光刻膠(Photoresist)又稱光致抗蝕劑，是指通過紫外光、電子束、離子束、X射線等的照射或輻射，其溶解度發(fā)生變化的耐蝕劑刻薄膜材料。由感光樹脂、增感劑和溶劑3種主要成分組成的對光敏感的混合液體。在光刻工藝過程中，用作抗腐蝕涂層材料。半導(dǎo)體材料在表面加工時，若采用適當(dāng)?shù)挠羞x擇性的光刻膠，可在表面上得到所需的圖像。光刻膠按其形成的圖像分類有正性、負(fù)性兩大類。在光刻膠工藝過程中，涂層曝光、顯影后，曝光部分被溶解，未曝光部分留下來，該涂層材料為正性光刻膠。如果曝光部分被保留下來，而未曝光被溶解，該涂層材料為負(fù)性光刻膠。按曝光光源和輻射源的不同，又分為紫外光刻膠(包括紫外正、負(fù)性光刻膠)、深紫外光刻膠、X-射線膠、電子束膠、離子束膠等。光刻膠主要應(yīng)用于顯示面板、集成電路和半導(dǎo)體分立器件等細(xì)微圖形加工作業(yè) [6] 。光刻膠生產(chǎn)技術(shù)較為復(fù)雜，品種規(guī)格較多，在電子工業(yè)集成電路的制造中，對所使用光刻膠有嚴(yán)格的要求。
靈敏度靈敏度(Sensitivity)即光刻膠上產(chǎn)生一個良好的圖形所需一定波長光的最小能量值(或最小曝光量)。單位：毫焦/平方厘米或mJ/cm2。光刻膠的敏感性對于波長更短的深紫外光(DUV)、極深紫外光(EUV)等尤為重要 [5] 。負(fù)膠通常需5~15 s時間曝光，正膠較慢，其曝光時間為負(fù)膠的3~4倍 [41] 。靈敏度反映了光刻膠材料對某種波長的光的反應(yīng)程度。不同的光刻膠對于不同的波長的光是有選擇性的。比如248 nm波長光刻膠的成膜樹脂中存在苯環(huán)結(jié)構(gòu)，對193 nm波長的光具有很強(qiáng)的吸收作用，即對193 nm波長的光是不透明的，因此193 nm光刻膠必須改變樹脂主體。同時，高的產(chǎn)出要求短的曝光時間，對光刻膠的靈敏度要求也越來越高。通常以曝光劑量作為衡量光刻膠靈敏度的指標(biāo)，曝光劑量值越小，代表光刻膠的靈敏度越高。i線光刻膠材料曝光劑量在數(shù)百mJ/cm2左右，而KrF和ArF的光刻膠材料，其曝光劑量則在30和20 mJ/cm2左右 [4] 。靈敏度可以體現(xiàn)于光刻膠的對比度曲線上。
式中，DL為所有光刻膠被去掉所需的最低能量劑量，即靈敏度(也稱為曝光閾值);D0為光刻膠開始進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)作用的最低能量。對比度可以被認(rèn)為是光刻膠區(qū)分掩膜版上亮區(qū)和暗區(qū)能力的衡量標(biāo)準(zhǔn)，且輻照強(qiáng)度在光刻膠線條和間距的邊緣附近平滑變化。光刻膠的對比度越大，線條邊緣越陡，典型的光刻膠對比度為2~4。對于理想光刻膠來說，如果受到該閾值以上的曝光劑量，則光刻膠完全感光;反之，則完全不感光。實(shí)際上，光刻膠的曝光閾值存在一個分布，該分布范圍越窄，光刻膠的性能越好 。顯影薄膜的厚度與曝光能量的關(guān)系通常它是由如下方法測定的：將一已知厚度的光刻膠薄膜旋轉(zhuǎn)涂布于硅晶片之上，再軟烤除去多余的溶劑;然后，將此薄膜在不同能量的光源下曝光，再按一般程序顯影。測量不同曝光能量的光刻膠薄膜厚度，再對曝光能量作圖，即可由曲線線性部分的斜率求得對比度。如圖所示，γp和γn分別為正光刻膠和負(fù)光刻膠材料的對比度。同時，也可以得到該光刻膠的靈敏度(圖中的DL為靈敏度) [4] 。
分辨率分辨率(resolution，R)即光刻工藝中所能形成最小尺寸的有用圖像。是區(qū)別硅片表面相鄰圖形特征的能力。一般用關(guān)鍵尺寸(CD，Critical Dimension)來衡量分辨率。形成的關(guān)鍵尺寸越小，光刻膠的分辨率越好 [5] 。此性質(zhì)深受光刻膠材質(zhì)本身物理化學(xué)性質(zhì)的影響，必須避免光刻膠材料在顯影過程中收縮或在硬烤中流動。因此，若要使光刻材料擁有良好的分辨能力，需謹(jǐn)慎選擇高分子基材及所用的顯影劑 。分辨率和焦深都是光刻中圖像質(zhì)量的關(guān)鍵因素。在光刻中既要獲得更好的分辨率來形成關(guān)鍵尺寸圖形，又要保持合適的焦深是非常矛盾的。雖然分辨率非常依賴于曝光設(shè)備，但是高性能的曝光工具需要與之相配套的高性能的光刻膠才能真正獲得高分辨率的加工能力 。
