（微电子学与固体电子学专业论文）su8胶光刻模拟.pdf

摘要 采用s u 8 胶的u v 光刻技术是制造m e m s 的重要微细加工技术之一。s o 8 胶克服了普通光刻胶深宽 比不足的问题，同时也克服了l i g a 技术中x 射线光源极为昂贵的问题，适合于制造超厚、高深宽比m e m s 微结构。近几年，基于s u 8 胶的倾斜u v 光刻技术也得到了飞速发展。通过倾斜掩模版和光刻胶平台， 可以制造倾斜结构。 通过大量重复性实验寻求器件或结构的最佳工艺参数代价昂贵、周期长、不确定因素多，而且难以对 光刻过程的机理准确理解。工艺模拟则很好地弥补了实验的不足，同时也方便设计者对设计的审查与改进， 工艺模拟软件成为制造者与设计者之间的桥梁。 本文所研究的s u 8 胶光刻模型，选取菲涅耳基尔霍夫衍射公式作为建模的理论依据，通过菲涅 耳近似，建立了适于计算垂直u v 光刻的光强分布模型。在建模过程中充分考虑了曝光过程中空气恍刻胶 界面的折射和能量损失、光刻胶，衬底界面的反射以及u v 光在s u 8 胶中的衰减等因素。针对三维垂直光 刻中计算数据量大、计算速度缓慢、精度不高等问题，提出了利用掩模孔细化的思想来提高模型精度；利 用精确定位实际计算区域的方法来提高计算速度和效率。本文还利用垂直u v 光刻模型，分析了丙三醇补 偿方法的物理原理，同时也验证了本文所建的垂直u v 光刻模型的正确性和实用性。 目前国内外倾斜u v 光刻模拟尚属于探索性研究，本文针对倾斜u v 光刻模型和模拟，在垂直u v 光 刻光强分布模型的基础上，利用旁轴近似技术，首次提出了一种新颖而方便的倾斜u v 光刻光强分布模型。 文中详细阐述了在建模过程中对空气光刻胶界面的反射折射、光刻胶衬底界面的反射、u v 光在s u 一8 胶 中的衰减等因素的处理方法。 本文还给出了光强分布模拟结果和完整的系统模拟结果，同时考虑了空气间隙厚度、入射光倾斜角、 衬底反射率等因素对结果的影响。进行了基于s u 8 胶的垂直u v 光刻和倾斜u v 光刻的实验，将模拟结 果与实验结果进行比较分析，验证了本系统的正确性和实用性。另外在倾斜u v 光刻实验过程中，采用一 些特殊的曝光方式，制造了一些特殊的结构，为器件和结构的设计提供了有益的帮助。 关键字：s u 8 胶，u v - l i g a ，倾斜u v 光刻，菲涅耳衍射，旁轴近似，工艺模拟 a b s t r a c t u vl i t h o g r a p h yw i t hs u - 8p h o t o r e s i s ti sa ni m p o r t a n tm i o r o m a c h i n i n gt e c h n o l o g yt of a b r i c a t em e m s t h e s u - 8p h o t o r e s i s to v e l v a 3 m e 8t h es h o r t a g eo fo r d i n a r yp h o t o r e s i s ti nh i g h - a s p e c t - r a t i o ，a n da l s oo v o r c , o m e 8t h e p r o b l e mt h a tx - r a ys o u r c ei se x t r e m e l ye x p e n s i v ei nl i g at e c h n o l o g y i ti ss u i t a b l ef o rp r o d u c i n gt h et h i c ka n d h i g h - a s p e c t - r a t i om e m ss t r u c t u r eu s i n gt h es u - 8p h o t o r e s i s l i nr e c e n ty e a r s ，i n c l l i n e du vf i t h o g r a p h y t e c h n o l o g yb a s e d0 1 1t h es u - 8p h o t o r e s i s th a sb e e nd e v e l o p e dr a p a l l y i n c l i n e ds l r u c t u r e sc a nb ef a b r i c a t e db y m e a n so ft i l t i n gt h ee x p o s a lp l a t f o r m t h eo p t i m u mp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sf o rs o m ek i n d so f d e v i c eo rs t r u c t u r e 玳u s u a l l yo b t a i n e db yv a s tr e p e a t e d e x p e r i m e n t sw h i c ha r ec o s i l y , l o n g - t e r m , a