微细加工与MEMS技术8光刻胶

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1、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，简称正胶。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、2光刻胶的特性灵敏度曲线（对比度曲线）1.00.50D0入射剂量（C/cm2）未反应的归一化膜厚D1002、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=0.3×10-6

3、C/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灵敏度曲线越陡，D0与D100的间距就越小，则光刻胶的对比度就越大，这样有助于得到清晰的图形轮廓和高的分辨率。一般光刻胶的对比度在0.9~2.0之间。对于亚微米图形，要求对比度大于1。通常正胶的对比度要高于负胶。D0D100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

4、，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

5、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。3、负性电子束光刻胶为含有环氧基、乙烯基或环硫化物的聚合物。最常用的是COP胶，典型特性：灵敏度0.3~0.4C/cm2（加速电压10KV时）、分辨率1.0m、对比度0.95。限制分辨率的主要因素是光刻胶在显影时的溶胀。4、正性电子束光刻胶主要为甲基丙烯甲酯、烯砜和重氮类这三种聚合物。最常用的是PMMA胶，典型特性：灵敏度40~80C/cm2（加速电压

6、20KV时）、分辨率0.1m、对比度2~3。PMMA胶的主要优点是分辨率高。主要缺点是灵敏度低，此外在高温下易流动，耐干法刻蚀性差。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。S0S1S2S3T1

7、88Kcal72KcalEA(S1)=16KcalEA(S0)=38KcalRN与N2的间距势能感光分子吸收λ=365nm的光能（72Kcal）后，电子从基态S0跃迁到第一激发态S1，激活能由EA(S0)=38Kcal降为EA(S1)=16Kcal，反应速度加快。感光分子吸收λ=300nm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