半导体 第十一讲 光刻胶的研究进展

1、第十一讲光刻胶的研究进展内容 光刻胶：正胶与反胶 光刻胶的涂敷和显影 非光学光刻技术 深亚微米光刻的新光刻胶工艺技术 直写电子束光刻系统 光刻胶在曝光之后，被浸入显影溶液中。在显影过程中，正性光刻胶曝过光的区域溶解得要快得多。理想情况下，未曝光的区域保持不变。负性光刻胶正好相反，在显影剂中未曝光的区域将溶解，而曝光的区域被保留。正胶的分辨率往往是最好的，因此在IC制造中的应用更为普及 IC制造中用的光刻胶通常有三种成分，树脂或基体材料、感光化合物(PAC：photoactive compound)、以及可控制光刻胶机械性能（例如集体黏滞性）并使其保持液体状态的溶剂。 在正性光刻胶中，PAC在曝

2、光前作为一种抑制剂，降低光刻胶在显影溶液中的溶解速度。在正性光刻胶暴露于光线时有化学反应发生，使抑制剂变成了感光剂，从而增加了胶的溶解速率。 理想情况下，抑制剂应完全阻止光刻胶的任何溶解，而增强剂则产生一个无限大的溶解速率 光刻胶使用性能指标：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（通常用mJ/cm2来度量） 光刻胶的灵敏度越高，曝光过程越快，因此对一个给定的曝光强度，所需的曝光时间将缩短 分辨率是指能在光刻胶上再现的最小特征尺寸 分辨率对曝光设备和光刻胶自身的工艺有很强的依赖性 芳香族环烃和长链聚合物 芳香族环烃由六个排列成平面六角结构的碳原子组成 苯，每一个碳原子都与一个氢

3、原子相连 碳原子通过与两个与其紧相邻的碳原子之间的共价键获得两个电子，与氢结合获得一个电子，每个碳原子的最后一个未配对电子参与一个非局域化的键，该键的形状为围绕着苯分子的一个环。正是这个高游离的非局域化电子决定了芳香烃的特殊性质 聚合物的分子很大，它是由许多小的重复单元连接而成的，这些小的重复单元称为单体 一种聚合物可以包含的单体数少至五个，多至几千个。典型的聚合物有塑料、橡胶以及树脂 由于碳易于与其自身结合，所以许多聚合物都是碳基的。最简单的聚合物是聚乙烯 聚合物分子很坚固，并且有更高的密度 聚合物还可以发生交联，即与自己或与其他的聚合物化合，这样可以进一步增加强度 交联降低了这些分子在常用

4、的溶剂中的溶解能力。相反，如果聚合物分裂成一些短的链，其分子就更容易溶解 简单的光刻胶 长链聚合物的曝光主要导致断链作用，聚合物在显影剂中就更容易溶解，那么聚合物的行为就像一个正色调的光刻胶 如果聚合物的曝光主要是产生交联，则曝过光的光刻胶在显影剂中的溶解会变慢，那么聚合物的行为与负色调的光刻胶一样 这种简单的光刻胶的问题之一，在于很难保证以上断链和交联只有一种过程发生 改变聚合物的主要成分来增加其溶解的可能性，或添加易反应的侧链来促进交联作用光刻胶的涂敷和显影 对于正性胶，为了获得平坦而均匀的光刻胶涂层并且使光刻胶与圆片之间有良好的黏附性，通常在涂胶之前必须对圆片进行预处理 预处理的第一步常

5、常是一次脱水烘烤，在真空或干燥氮气的气氛中，以150200烘烤。该步的目的是除去圆片表面吸附的水分，在此温度下，圆片表面大概保留下一个单分子层的水 紧接在烘烤之后的通常是六甲基二硅亚胺(HMDS：hexamethyldisilazane)的涂布，这是一种增黏剂 HMDS可用蒸气法涂布，就是将圆片悬挂在一个高蒸气压HMDS液体容器之上，使蒸气涂布在圆片的表面 也可通过在圆片上滴一定量的液态HMDS，并旋转圆片使液体铺开，以形成一个非常薄的均匀涂层的方法，直接把液态HMDS涂敷在圆片的表面 最常用的方法是旋转涂胶 用真空吸盘将圆片固定，吸盘是一个平的、与真空管线相连的空心金属盘。吸盘表面有许多小儿

