微细和纳米加工技术 光学曝光技术（. 光刻胶的特性）

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1、★光刻胶是指一大类具有光敏化学作用的高分子聚合物材料。★光刻胶又称为“抗蚀剂”，因为它的作用就是作为抗刻蚀层保护晶圆表面。★光刻胶只是一种形象的说法，因为这类聚合物从外观上呈现为胶状液体。2.4光刻胶的特性1★光刻胶可以分为两类：正型胶与负型胶。★就光敏化学反应而言，聚合物的长链分子因光照而截断成短链分子的为正型胶；聚合物的短链分子因光照而交连成长链分子的为负型胶。短链分子聚合物可以被显影液溶解掉，因此正型胶的曝光部分被去除，而负型胶的曝光部分被保留。正型光刻胶和负型光刻胶图2.10正型光刻胶与负型光刻胶的区别2★光刻胶一般由4个基本成分

2、组成，即树脂型聚合物、溶剂、光活性物质、添加剂。光刻胶的基本成分★值得提出的是，光刻胶并不意味着仅对光辐射敏感，有些光刻胶对电子束、离子束或X射线也敏感，因此这些胶可同时用来做其他加工工艺中的抗蚀剂。★不管是光致抗蚀剂还是电子抗蚀剂，人们总希望在曝光前，抗蚀剂完全不起化学变化，而在曝光后，则应迅速起化学变化。这是对抗蚀剂的基本要求。★树脂型聚合物是光刻胶的主体，它使胶具有抗刻蚀性能。★溶剂使树脂型聚合物保持液体状态以利于涂覆。★光活性物质控制树脂型聚合物对某一特定光波长的感光度。★添加剂用于控制胶的光吸收率或溶解度。3★灵敏度是衡量曝光速

3、度的指标。★光刻胶的灵敏度越高，所需要的曝光剂量越小。★曝光剂量以毫焦耳每平方厘米(mJ／cm2)为单位。曝光剂量=光强（mW/cm2）×时间★光刻胶聚合物分子的断链或交链是通过吸收特定波长光辐射能量完成的。★一种光刻胶通常只在某一特定波长范围内使用，因此G线与I线胶一般不能通用。且G线或I线胶完全不能用于深紫外曝光。2．4．1光刻胶的一般特性一、灵敏度4★对比度与灵敏度的定义如图中的显影曲线所示。该曲线也称做对比度函数。显影曲线上的横坐标表示曝光剂量，纵坐标代表显影后胶膜留下的厚度（归一化值）。显影曲线的斜率越大，光刻胶的对比度越高。(

4、a)正型胶显影曲线(b)负型胶显影曲线二、光刻胶的对比度图2.11正型胶与负型胶的灵敏度与对比度的定义★对比度高的光刻胶所得到的曝光图形具有陡直的边壁和较高的图形高宽比。5★典型的光刻胶对比度为2~4。★另外，对于给定的某种胶，其对比度曲线并不固定，它们取决于显影过程、前烘和曝光之后烘烤过程、曝光辐照的波长、圆片的表面反射率、以及一些其他的因素。★表为几种商用光刻胶在不同波长时的典型对比度值。光刻胶的对比度数值6★对比度直接影响到胶的分辨能力。对比度越大，剖面越陡。★虽然曝光时间越长，曝光能量越大，剖面越陡，但是生产效率太低。对比度对光刻

5、胶剖面形状的影响(a)正型胶显影曲线(b)负型胶显影曲线7★不同对比度的胶所形成的图形轮廓不同。在同样的曝光条件下，由于胶的对比度不同而形成了完全不同的曝光结果。★剖面形状除了和对比度有关外，还与光在胶层里的吸收及光的散射等有关。(a)低对比度胶形成的剖面图2.12不同对比度的胶形成的剖面形状(负型胶，相同曝光与显影条件，计算机模拟结果)(b)高对比度胶形成的剖面不同对比度的胶形成的剖面形状8★如果光刻胶图形将作为等离子体刻蚀掩模，就需要有较高的抗刻蚀性。★这一性能通常是以刻蚀胶的速率与刻蚀衬底材料的速率之比来表示的。★例如，某一光刻胶与

6、硅的抗刻蚀比为10，这说明当刻蚀硅的速率为1μm／min时，胶的损失只有100nm／min。★抗刻蚀比的高低也决定了要涂多厚的胶才能实现对衬底材料某一深度的刻蚀。三、光刻胶的抗刻蚀比负性正性9★光刻胶的分辨能力是一个综合指标。★影响分辨能力的因素有3个方面：①曝光系统的分辨率；②光刻胶的相对分子质量、分子平均分布、对比度与胶厚；③显影条件与前后烘烤温度。★一般薄胶层容易获得高分辨图形，但胶层厚度必须与胶的抗刻蚀比综合加以考虑。★正型胶的过量显影或负型胶的显影不足都会影响分辨率。★烘烤温度过高，使胶软化流动，也会破坏曝光图形的分辨率。四、光

7、刻胶的分辨能力10★如果光刻胶在偏离最佳曝光剂量的情况下，曝光图形的线宽变化较小，则说明此光刻胶有较大的曝光宽容度。★一般，曝光宽容度定义为偏离标准线宽±10％的曝光剂量范围。★图是两种胶在不同曝光剂量下所形成的图形线宽。设计线宽是0．45μm。可见，图中A型胶比B型胶相有较大的曝光宽容度。五、光刻胶的曝光宽容度图2.13两种胶形成的线宽随曝光剂量的变化(曝光宽容度定义为偏离标准线宽±10％的曝光剂量范围)★曝光宽容度大的胶受曝光能量浮动或不均匀的影响较小。11★前后烘烤的温度、显影时间、显影液浓度与温度都会对最后的光刻胶图形产生影响。每

8、一套工艺都有相应的最佳工艺条件。★但当这些条件偏离最佳值时，要求光刻胶的性能变化尽量小，即有较大的工艺宽容度。★这样的胶对工艺条件的控制有一定的宽容性，因而可获得较高的成品率。六、光刻胶的工艺