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光刻胶编辑词条

光刻胶是指一大类具有光敏化学作用(或对电子能量敏感)的高分子聚合物材料;又叫抗蚀剂,也叫光阻剂,英文名称为resist。主要应用于集成电路(IC),封装(Packaging),微机电系统(MEMS),光电子器件光子器件(Optoelectronics/Photonics),平板显示器(LED,LCD,OLED),太阳能光伏(Solar PV)等领域。

1光刻胶的概述

  光刻胶也称为光致抗蚀剂,是一种光敏材料,它受到光照后特性会发生改变。光刻胶主要用来将光刻掩膜版上的图形转移到晶圆片上。

  光刻胶有正胶和负胶之分。正胶经过曝光后,受到光照的部分变得容易溶解,经过显影后被溶解,只留下未受光照的部分形成图形;而负胶却恰恰相反,经过曝光后,受到光照的部分会变得不易溶解,经过显影后,留下光照部分形成图形。

  负胶在光刻工艺上应用最早,其工艺成本低、产量高,但由于它吸收显影液后会膨胀,导致其分辨率(即光刻工艺中所能形成最小图形)不如正胶,因此对于亚微米甚至更小尺寸的加工技术,主要使用正胶作为光刻胶。

2光刻胶的分类

  基于感光树脂的化学结构,光刻胶可以分为三种类型。

  ①光聚合型,采用烯类单体,在光作用下生成自由基,自由基再进一步引发单体聚合,最后生成聚合物,具有形成正像的特点。

  ②光分解型,采用含有叠氮醌类化合物的材料,经光照后,会发生光分解反应,由油溶性变为水溶性,可以制成正性胶。

  ③光交联型,采用聚乙烯醇月桂酸酯等作为光敏材料,在光的作用下,其分子中的双键被打开,并使链与链之间发生交联,形成一种不溶性的网状结构,而起到抗蚀作用,这是一种典型的负性光刻胶。

3光刻胶的生产步骤

  1、准备基质:在涂布光阻剂之前,硅片一般要进行处理,需要经过脱水烘培蒸发掉硅片表面的水分,并涂上用来增加光刻胶与硅片表面附着能力的化合物(目前应用的比较多的是六甲基乙硅氮烷(hexa-methyl-disilazane,简称HMDS)以及三甲基甲硅烷基二乙胺(tri-methyl-silyl-diethyl-amime,简称TMSDEA))。

  2、涂布光阻剂(photo resist):将硅片放在一个平整的金属托盘上,托盘内有小孔与真空管相连,硅片就被吸在托盘上,这样硅片就可以与托盘一起旋转。涂胶工艺一般分为三个步骤:1.将光刻胶溶液喷洒倒硅片表面;2.加速旋转托盘(硅片),直到达到所需的旋转速度;3.达到所需的旋转速度之后,保持一定时间的旋转。由于硅片表面的光刻胶是借旋转时的离心力作用向着硅片外围移动,故涂胶也可称做甩胶。经过甩胶之后,留在硅片表面的光刻胶不足原有的1%。

  3、软烘干:也称前烘。在液态的光刻胶中,溶剂成分占65%-85%,甩胶之后虽然液态的光刻胶已经成为固态的薄膜,但仍有10%-30%的溶剂,容易玷污灰尘。通过在较高温度下进行烘培,可以使溶剂从光刻胶中挥发出来(前烘后溶剂含量降至5%左右),从而降低了灰尘的玷污。同时还可以减轻因高速旋转形成的薄膜应力,从而提高光刻胶的附着性。在前烘过程中,由于溶剂挥发,光刻胶厚度也会减薄,一般减薄的幅度为10%-20%左右。

  4、曝光:曝光过程中,光刻胶中的感光剂发生光化学反应,从而使正胶的感光区、负胶的非感光区能够溶解于显影液中。正性光刻胶中的感光剂DQ发生光化学反应,变为乙烯酮,进一步水解为茚并羧酸(Indene-Carboxylic-Acid,简称ICA),羧酸对碱性溶剂的溶解度比未感光的感光剂高出约100倍,同时还会促进酚醛树脂的溶解。于是利用感光与未感光的光刻胶对碱性溶剂的不同溶解度,就可以进行掩膜图形的转移。