抗蝕性抗蝕性(Anti-etching; Etching resistance)即光刻膠材料在刻蝕過程中的抵抗力。在圖形從光刻膠轉(zhuǎn)移到晶片的過程中，光刻膠材料必須能夠抵抗高能和高溫(>150℃)而不改變其原有特性 。在后續(xù)的刻蝕工序中保護(hù)襯底表面。耐熱穩(wěn)定性、抗刻蝕能力和抗離子轟擊能力 。在濕法刻蝕中，印有電路圖形的光刻膠需要連同硅片一同置入化學(xué)刻蝕液中，進(jìn)行很多次的濕法腐蝕。只有光刻膠具有很強(qiáng)的抗蝕性，才能保證刻蝕液按照所希望的選擇比刻蝕出曝光所得圖形，更好體現(xiàn)器件性能。在干法刻蝕中，例如集成電路工藝中在進(jìn)行阱區(qū)和源漏區(qū)離子注入時，需要有較好的保護(hù)電路圖形的能力，否則光刻膠會因?yàn)樵谧⑷氕h(huán)境中揮發(fā)而影響到注入腔的真空度。此時注入的離子將不會起到其在電路制造工藝中應(yīng)起到的作用，器件的電路性能受阻。
純度純度(Purity)指光刻膠必須在微粒含量、鈉和微量金屬雜質(zhì)及水含量方面達(dá)到嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)要求 。集成電路工藝對光刻膠的純度要求是非常嚴(yán)格的，尤其是金屬離子的含量。如由g線光刻膠發(fā)展到i線光刻膠材料時，金屬Na、Fe和K離子的含量由10-7降低到了10-8 。
黏附性黏附性(Adherence)是表征光刻膠黏著于襯底的強(qiáng)度。主要衡量光刻膠抗?jié)穹ǜg能力。它不僅與光刻膠本身的性質(zhì)有關(guān)，而且與襯底的性質(zhì)和其表面情況等有密切關(guān)系 。作為刻蝕阻擋層，光刻膠層必須和晶圓表面黏結(jié)得很好，才能夠忠實(shí)地把光刻層圖形轉(zhuǎn)移到晶圓表面層，光刻膠的黏附性不足會導(dǎo)致硅片表面的圖形變形。光刻膠的黏附性必須經(jīng)受住后續(xù)工藝(刻蝕、離子注入等) [5] 。通常負(fù)膠比正膠有更強(qiáng)的黏結(jié)能力 。
黏度黏滯性/黏度(Viscosity)是衡量光刻膠流動特性的參數(shù)。黏滯性隨著光刻膠中的溶劑的減少而增加;高的黏滯性會產(chǎn)生厚的光刻膠;越小的黏滯性，就有越均勻的光刻膠厚度。光刻膠的比重(SG，Specific Gravity)是衡量光刻膠的密度的指標(biāo)。它與光刻膠中的固體含量有關(guān)。較大的比重意味著光刻膠中含有更多的固體，黏滯性更高、流動性更差。黏度的單位：泊(P，1 P=10-1 Pa·s)，光刻膠一般用厘泊(cP，1 cP=10-2 P)來度量。百分泊即厘泊為絕對黏滯率;運(yùn)動黏滯率定義為：運(yùn)動黏滯率=絕對黏滯率/比重。 單位：百分斯托克斯(cst)=1 mm2/s 。大多數(shù)光刻膠生產(chǎn)商用在光刻膠中轉(zhuǎn)動風(fēng)向標(biāo)的方法測量黏度 。
表面張力表面張力(surface tension)指液體中將表面分子拉向液體主內(nèi)的分子間吸引力。光刻膠應(yīng)該具有比較小的表面張力，使光刻膠具有良好的流動性和覆蓋 。
針孔針孔是光刻膠層尺寸非常小的空穴。針孔是有害的，因?yàn)樗梢栽试S刻蝕劑滲過光刻膠層進(jìn)而在晶圓表面層刻蝕出小孔，針孔是在涂膠工藝中有環(huán)境中的微粒污染物造成的，或者由光刻膠層結(jié)構(gòu)上的空穴造成的。光刻膠層越厚，針孔越少，但它卻降低了分辨力，光刻膠厚度選擇過程中需權(quán)衡這兩個因素的影響。正膠的縱橫比更高，所以正膠可以用更厚的光刻膠膜達(dá)到想要的圖形尺寸，而且針孔更少。
熱流程光刻工藝過程中有兩個加熱的過程：軟烘焙和硬烘焙。工藝師通過高溫烘焙，盡可能使光刻膠黏結(jié)能力達(dá)到最大化。但光刻膠作為像塑料一樣的物質(zhì)，加熱會變軟和流動，對最終的圖形尺寸有重要影響，在工藝設(shè)計中必須考慮到熱流程帶來的尺寸變化。熱流程越穩(wěn)定，對工藝流程越有利。
其他在實(shí)際的工藝中光刻膠的選擇還必須考慮硅片表面的薄膜種類與性質(zhì)(反射率、親水性或疏水性)和產(chǎn)品圖形所需的解析度
下載文檔