n du n c e r t a i n m o r e o v e r , i ti s d i f f c u l tt oa c c u r a t e l yu n d e r s t a n dt h e l i t h o g r a p h i cp r o c e s sm e c h a n i s m p r o c e s s i n gs i m u l a t i o ni sg o o dt om a k eu pf o rt h es h o r t c o m i n g so f t h ee x p e r i m e n t , a n da l s oh e l p st h ed e s i g n e r sr e v i o wa n di m p r o v et h ed e s i g n p r o c e s s i n gs i m u l a t i o ns o f t w a r eb o c o m e st h eb r i d g e b c t w q lt h em a n u f a c t u r e r sa n dd e s i g n e r s t h et h e o r e t i c a lb a s i so fs i m u l a t i o no f s u - 8p h o t o r e s i s tl i t h o g r a p h y 嬲w e l la st h ee x i s t i n gm o d e l sa r er e v i e w e d f i r s ti nt h i sd i s s e r t a t i o n a c c o r d i n gt ot h ec o m p a r a t i o n ，f r e s n e l - - k i r c h h o f fd i f f r a c t i o ne q u a t i o ni ss e l e c t e da st h e b a s i so ft h em o d e li nt h i sp a p e r t h el i g h ti n t e n s i t ym o d e lo fv e r t i c a lu v l i t h o g r a o p h yi se s t a b l i s h e db yf r e s n e l a p p r o x i m a t i o n t h er e f i a o t i o na n de n e r g yl o s sa tt h ea i r p h o t o r e s i s ti n t e r f a c e ，r e f l e c t i o na tt h ep h o t o r 妫i s t s u b s t r a t e i n t e r f a c e , t h ea t t e n u a t i o no fu vl i g h ti ns u - 8p h o t o r e s i s t , e t o h a v eb e e nc o n s i d e r e di nt h em o d e l i nv i e wo ft h e e n o l l n o u 8d a t aq u a n t i t y , s l o wc a l c u l a t i o ns p e e da n dl o wp r e c i s i o n ，s e g m e n t a t i o no fm a s ka p c r t l l r oi sp r o p o s e dt o i n c r e a s et h em o d e la c c u r a c y , a n dt h em e t h o do fl o c a t i n gt h ee f f e c t i v ec o m p u t a t i o nr e g i o ni sp r o p o s e dt or a i s et h e c o m p u t a t i o n8 p o o d f u r t h e r m o r e ，t h ep h y s i c a lp r i n c i p l eo fg l y c e r o lc o m p e n s a t i n gp r o c e s si sa n a l y z e db yt h e v e r t i c a lu vl i t h o g r a p h ym o d e l ，a n dt h ea c c u r a c ya n dp r a c t i c a l i t yo ft h ev e r t i c a lu vl i t h o g r a p h ym o d e la r e c o n f i r m e ds i m u l t a n e o u s l y a tp r e s e n t , t h ei n c l i n e du