6、当圆片放在其上面时，真空的吸力使圆片与吸盘紧密接触 接着一个事先确定好的胶量被滴在圆片表面，吸盘上施加的转矩使其按一个受控的速率迅速上升至最大旋转速度，通常为20006000 rmin 胶刚被滴到圆片上，溶剂就开始从胶中挥发，所以要想获得好的均匀性，圆片旋转的加速阶段是至关重要的 圆片以最大旋转速度旋转一个固定的时间段之后以受控的方式减速至停止 这种涂胶方法的一个变种称为动态滴胶，即在圆片以低速度旋转的同时将一部分或全部光刻胶滴到圆片上，这种方法使胶在圆片高速旋转之前已在整个圆片上铺开 胶厚和胶厚的均匀性是建立好的光刻工艺的关键参数 厚度与涂胶量并没有很大的关系 旋转之后滴在圆片上的胶只能保留

7、1以下，其余的在旋转时飞离圆片 为了避免胶的再淀积，旋转器的吸盘周围都有防溅装置 胶的厚度主要由胶的黏度和转速决定，较高的黏稠度和较低的转速产生较厚的光刻胶 旋转涂胶之后，圆片必须经历一次软烘，或称前烘 作用是去除胶中的大部分溶剂并使胶的曝光特性固定 胶在显影剂中溶解的速率将极大地依赖于最终光刻胶中的溶剂浓度 通常，软烘时间越短或温度越低会使得胶在显影剂中的溶解速率增加且感光度更高，但是其代价是对比度低 高温软烘能使PAC的光化学反应开始，导致胶的未曝光区在显影剂中溶解 典型的软烘温度是90100oC，时间范围从用热板的30秒到用烘箱的30分钟。软烘之后留下的溶剂浓度一般约为初始浓度的5。 曝

8、光之后，圆片必须经过显影 正性胶都用碱性显影剂，如KOH水溶液 在显影过程中，羧酸与显影剂反应，生成胺和金属盐。在此过程中，KOH被消耗。如果要维持连续的工艺过程，必须注意补充显影剂 在简单的浸没式显影中通过定期重灌显影剂来补充 为了维持一个更加稳定的显影过程，在容器的两次灌装之间，显影的时间常常是不断增加的先进的光刻胶和光刻胶工艺 有希望应用于未来深亚微米光刻的新光刻胶工艺技术 用于深紫外的应用 应用的主要困难之一是缺乏好的深紫外光刻胶 酚醛树脂化合物在波长低于250nm时开始很强地吸收，因此勉强可以接受它们用于KrF(248nm)曝光，但是不能用于更为理想的ArF(193nm)曝光 沿胶深

9、度的曝光很不均匀，因此小特征图形的侧墙为斜坡状 DQN不能用于025以下的特征尺寸，必须找到新的基体材料和新的感光材料用于193nm曝光 当DQN胶用于短波长时，往往会有化学放大作用 化学放大胶(CAR：chemicalamplifiedresist)系统中，一种附加的感光化合物被加入基体材料和感光剂中 曝光时化学放大添加剂起到大大地增加原始光化学过程的作用。该过程的关键是一个单独的光事件能促使许多后来的断键事件发生 典型的例子是光酸发生剂(PAG：photoacid generator)的使用。一旦吸收一个光子，PAG的化学性质变得活泼而溶解基体材料 这种胶系统已用于早期的1兆位DRAM、以

10、及16兆位DRAM小批量生产线中 不利倾向是留在胶中的金属玷污物 化学放大的使用在中紫外胶应用中可被看成是增加生产的因素，但是化学放大的使用在正在研究的深紫外胶中却起着至关重要的作用 光子的高能量使得基体的吸收几乎不可避免，因此目前正在研究中的所有用于深紫外(248nm或更短波长)的胶都使用某种化学放大剂作为感光化合物 典型的DUV胶由具有一些感光性的基体、PAG、保护剂以及改良剂如溶剂组成 对于深紫外曝光，这些材料中没有一种能够确定下来 聚异丁烯酸甲脂(PMMA)是一种典型的深紫外光刻胶，或在那些更复杂的胶中作为基体部分 在展示光刻机极限分辨率时很受欢迎的胶，但另一方面作为图像层其用途却是有