  5、显影(development) :经显影,正胶的感光区、负胶的非感光区溶解于显影液中,曝光后在光刻胶层中的潜在图形,显影后便显现出来,在光刻胶上形成三位图形。为了提高分辨率,几乎每一种光刻胶都有专门的显影液,以保证高质量的显影效果。

  6、硬烘干:也称坚膜。显影后,硅片还要经过一个高温处理过程,主要作用是除去光刻胶中剩余的溶剂,增强光刻胶对硅片表面的附着力,同时提高光刻胶在刻蚀和离子注入过程中的抗蚀性和保护能力。在此温度下,光刻胶将软化,形成类似玻璃体在高温下的熔融状态。这会使光刻胶表面在表面张力作用下圆滑化,并使光刻胶层中的缺陷(如针孔)因此减少,借此修正光刻胶图形的边缘轮廓。

  7、刻(腐)蚀或离子注入

  8、去胶:刻蚀或离子注入之后,已经不再需要光刻胶作保护层,可以将其除去,称为去胶,分为湿法去胶和干法去胶,其中湿法去胶又分有机溶剂去胶和无机溶剂去胶。有机溶剂去胶,主要是使光刻胶溶于有机溶剂而除去;无机溶剂去胶则是利用光刻胶本身也是有机物的特点,通过一些无机溶剂,将光刻胶中的碳元素氧化为二氧化碳而将其除去;干法去胶,则是用等离子体将光刻胶剥除。

4光刻胶的主要技术参数

  a、分辨率(resolution)。区别硅片表面相邻图形特征的能力。一般用关键尺寸(CD,Critical Dimension)来衡量分辨率。形成的关键尺寸越小,光刻胶的分辨率越好。

  b、对比度(Contrast)。指光刻胶从曝光区到非曝光区过渡的陡度。对比度越好,形成图形的侧壁越陡峭,分辨率越好。

  c、敏感度(Sensitivity)。光刻胶上产生一个良好的图形所需一定波长光的最小能量值(或最小曝光量)。单位:毫焦/平方厘米或mJ/cm2。光刻胶的敏感性对于波长更短的深紫外光(DUV)、极深紫外光(EUV)等尤为重要。

  d、粘滞性/黏度 (Viscosity)。衡量光刻胶流动特性的参数。粘滞性随着光刻胶中的溶剂的减少而增加;高的粘滞性会产生厚的光刻胶;越小的粘滞性,就有越均匀的光 刻胶厚度。光刻胶的比重(SG,Specific Gravity)是衡量光刻胶的密度的指标。它与光刻胶中的固体含量有关。较大的比重意味着光刻胶中含有更多的固体,粘滞性更高、流动性更差。粘度的单 位:泊(poise),光刻胶一般用厘泊(cps,厘泊为1%泊)来度量。百分泊即厘泊为绝对粘滞率;运动粘滞率定义为:运动粘滞率=绝对粘滞率/比重。 单位:百分斯托克斯(cs)=cps/SG。

  e、粘附性(Adherence)。表征光刻胶粘着于衬底的强度。光刻胶的粘附性不足会导致硅片表面的图形变形。光刻胶的粘附性必须经受住后续工艺(刻蚀、离子注入等)。

  f、抗蚀性(Anti-etching)。光刻胶必须保持它的粘附性,在后续的刻蚀工序中保护衬底表面。耐热稳定性、抗刻蚀能力和抗离子轰击能力。

  g、表面张力(Surface Tension)。液体中将表面分子拉向液体主体内的分子间吸引力。光刻胶应该具有比较小的表面张力,使光刻胶具有良好的流动性和覆盖。

  h、存储和传送(Storage and Transmission)。能量(光和热)可以激活光刻胶。应该存储在密闭、低温、不透光的盒中。同时必须规定光刻胶的闲置期限和存贮温度环境。一旦超过存储时间或较高的温度范围,负胶会发生交联,正胶会发生感光延迟。

 
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