v l i t h o g r a p h ys i m u l a t i o ni su n d e rs t u d y i nt h i sd i s s e r t a t i o n , as i m p l ea n dn o v e ll i g h t i n t e n s i t yd i s t r i b u t i o nm o d e li sp r e s e n t e dt os i m u l a t et h ei n c l i n e du vl i t h o g r a p h yb a s e do nt h ev e r t i c a lu v l i t h o g r a p h yi n t e n s i t yd i s t r i b u t i o nm o d e la n dp a r a x i a la p p r o x i m a t i o nt e c h n i q u e aw a yt od e a lw i l ht h er e f l e c t i o n a n dr e f i - a c t i o na ta i r p h o t o r e s i s ti n t e r f a c e , r e f l e c t i o na tt h ep h o t o r e s i s t s u b s t r a t ei n t e r f a c e , t h ea t t e n u a t i o no fu v l i g h ti ns u - 8p h o t o r e s i s ti se l a b o r a t e di nd e t a i li nt h em o d e l i n gp r o c e s s i n t e n s i t yd i s t r i b u t i o ns i m u l a t i o nr e s u l t sa n di n t e g r a t e ds y s t e ms i m u l a t i o nr e s u l t sa r eg i v e n ，a n dt h i c k n e s so fa i r g a p ，i n c l i n e da n g l eo fi n c i d e n tl i g h t , r e f l e c t i v i t ya tt h ep h o t o r e s i s t s u b s t r a t ei n t e r f a c e ，e t c w e r ec o n s i d e r e di n s i m u l a t i o n i l lt h i sr e s e a r c h ，t h ee x p e r i m e n t sf o rv e r t i c a lu vl i t h o g r a p h ya n di n c l i n e du vl i t h o g r a p h yb a s e do nt h e s u - 8p h o t o r e s i s th a v eb e e nc a r r i e d0 1 1 a c c o r d i n gt ot h ec o m p a r i s o na n da n a l y s i st ot h es i m u l a t i o nr e s u l ta n dt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t , t h ea c c u r a c ya n dp r a c t i c a l i t yo fs i m u l a t i o ns y s t e ma 糟v e r i f i e d f u r t h e r m o r e , i nt h e e x p e r i m e n t sf o ri n c l i n e du vl i t h o g r a p h y , s o m es p 。c ：i a le x p o s u r em e t h o d sw o r et a k e nt of a b r i c a t e m es p i a l s t r u c t u r e s a n dt h e s ee x p e r i m e n t sc a np r o v i d eo a 梳i n s p i r a t i o na n dh e l pf o rt h ed e v i c ea n ds t r u c t u r ed e s i g n k e y w o r d s ：s u - 8p h o t o r e s i s t , u v - l i g a , i n c l i n e du vl i t h o g r a p h y , f r e s n e ld i f f r a c t i o n ，p a r a x i a la p p r o