11、限的 PMMA是一种长链聚合物，由H-C-H和CH-C-COOCH，成分交替组成。这个链常被压缩或“卷曲”。在深紫外曝光中，长链可被断开，一个或多个碳原子以不饱和键形式留下，即要么是甲基(CH3）要么是脂(COOCH3)侧链被改变 如果主链断开，生成的短分子更易于在显影剂中溶解。由溶解的气体产物(CH3、CH3OH和HCOOCH3)产生的微泡沫也可增加溶解速率PMMA有两个主要缺点。首先是胶的抗等离子体刻蚀能力非常低，实际上比大多数被刻蚀的膜还要低。因此除非是采用非常厚的PMMA层来保护一个非常薄的膜，否则在刻蚀时，膜还未刻蚀掉之前胶已没有了厚胶是很不实际的PMMA的分解改变了等离子体刻蚀的化

12、学性质，常常导致聚合物淀积在圆片的表面PMMA的另一个主要限制是灵敏度低，PMMA的典型曝光剂量大于200mJcm2，而要求的灵敏度通常是5-10 mJcm2为了生产出更实用的胶，各种PAG被加入PMMA类化合物。在某些情况下，这些添加剂可增加抗刻蚀能力。第二个增加灵敏度的方法是将圆片在高温下曝光。这种方法的另一优点是对比度增加尽管灵敏度可得到改善，但是PMMA基光刻胶的不良抗刻蚀能力和短储存时间促进了深紫外基体替代材料的发展。 替代材料如聚(4-烃基-苯乙烯)比常用的酚醛树脂化合物更为透明，但是它们极难使对溶解的抑制能力达到足够的程度 二甲基的替换使这种基体材料的溶解速度下降了500倍，接近

13、高性能胶所需要的溶解速度 另一个关于深紫外胶的设想是采用完全不同的化学途径。部分最有希望的典型193nm光刻胶使用PAG、保护剂、以及各种丙烯酸基的基体 丙烯酸基的光刻胶与简单的PMMA相比，虽然有一些改善，同样存在抗刻蚀性差的问题 为了改善抗刻蚀性能，将不同的基团嫁接到单体的侧链上。侧基如正莰醇基丙烯酸脂或Adamantyl丙烯酸脂的使用可以改善胶的抗刻蚀能力使其接近酚醛树脂，但却使灵敏度和分辨率降低 丙烯酸还有一个特有的缺点，就是显影过程中黏附不好非光学光刻技术 光学光刻得以进一步扩展，是通过各种步进式光刻设备的应用 它们具有高数值孔径的镜头，特别是使用紫外(UV)光源 使用了相移掩模或其

14、他光学邻近校正技术。这项技术至少可扩展到0.10m，如果能开发出适合157nm光源的光学材料的话，或许能到0.05m 光学光刻在这些几何尺寸上的发展是非常昂贵的。一套通常在生产中供2000至3000圆片使用的光刻版，如果全部层次需要完全光学邻近校正的话，价格可能超过两百万美元 光学光刻因受价格影响不能进一步发展，或者特征尺寸缩小到0.05m或者更小，就必须开发新的光刻技术 这些方法概括起来称作非光学光刻或者说下一代光刻(NGL) X射线和电子束光刻 波长是如此之短，以至于衍射不再对光刻分辨率起决定作用 使用很短波长，因而很高能量的能源所带来的关键问题是光刻掩模 现在还不知道是否有一种材料，它将

15、允许绝大部分能量通过一个厚的机械性能稳定的平板，这是制造掩模版所需求的 无掩模版电子束直写 用于接近式X射线和用于投影式电子束光刻的薄膜型掩模版 以及用于投影式X射线光刻反射掩模版直写电子束光刻系统 电子束光刻(EBL)系统可用来制造光刻版，亦可用来直写产生图形 大部分直写系统使用小电子束斑，相对圆片移动，一次对图形曝光一个像素 由于电子穿透距离短，因此妨碍了固体衬底如石英在光刻版中的使用。一种非常薄的膜片型掩模版可以使用，或者用一种带有电子束能通过的切孔的镂空模版 直写EBL系统可分成光栅和矢量扫描两类，并具有固定或可变的电子束几何形状。每种系统都有优点，选择取决于该系统设计是用于哪种写方式

