浓度的改变，注意显影液浓度的改变和温度的恒定和温度的恒定130-140 C，30，考虑回流，考虑回流前烘条件控制的重要性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。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。浓度。通常，前烘温度低或时间短，会使胶有高的感光度，也会通常，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

17、平坦、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（不陡直。而高温前烘能使胶中的感光剂（PACPAC）开始光化学）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，须严格控制前烘温度和时间。事实上，前烘工艺的目标是通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。合适工艺条件。通常，典型的前烘温度是通常，典型的前烘温度是90-100 90-100 C C，时间从用热板烘

18、烤的，时间从用热板烘烤的3030秒到用烘箱的秒到用烘箱的10-3010-30分。分。前烘后在胶中留下的溶剂浓度只有初始浓度的前烘后在胶中留下的溶剂浓度只有初始浓度的5%5%前烘前烘+曝光后烘烤对对比度的影响曝光后烘烤对对比度的影响 坚膜温度对坚膜温度对显影后光刻胶显影后光刻胶台阶的影响台阶的影响光刻胶的涂敷和显影设备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；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

19、自动完成。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。显影时，显影液喷布整个圆片，不会有浓度改变问题。6.6.二级曝光效应二级曝光效应 所谓二级曝光效应实际上指由于胶对不同波长光的吸收，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。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，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

20、光被吸收，需要很长的曝光时间。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。选择对所用光线有合适吸收系数的胶，对光刻质量很重要。苯醌的好处是对苯醌的好处是对g g 和和i i线吸收很好，但对中紫外和可见光吸线吸收很好，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。典型的收很差，光刻甚至可以在可见光下完成。典型的DQDQ感光剂对感光剂对深紫外的吸收不好。深紫外的吸收不好。树脂对光的吸收不会使树脂对光的吸收不会使PACPAC发生光化学反应，而树脂对发生光化学反应，而树脂对深紫外光的吸收很好，所以，深紫外光的吸收很好，所以，DQNDQN胶不适合低于胶不适合低于250nm250nm深紫深紫外光的使用。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。高度的影响，但工艺复杂。台阶对光刻的影响台阶对光刻的影响作业：作业：P200 1 1