x i m a t i o n , p r o c e s s i n gs i m u l a t i o n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 一虢牲避 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 日期： 第一章绪论 第一章绪论 微机电系统( m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m s ，略记为删s ) 是指可以批量制作的，集微型机械、 微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的系统。微机电系统 可以分为几个独立的功能单元。其输入是物力信号，通过传感器转换为电信号，经过信号处理后，通过执 行器与外界作用。每一个微机电系统可以采用数字或模拟信号( 电、光、磁等物理量) 与其他微系统进行 通信。 微机电系统有许多独特的优点，如体积小、重量轻、性能稳定、可批量生产、性能一致性好、惯性小、 功耗低、谐振频率高、响应时间短等。 1 1 基于s u 8 胶的u v - l l g a 工艺 l i g a l l 1 】是德语l i 也o g 豫p h i e ( 光刻) 、g a l v a n o f o r m u n g ( 电铸) 、a b f o r m u n g ( 注塑) 三个词的缩写。l i g a 技 术是一种基于x 射线光刻技术的三维微结构制造工艺，主要包括：深刻蚀x 射线光刻、电铸及注塑复制三 道工序。其由两步关键工艺组成：首先利用同步辐射x 射线光刻技术制作所需图形，然后再用电铸方法制 出与光刻图形相反的金属模具，再利用微塑铸制备微结构。用l i g a 技术可以制造出高度为数百乃至1 0 0 0 微米、而宽度只有1 微米、形状精度达亚微米级的三维微结构。该项技术不仅可以制造硅结构，而且可加 工各种金属、合金、陶瓷、塑料及聚合物等材料。灵活运用电铸和注塑工艺，制造出一般工艺无法生产的 结构精细、表面光滑、高深宽比的微结构。 l i g a 技术需要昂贵的同步辐射x 射线源进行深层曝光，限制了l i g a 技术的研究和使用。因而探 索低成本高深宽比的准l i g a 技术成为微细加工研究领域的新热点，于是相继产生了u v - l i g a ， l a s e r - l i g a ，d e m 等准l i g a 技术。 u v - l i g a 技术适用于厚度适中的光刻胶，节省成本。u v - l i g a 工艺实际上是用深紫外光取代l i g a 工艺中的同步x 射线源深度曝光。由m m 公司研制出的s u 8 胶是一种负性、环氧树脂型、近紫外线化 学放大光刻胶。s u 8 胶在近紫外光( 3 6 5r i m - - 4 0 0r i m ) 范围内光吸收度很低，且整个光刻胶层所获得的曝 光量均匀一致，可得到具有垂直侧壁和高深宽比的厚膜图形；它还具有良好的力学性能、抗化学腐蚀性 和热稳定性；s u 8 胶不导电，在电镀时可以直接作为绝缘体使用。 目前采用s u 8 胶的u v 光刻技术已经成为制造m e m s 的重要微细加工技术。s u 8 光刻胶克服了普 通光刻胶光刻深宽比不足的问题，同时也克服了l i g a 技术中x 射线光源极为昂贵的问题，十分适合于 制造超厚、高深宽比m e m s 微结构，因此直接采用s u 8 光刻胶来制造高深宽比微结构与微零件是微加 工领域的一项热门技术。 1 2 倾斜u v 光刻工艺 在传统的光刻工艺中，掩模版和光刻胶是垂直对准入射光线的，只能制造单一的二元垂直光刻胶结 构。目前，三维微结构集中在各种微系统上，如微光、电、机械和分析系统。传统的微机械加工技术， 包括表面微机械加工【l l 、体微机械力i i p - 3 1 和l i g a 工艺【i j 】，不足以制造各种倾斜或者弯曲的三维微结 构。由于传统工艺的限制，有学者开始研究新的微加工工艺。 因此，几种三维微制造技术逐渐发展起来。例如：微立体光刻【l _ l 、深反应离子刻蚀和体微机械加工 相结合的工艺【l _ 5 】、移动掩模l i g a 工艺【1 、倾斜深x 射线光刻【1 7 】和倾斜u v 光刻【1 8 】。微立体光刻往往 用于制造各种复杂的微结构，但需要特殊的设备，并且很难制造出具有良好的表面粗糙度和分辨率的微 结构。深反应离子刻蚀和体微机械加工相结合的工艺比较复杂，并且制造出来的结构的斜面受到硅晶向 东南大学硕士学位论文 面的限制。l i g a 工艺能够制造高精度和高深宽比微结构，但是其使用的x 射线源难以获得。相比较前 面几种工艺，即使结构的形状受到限制，倾斜u v 光刻也能够使各种微结构的制造变得容易又廉价。1 9 9 4 年，c b e u r e t 等人提出了关于正性厚光刻胶的倾斜u v 光刻技术【l 一。但是由于光刻胶和设备的限制，在 随后几年中，倾斜u v 光刻技术并没有得到发展。当负性厚光刻胶s u - 8 被发明并研究多年之后，倾斜 u v 光刻技术才在近几年得到飞速发展。 