16、 所有的电子束系统都要求电子源具有高强度(亮度)，高均匀性，束斑小，稳定性好，寿命长 在阴极加热时，电子可从电子枪的阴极逸出(热电子发射)，加上一个大电场(场助发射)，两者结合(热场助发射)，或者用光照(光发射) 普通的电子源是热电子，原因是它的高亮度。选择的灯丝材料必须使来自阴极的蒸发最小，从而使寿命最长。电子枪主要的指标是发射电子电流的密度 多数热电子源使用钨、含钍的钨或者六硼化镧(LaB6) 钨灯丝可以在0.1 mTorr下工作，但是，它们的电流密度只有大约0.5Acm2，结果，它们的亮度小于2l04(cm3sr) 含钍的钨阴极在同样的灯丝电流下亮度稍微低一些并且需要更高的真空(0.01

17、mTor)。它的最大电流密度可高达3Acm2 六硼化镧(LaB6)阴极最为流行。它的电流密度可超过20Acm2，而亮度接近106A(cm3sr)。LaB6要求的真空是至少10-6Torr 对所有灯丝源的关注焦点是它的视在大小或截面直径 由于大量金属线被加热，热电子源产生很宽的束流。来自此种源的能量分布也非常宽，这将导致聚焦困难 典型的LaB6源截面直径大约是10m。要获得0.1m的束斑需要缩小100倍。即使源具有很大的电流密度，相应具有的亮度也要大幅度地降低才能实现深亚微米的分辨率。 使用已在合成气体(90N2和10H2)中退过火的ZrWO材料制造的尖端，可以用于具有热场辅助的发射枪中，用来产

18、生小到200A的截面直径。结果，使用这种枪的光刻系统能够产生l00A的束斑，并具有高到1000Acm2的电流密度 这类电子枪需要恒定的，至少1x10-8Tor的真空 这类电子枪仍显示出值得考虑的，用于高分辨率、高产出能力EBL系统的前景 大多数EBL系统使用高斯束流，即束流强度从中心起，沿半径方向的变化接近高斯分布 电子束光刻的主要缺点在于产出量。加工过程太慢以至于从经济上讲，不能用于制造大多数集成电路。为改善产量，专用的EBL系统已经制造出来。 结合直写和投影两种光刻技术，并具有一定形状的束流 将遮挡掩模版放在圆片的上方，只有很少的预先做好的几何图形，准备多次重复使用 第二个也是更加流行的，

19、产生可变形状电子束 束流被方形光阑拦截掉一部分，通过改变偏转，可改变线条的宽度和长度 由于绝大部分图形由矩形组成，这是实现EBL的极其有效的方法。成百上千的像素可同时曝光 电子束光刻中，一个倍受关注的方面是因邻近效应引起的图形畸变 由于散射电子的倾向是将邻近的不想曝光的区域曝光。这种效应用电子束曝光比用光学曝光严重得多 为了降低这个展宽效应，大多数高分辨率的EBL是在薄的光刻胶中进行。然后，图形被转移到较厚的掩蔽层上，它可被用来获得预期的图形 针对给定的光刻胶，将入射电子束能量优化。背散射范围取决于入射能量的平方，可能非常大。对于高能束来说，这种弥散效应将显著降低曝光剂量并足以阻碍覆盖在整个区

20、域上的光刻胶的性质有大的改变 由于背散射，曝光剂量也需要进行修正 用一种新的EBL方法，扫描隧道显微镜EBL，邻近效应可完全消除 在这项技术中，将场发射探针放在极其靠近圆片表面的地方，并且通过检测来自探针尖的场发射电流，用反馈控制方法将它保持在那里 扫描电子显微镜的入射电子能量是450eV 这项技术已被用于使光刻胶曝光和直接进行表面修改，最小特征尺寸可达200A 对于这项技术，主要关心的是产出量，因为承片台和(或)探针尖必须用机械方式扫描 这种系统的产出量比传统电子束光刻小的多 如果一个由大的针尖阵列组成的系统能够制造出来并能控制的话，STM光刻可能变成一种可行的技术 与光学光刻不同，EBL分辨率小于任何主流IC制造或未来几年所期望的器件几何尺寸 20世纪70年代中期的电子束光刻就已具有写出小于100A宽度的线条和间距能力 现有商用电子束光刻系统现在己能够按照预定程序写出具有小于0.1m分辨率的特征尺寸图形