微细加工与MEMS技术8光刻胶课件

第

8

章光刻胶一、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

负性光刻胶，简称

负胶。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

正性光刻胶，简称

。8.1光刻胶的类型光刻胶也称为

光致抗蚀剂（Photoresist，P.R.）。

1、灵敏度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。

通常负胶的灵敏度高于正胶。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。

8.2光刻胶的特性

2、分辨率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，必须满足光刻工艺中影响分辨率的因素有：光源、曝光方式

和

光刻胶本身（包括灵敏度、对比度、颗粒的大小、显影时的溶胀、电子散射等）。通常正胶的分辨率要高于负胶。式中，Wmin

为最小尺寸，即分辨率。可见，若灵敏度越高（即

S

越小），则

Wmin

就越大，分辨率就越差。

例如，负性电子束光刻胶

COP

的

S=0.3×10-6C/cm2，则其

Wmin=0.073

m。若其灵敏度提高到

S=0.03×10-6C/cm2，则其

Wmin

将增大到

0.23

m。

3、对比度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。D0D100对比度的定义为DcrD100D0光进入光刻胶后，其强度按下式衰减式中，α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

光吸收率

为可以证明，对比度与光吸收系数α及光刻胶厚度

TR

之间有如下关系减小光吸收系数与胶膜厚度有利于提高对比度。

一个与对比度有关的光刻胶性能指标是

临界调制传输函数

CMTF

，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。8.3临界调制传输函数

8.4光刻胶材料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

KPR

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。

8.5正胶的典型反应

一、光化学反应化学反应速度k可表示为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。

二、势能曲线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。S0S1S2S3T188Kcal72KcalEA(S1)

=16KcalEA(S0)

=38KcalRN

与

N2的间距势能感光分子吸收λ=365

nm

的光能（

72

Kcal

）后

，电子从基态

S0跃迁到第一激发态

S1

，激活能由

EA(S0)

=

38

Kcal降为EA(S1)

=

16

Kcal，反应速度加快。感光分子吸收λ=300

nm

的光能（88Kcal）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λ=300

nm

的光曝光比用λ=365

nm

的反应速度快。8.6光刻胶的涂敷和显影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。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。8.7二级曝光效应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α。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。可知，当α太大时，则只有光刻胶的顶部能被有效曝光；当α太小时，则由于吸收太少而需要长时间的曝光。由下式8.8双层光刻胶技术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

双层光刻胶技术，这也是所谓

超分辨率技术

的组成部分。顶层胶：含硅，厚约

0.25

m底层胶：也称为干显影