目前，通过倾斜掩模版和光刻胶平台，倾斜结构得以被制造出来。s u 8 胶开始被用作制造倾斜结构， 如嵌入式沟道【1 9 】f 1 1 0 1 、倾斜圆柱【1 1 、v 形槽【1 1 1 1 、削项圆锥【1 1 1 】和斜坡结构u j 2 1 等。 1 3 工艺模拟的重要性 目前，m e m s 的制造研究方法通常是通过大量的实验来得到对于某特定器件尺寸和结构的最佳工艺 条件，这样做有许多的缺点，主要是成本高和不利于对工艺过程的理解。而对包括光刻在内的工艺过程 的模拟，则很好的弥补了实验验证方法的不足。若将光刻工艺的模拟和其他微电子制造工艺结合起来( 称 之为虚拟制造) ，那么整个工艺过程从最初始的一步至最后的一步都由计算机模拟，实验只是用来提取最 初模拟参数和验证，这将大大节省人力和材料成本。但是实现这样的虚拟制造技术还需要很多的努力。 光刻在i c 工艺制造过程中占据着举足轻重的地位，光刻被广泛认为是在批量制造小尺寸半导体器件 结构的关键瓶颈之一【l j 3 1 。光学光刻是大量制造小器件的主要途径，用模拟的办法引导光刻的发展，是 发展光刻的一个重要组成部分，这对于i c 工艺的光刻来说也是非常重要的一种手段。 首先，光刻工艺设备极为昂贵，因而在采用下一代光刻工具之前需要仔细的规划。工艺线上单个价 值$ 5 百万$ 1 0 百万的投影式光刻设备并不新鲜；而且在一个先进的生产设施中拥有2 0 台或更多的光刻 设备，也并不少见【l 1 引。为了得到更小的尺寸，需对光刻设备改造甚至全部更新。这对半导体生产商来 说也是一种巨大的负担，需要仔细规划以保证投资的成功性。而模拟是检测这些成功性的有力而关键的 工具。 第二，模拟是决定怎样利用现有的工艺设备生产出更好器件的最好办法，这无需数额巨大的投资， 能够对未来的发展有前瞻性的预测。过去2 0 年内已经发现许多光学增强方法，极大的提高了现有设备的 能力。 当转移至下一代全新的工具时，或当优化和将现有的光刻设备开发到极限时，模拟对于长远规划来 说是很有帮助的。模拟已经成为在光刻尤其是光学投影式光刻中获得技术更新的有效方法，包括化学增 强电阻的扩散作用、薄膜成像与大孔径镜头、有探测端的u v 射线) 系统中的图像质量、离焦移项缺陷 的可光刻性、移相掩模中的边缘损伤以及在掩模中的散射等【1 15 1 。 在s u - 8 胶制造过程中，需要对尺寸等特征进行严格控制。然而现在的制造研究方法通常是通过大 量重复性实验来得到对于特定器件尺寸和结构的最佳工艺条件，这样做的缺点在于；首先，光刻实验的 成本投入是十分巨大的，由于最终的光刻形貌对工艺过程中每一步条件都非常敏感，必须针对各个实验 工艺条件组合进行大量的实验，并将实验结果比较才能得出最佳工艺条件。第二，不同的掩模图形或工 艺条件如果差异较大，往往需要不同的实验去测量、验证。还有，实验方式不利于对光刻过程机理的准 确理解。而对包括光刻在内的工艺过程的模拟则很好地弥补了实验验证工艺的不足，同时也方便了设计 者对于设计的审查与改进，从而使模拟成为制造者与设计者之间的桥梁。 1 4 论文纲要 本课题的工作是在对于s u - $ 胶光刻过程深入了解的基础上，从光的传播、酸的生成与扩散以及分 子的交联与显影等方面分析每个工艺步骤中的物理化学反应，对其机理分析建模。设计实验或者对现有 的数据进行整理，提取模型参数，并编程求解这些模块，最终给出s u 8 胶显影后的形貌图。 另外，在先前完成的工作基础上，提出并建立了s u 8 胶倾斜u v 光刻的模型，并进行了实验验证。 论文第一章主要介绍了s u 8 胶、u v - l i g a 工艺、倾斜u v 光刻工艺、m e m s 工艺模拟的重要性以 2 第一章绪论 及本论文的主要工作及纲要。 第二章介绍了s u 8 胶光刻模拟的理论依据以及现有的模型。 第三章在菲涅耳衍射理论基础上推导出了垂直u v 光刻光强分布模型，在建模中充分考虑了曝光过 程中空气光刻胶界面的折射和能量损失、光刻胶衬底界面的反射以及u v 光在s u 8 胶中的衰减等因素。 并且利用本模型验证了丙三醇补偿法能够较好的消除s u 8 胶曝光衍射效应。另外应用掩模孔细化的思 想提高了模型精度，利用精确定位实际计算区域的方法提高计算速度。 第四章给出了倾斜u v 光刻光强分布模型，详细阐述了在建模过程中对空气光刻胶界面的反射折射、 光刻胶，衬底界面的反射、u v 光在s u 8 胶中的衰减等因素的处理手段。同时也介绍了入射光倾斜角。 衬底反射率对光刻胶结构的影响。最后推导出了三维倾斜u v 光刻光强分布表达式。 第五章介绍了本课题中的实验过程，包括实验仪器及材料、s u 8 胶光刻工艺流程和倾斜u v 光刻工 艺。 第六章详细分析了模拟结果与实验结果。包括垂直光刻结果比较和倾斜光刻结果比较。其中论述了 空气间隙厚度、曝光角度、衬底反射率、曝光时间、曝光方式等因素对s u 8 胶最终结构的影响。另外 也给出了三维模拟结果和实验结果。 第七章是对整篇论文的总结，并对未来工作提出了一些新的想法与建议。 3 东南大学硕士学位论文 第二章s u - 8 胶光刻模拟理论 光刻模拟，特别是薄胶的模拟已经被许多学者所研究。光刻模拟来源于两个主要的科学领域：第一 个是光学，给出光在光刻系统中行为的数学描述；第二是化学，提供了一种工具来处理光刻胶的曝光、 烘烤和显影过程。早在1 0 0 多年前，麦克斯韦、基尔霍夫等就完成了许多关于光的传播和衍射效应的基 本思想和模型。当然有关于化学反应速率、催化剂等化学基本思想也是旧理论。 但是，把这些理论和模型应用于光刻是最近的尝试，这可以追溯到7 0 年代中期。这个领域的开拓型 工作最早在m m 公司，由d i l l 及其合作者发表了一系列被广为引用的文章【2 1 】。从那以后许多学者开始 研究光刻模拟【2 2 1 2 3 】。在过去的1 0 年间，不少光刻模拟工具已经成功商业化，代表性的有：p r o l i t h ( f i n l e t e c h n o l o g i e s ) 陆4 j ，d e p i c t ( a v a n t ) b5 ，和a n h e n a ( s i l v a c o ) 瞄。这几家模拟工具的基本模型是相似的。 现在光刻模拟已经从基础的物理级描述发展到现象级描述。但某些具体的技术仍是基于物理级。选 择多少物理细节是物理级描述的准确性、可靠性、计算时间、内存要求以及使用的难易程度之间的折衷。 虽然厚胶在很多方面与薄胶有差别，但是薄胶的建模方法的选取原则对于厚胶的建模仍然值得借鉴。 化学放大胶的光刻工艺通常需要经过以下几步：基片预处理、涂胶、前烘( p r e b a k e ，又称为软烘， s o f tb a k e ) 、曝光、后烘( p o s te x p o s u r eb a k e ，简称为p e b ) 、显影( 后续的硬烘、去胶工艺根据需要选择) 。 每个过程都是必不可少的，但是每一步骤在整个过程中起到的作用是不同的。从建模的角度来看，基片 预处理和涂胶一般不单独作为一个模块考虑，可将其简化为一个因子放在后面的模型中进行考虑，其它 步骤一般都会有自己独立的模块，而s u 8 胶又有其自身的特殊性。下面将针对国内外发展现状进行分 析，对现有的不同模块进行讨论总结。 2 1s u - 8 胶内的化学反应 s u - 8 胶由以下材料混合而成伫7 】f 2 8 l ：环氧多功能双酚a 甲醛酚醛树脂( 印0 x i d i z e dp o l y f i m c t i o n a l b i s p h e n o laf o r m a l d e h y d en o v o l a kr e s i n ) 、光酸产生剂( p h o t o a c i dg e n e r a t o r ，简称p a g ) 和溶剂。其中环 氧多功能双酚a 甲醛酚醛树脂含有平均8 个环氧基团、分子量大约为1 4 0 0 9 m o l ，环氧当量2 1 5 9 m o l 。 胶中的光酸产生剂是一种六氟锑酸三甲基硫盐。 s u - 8 系列和s u - 82 0 0 0 系列的主要不同点是溶解s u - 8 树脂的溶剂不同，s u 8 ( g b l ) 采用g b l 溶液， 而s u - 82 0 0 0 采用环戊酮做溶剂【2 。表格2 1 说明了s u 8 及s u 。82 0 0 0 光刻胶的成份及其含量百分比。 表2 1 s u 8 与s u 82 0 0 0 光刻胶成份及含量2 6 1 s u 8 光刻胶 s u 82 0 0 0 光刻胶 溶剂 2 2 - 6 0 g b l ( 产丁内酯) 2 3 - 8 5 环戊酮 p a g ( 光酸 0 5 5 产生柏 六氟锑酸三甲基硫盐 六氟锑酸三甲基硫盐 树脂基体3 5 7 5 环氧树脂1 0 7 5 环氧树脂 其它成份 1 5 碳酸丙烯 0 5 5 碳酸丙烯 s u 8 或者s u 82 0 0 0 都主要由四种成份组成：溶剂、树脂基体、p a g 和少量其它成份。溶剂用于溶解树 脂基体，使胶体在未光刻时呈液体状态。它调节树脂浓度及粘稠度，以得到涂胶后的不同厚度。p a g 即光 酸产生剂，有时也称光引发剂，能够在u v 光辐射下产生化学反应，其化学反应后的产物包括后烘中化学 反应需要的酸催化剂。因此酸催化剂是在光照后产生的，也称之为光酸( p h o t og e n e r a t e da c i d ) 。s u 8 胶中 的树脂基体是一种环氧树脂，是后烘反应中的主体。碳酸丙烯是胶体中的活性稀释剂。 s u 8 胶中的p a g 由三甲基硫盐组成。曝光时，光子被吸收，光催化剂发生光化学反应，产生一种 强酸。该强酸将在后烘时作为催化剂，使s u 8 胶产生热交联。因为只有直接受光照的光刻胶区域才会 4 第二章s u - 8 胶光刻模拟理论 生成这种强酸，所以交联主要产生在含有强酸的区域和后烘阶段。曝光区域的光刻胶中含有酸催化剂， 而未曝光的光刻胶区域不含有。在酸催化剂的作用下，交联反应以链式增长，每一环氧基能与同一分子 中或不同分子中的其它环氧基发生反应。但若无酸催化剂的存在，后烘过程中也不会产生交联反应。每 个环氧基平均预连接有另外七个环氧基，再经扩展交联就形成了致密的交联网络，这种网络结构使其分 子量迅猛增加，从而不溶于显影液而保留下来。所以曝光时产生的强酸是s u - 8 胶作为化学放大胶进行 下面各种化学反应的关键步骤，在整个反应链中是不可或缺的重要部分。曝光过程中，s u 8 胶中的p a g 在u v 光的作用下发生以下光化学反应： 兰曩+ 蚵副产物啼曩眠铡广1 习 反应的左端分子是s u 8 胶中的p a g ，从分子式可以看出它是三苯环硫基化物，在u v 光照射下产生六氟化 锑酸( h s b f 6 ) 。h s b f 6 是一种强布朗斯特( b r a n s t e d ，丹麦化学家) 酸，具有很强的提供质子的能力。在 后烘工艺中，可以为树脂的交联反应提供质子，起催化剂的作用。 后烘主要存在两个过程：第一，h s b f 6 作为催化剂的s u 8 胶单体聚合反应；第二，h s b f 6 的扩散反 应。s u 8 胶的环氧功能团在后烘过程中接受h s b f 6 提供的质子，打开c - o 键，这个c 与下一个环氧功 能团的。相联，质子转移到了下一个环氧功能团上，并交联反应下一个环氧功能团。可用下式表示此交 联反应机理弘9 1 1 2 t o ： 日2 一 c r 0 8 8 一h n i c i n g 经过h s b f 6 的催化反应，被曝光的s u 8 胶从单体可溶性状态转变高度交联的状态，从而达到在显影液 中不可溶的状态： 壤 肾 交联反应的速度和完成程度不仅与s u 8 胶的环氧基原位浓度有关，还与h s b f 6 的原位浓度和反应 5 东南大学硕士学位论文 温度密切相关。显然初始的环氧基原位浓度是由s u - 8 胶的浓度决定的。由于前烘后光刻胶内各处溶剂 浓度稍有不同，各处的初始环氧基浓度也稍有不同。从有机化学反应动力学可知，环氧基和h s b f 6 的原 位浓度越高，交联反应的速度也越快，但是反应的效率比低浓度时的低。也就是说低浓度的环氧基和 h s b f 6 使反应较为充分。但是反应速度较慢。在s u - 8 胶的交联反应过程中也同时存在着h s b f 6 的扩散， 这是因为存在h s b f 6 的浓度梯度，后烘过程的高温使得h s b f 6 扩散不可忽略。h s b f 6 在s u 8 胶中以离 子对的形式存在，由于s b f 6 的影响，一扩散系数不可能很大。 显影s u - 8 胶可以用m i c r o c h e m 公司的s u 8 专用显影液，也可以用其他替代的显影溶剂如乳酸乙 醑和双丙酮醇。 2 2 前烘 将光刻胶旋涂在衬底上之后，必须进行一次前烘以蒸发溶剂并使薄膜致密。通常是在烘板上烘烤， 或选择烘箱。前烘的时间取决于其前烘的工艺，因为溶剂的蒸发是受热传导和空气流通的限制。 实验研究表明前烘对s u - - 8 胶光刻很多方面的性能影响很大【z “】。如图2 t 所示。现在已有很多关于 x 射线曝光s u 一8 胶特性的研究，结果表明前烘对于最后的形貌有较大的影响 2 ”l 。虽然s u - 8 胶光刻通 常采用深紫外光，但是其中的反应机理是相同的。在一些对其他厚胶( a z 4 5 6 2 ，一种正胶) 研究的文章 中，同样也认为前烘后得到的光刻胶分子的高密度和溶剂浓度对于曝光的影响很大。 图2 - 1 ( a ) 各工艺步骤对s u 一85 分辨率的影响程度；各工艺步骤对s u 85 深宽比的影响程度口1 4 l 图2 - 2一次旋涂而成的不同厚度s u - 8 胶前烘后溶剂的蒸发量与前烘时间的关系口”1 6 第二章s u 8 胶光刻模拟理论 搬翻略 图2 3s u - 8 胶层不同位置的溶剂浓度随时间的变化口1 日 根据经验总结，前烘易引起光刻胶内部分子的浓度分布在深度方向上的不均匀，这会导致其折射率 与曝光参数的变化，以致影响光刻胶的显影速率。同时当溶剂含量较高时：容易产生气泡、缺乏硬度、 形貌扭曲变形以及p a g 向未曝光区域的扩散。前烘时的温度对光刻胶的形貌也会有影响。 初始的s u 8 产品中溶剂的含量是相当高的，可以从2 0 到8 5 。在前烘的过程中，溶剂不断的蒸 发( 图2 - 2 ) ，从而使胶体变硬【2 1 5 1 。但是经过长时间的前烘，仍然有少量的残余。其残余浓度和前烘的 时间、温度和胶的厚度有关，如图2 - 3 所示，其显示了2 m m 厚的s u 8 胶层中四处位置的溶剂浓度随时 间的变化，四条曲线在相隔5 0 0 t t m 处用“热一重量分析法”测量。经过5 0 分钟烘烤，最上层溶剂浓 度达到5 7 ，光刻胶衬底界面处的底层溶剂浓度达到1 0 4 【2 1 6 1 。 前烘的主要目的是蒸发光刻胶中的有机溶剂，以增强胶膜与基片间的黏附性。一般在前烘过程中采 取缓慢升温或者阶段性升温的方法。较低的起始温度会使得溶剂以可控的速度蒸发出薄膜，这样会形成 更好的薄膜质量，也会增加衬底黏附性。 虽然前烘这个步骤极为重要，但是其原理并不是特别明朗。现在的工艺模拟中，将其加入到模型中 的情况并不多，不过仍然有少数文章对于其中的过程进行了分析【2 - 1 7 】。由于前烘的主要目的是蒸发溶剂， 所以其中的物理过程主要表述为溶剂在光刻胶中扩散的过程，可以用以下的一维扩散方程来表示： 0 c a o t = 丢( 见暑鲁)锄k ”锄， ( 2 1 ) 其中c 表示溶剂的浓度( 成分a ) ，d h 表示溶剂在光刻胶( 物质b ) 中的扩散条件。求解这个方 程需要下面一些条件：一个初始条件，两个边界条件以及关于扩散系数是时间及坐标的函数的一些概念 上的认识。初始条件指的是溶剂的初始浓度分布c ( 毛o ) 以及光刻胶的初始高度三矗两个边界条件指 的是光刻胶顶部和底部表面边界处的情况。首先假设基片表面是不可渗透的，则光刻胶底部的边界条件 表示为没有扩散。而光刻胶表面的边界条件将取决于溶剂向周围环境中的蒸发速率。对于不同的前烘方 式( 平板或者烘箱) ，将会有所不同。以平板为例，由于平板上方空气流动速度足够大，溶剂离开光刻胶 表面的同时将会立即融入到周围的环境中去，所以我们可以合理假设表面的扩散过程并不受到对流效应 的影响，仅与光刻胶的内部特性相关。在这种情况下，我们可以测量平板上方空气中的溶剂浓度随时间 的变化，并将其作为一个可测量边界。这时，就可以求出公式的解。 但是由于公式中的扩散系数是关于温度和溶剂浓度的强函数，这大大增加了求解的难度。由于温度 随时间而变化，所以扩散系数也将与时间有关。同时随着蒸发，光刻胶膜变得越来越粘稠，这将会降低 溶剂在其中的扩散率。由于溶剂浓度本身又是时间与坐标的函数，所以扩散速率要进行迭代求解。 7 东南大学硕士学位论文 扩散速率与温度的关系可以表示为： d o ( t ) = a , e x p ( 一) 其中4 为阿列纽斯( a r r h e n i u s ) 系数，疋为有效能量。 l h m l j m l f l m o 图2 _ 4 在不同温度下，前烘结束后光刻胶厚度随前烘时间变化的关系 ( 2 2 ) 图2 - 5在不同的前烘时间和温度下，测量得到的光刻胶折射系数与最终光刻胶厚度之间的关系 d _ 晴触( 1 l 哪 图2 - 6溶剂浓度在光刻胶中的分布 扩散速率与浓度的关系可以简单的用f u j i t a - d o o l i t t l e 公式表示。 8 第二章s u - 8 胶光刻模拟理论 p， = d oe x p ( , ，4 么+ b c ) ( 2 3 ) ，一r a 其中口与侈均为与实验条件相关的模型参数，其大小与温度有关；上) n 是光刻胶中溶剂浓度为零时 溶剂的扩散速率。当然还有其它一些更为复杂的扩散速率与浓度的关系式可以采用e 2 8 1 。 同时可以肯定的是由于溶剂蒸发会将光刻胶中的能量带走，所以物质转移与能量转移是相互作用的。 溶剂的损失将会使光刻胶的厚度降低( 图2 - 4 ) 。同时折射率也会受到前烘影响( 图2 5 ) 。采用上面的模 型对整个前烘过程模拟，前烘结束后光刻胶中的溶剂分布将如图2 - 6 所示。 前烘本身有着不可忽略的重要作用，可以对前烘中的每个反应单独建模，然后将其中一些过程综合 考虑，得到较为精确的溶剂浓度分布。但到目前为止，前烘的机制还不是十分清楚，从内部的物理化学 反应来考虑有一定难度，热转换、热扩散以及溶剂的蒸发可能并没有涵盖其中所有的反应机制。而且前 烘时虽然以溶剂的扩散及蒸发为主，但其他物质也会扩散或者蒸发，考虑所有因素将会增加模拟的难度。 同时在设置边界条件时，确定平板烘的边界条件相对简单；若采用烘箱，则是一个相对密闭的空间，气 流的速度以及其中溶剂浓度的大小都会对边界条件产生很大的影响，为方程的求解带来更大的难度。 随着光刻胶厚度的增加，不确定因素的影响会加剧。首先是甩胶过程，过去1 0 0i u n 左右的光刻胶 已经算比较厚的，而现在随着实际需求中对于m e m s 结构深宽比要求的增加，光刻胶厚度达到2 m m ， 深宽比达到1 9 0 ：1 已经是完全可能。随着光刻胶厚度的增加，光刻胶涂覆的方法变得更加复杂，在旋涂 与前烘工艺中针对需要可以采取一次旋涂并前烘、多次旋涂并前烘与干芯片旋涂法。一次旋涂并前烘的 方法是指旋涂和前烘只做一次的办法。而多次旋涂并前烘是相对于一次性旋涂并前烘而言，它多次重复 的进行旋涂和前烘，第一次旋涂在衬底上，后面的旋涂直接在前面烘好的胶上。多次旋涂并前烘的好处 是可以实现很厚的胶结构且很低的残余溶剂浓度。在甩胶时光刻胶内部各成分浓度的分布本身可能就很 复杂；基片边缘处与中心处光刻胶的厚度有一定差异，各物质浓度的分布也会产生一定的差别。在之后 的前烘中，能量转换与扩散机制等之间的关系不再像之前讨论的一次旋涂并前烘那样简单。例如，多次 旋涂并前烘时，第二次旋涂与前烘的过程与第一次相比肯定是不一样的，也会受到第一次结果的影响， 同时，第一次的结果在第二次前烘时必定会受到进一步的影响。这时候，如果对其中每一步中的各种反 应详细建模，不仅工作量会非常庞大，同时其精确度也无法得到保证。而且，对于后面各个步骤的模型 来说，即使我们知道了确切的溶剂浓度分布方式，如果不知道光刻胶中所有物质的浓度分布，其对于后 烘等的具体影响也无法得出，不能作为一个有用的结果代入到下一步的模型中。 z 图2 - 7对光刻胶的分层处理 所以，更加实际的方式是根据实验情况进行合理的假设，并利用这些假设对后面步骤的一些现象做 定性分析。按照这个思路，有了下面一些假设：如图2 - 7 所示，将光刻胶沿纵向( z 轴) 划分为n 等分。 当每份的间距大小满足一定精度的时候，可以假定在同一层内每种相同的物质都具有相同的浓度，即每 一层光刻胶的内部性质都是一样的，忽略在同