光刻膠的定義及主要作用

光刻膠是一種有機化合物，它受紫外光曝光后，在顯影液中的溶解度會發(fā)生變化。一般光刻膠以液態(tài)涂覆在硅片表面上，曝光后烘烤成固態(tài)。

光刻膠的作用：

    1、將掩膜板上的圖形轉移到硅片表面的氧化層中；

2、在后續(xù)工序中，保護下面的材料（刻蝕或離子注入）。

光刻膠起源

光刻開始于一種稱作光刻膠的感光性液體的應用。圖形能被映射到光刻膠上，然后用一個developer就能做出需要的模板圖案。光刻膠溶液通常被旋轉式滴入wafer。wafer被裝到一個每分鐘能轉幾千轉的轉盤上。幾滴光刻膠溶液就被滴到旋轉中的wafer的中心，離心力把溶液甩到表面的所有地方。光刻膠溶液黏著在wafer上形成一層均勻的薄膜。多余的溶液從旋轉中的wafer上被甩掉。薄膜在幾秒鐘之內就縮到它最終的厚度，溶劑很快就蒸發(fā)掉了，wafer上就留下了一薄層光刻膠。最后通過烘焙去掉最后剩下的溶劑并使光刻膠變硬以便后續(xù)處理。鍍過膜的wafer對特定波成的光線很敏感，特別是紫外（UV）線。相對來說他們仍舊對其他波長的，包括紅，橙和黃光不太敏感。所以大多數(shù)光刻車間有特殊的黃光系統(tǒng)。

光刻膠的主要技術參數(shù)

a、分辨率（resolution）。區(qū)別硅片表面相鄰圖形特征的能力。一般用關鍵尺寸（CD，Critical Dimension）來衡量分辨率。形成的關鍵尺寸越小，光刻膠的分辨率越好。

    b、對比度（Contrast）。指光刻膠從曝光區(qū)到非曝光區(qū)過渡的陡度。對比度越好，形成圖形的側壁越陡峭，分辨率越好。

    c、敏感度（Sensitivity）。光刻膠上產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。

    d、粘滯性/黏度 （Viscosity）。衡量光刻膠流動特性的參數(shù)。粘滯性隨著光刻膠中的溶劑的減少而增加；高的粘滯性會產生厚的光刻膠；越小的粘滯性，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。它與光刻膠中的固體含量有關。較大的比重意味著光刻膠中含有更多的固體，粘滯性更高、流動性更差。粘度的單 位：泊（poise），光刻膠一般用厘泊（cps，厘泊為1%泊）來度量。百分泊即厘泊為絕對粘滯率；運動粘滯率定義為：運動粘滯率=絕對粘滯率/比重。 單位：百分斯托克斯（cs）＝cps/SG。

e、粘附性（Adherence）。表征光刻膠粘著于襯底的強度。光刻膠的粘附性不足會導致硅片表面的圖形變形。光刻膠的粘附性必須經(jīng)受住后續(xù)工藝（刻蝕、離子注入等）。

    f、抗蝕性（Anti-etching）。光刻膠必須保持它的粘附性，在后續(xù)的刻蝕工序中保護襯底表面。耐熱穩(wěn)定性、抗刻蝕能力和抗離子轟擊能力。

    g、表面張力（Surface Tension）。液體中將表面分子拉向液體主體內的分子間吸引力。光刻膠應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。

h、存儲和傳送（Storage and Transmission）。能量（光和熱）可以激活光刻膠。應該存儲在密閉、低溫、不透光的盒中。同時必須規(guī)定光刻膠的閑置期限和存貯溫度環(huán)境。一旦超過存儲時間或較高的溫度范圍，負膠會發(fā)生交聯(lián)，正膠會發(fā)生感光延遲。

光刻膠的分類

a、根據(jù)光刻膠按照如何響應紫外光的特性可以分為兩類：負性光刻膠和正性光刻膠。

　　負性光刻膠（Negative Photo Resist）。最早使用，一直到20世紀70年代。曝光區(qū)域發(fā)生交聯(lián)，難溶于顯影液。特性：良好的粘附能力、良好的阻擋作用、感光速度快；顯影時發(fā)生變形和膨脹。所以只能用于2μm的分辨率。

　　正性光刻膠（Positive Photo Resist）。20世紀70年代，有負性轉用正性。正性光刻膠的曝光區(qū)域更加容易溶解于顯影液。特性：分辨率高、臺階覆蓋好、對比度好；粘附性差、抗刻蝕能力差、高成本。

    b、根據(jù)光刻膠能形成圖形的最小光刻尺寸來分：傳統(tǒng)光刻膠和化學放大光刻膠。

　　傳統(tǒng)光刻膠。適用于I線（365nm）、H線（405nm）和G線（436nm），關鍵尺寸在0.35μm及其以上。

    化學放大光刻膠（CAR，Chemical Amplified Resist）。適用于深紫外線（DUV）波長的光刻膠。KrF（248nm）和ArF（193nm）。

光刻膠的化學性質

a、傳統(tǒng)光刻膠：正膠和負膠。

光刻膠的組成：樹脂（resin/polymer），光刻膠中不同材料的粘合劑，給與光刻膠的機械與化學性質（如粘附性、膠膜厚度、熱穩(wěn)定性等）；感光 劑，感光劑對光能發(fā)生光化學反應；溶劑（Solvent），保持光刻膠的液體狀態(tài)，使之具有良好的流動性；添加劑（Additive），用以改變光刻膠的 某些特性，如改善光刻膠發(fā)生反射而添加染色劑等。

  　負性光刻膠。樹脂是聚異戊二烯，一種天然的橡膠；溶劑是二甲苯；感光劑是一種經(jīng)過曝光后釋放出氮氣的光敏劑，產生的自由基在橡膠分子間形成交聯(lián)。從而變得不溶于顯影液。負性光刻膠在曝光區(qū)由溶劑引起泡漲；曝光時光刻膠容易與氮氣反應而抑制交聯(lián)。

　　正性光刻膠。樹脂是一種叫做線性酚醛樹脂的酚醛甲醛，提供光刻膠的粘附性、化 學抗蝕性，當沒有溶解抑制劑存在時，線性酚醛樹脂會溶解在顯影液中；感光劑是光敏化合物（PAC，Photo Active Compound），最常見的是重氮萘醌（DNQ），在曝光前，DNQ是一種強烈的溶解抑制劑，降低樹脂的溶解速度。在紫外曝光后，DNQ在光刻膠中化學 分解，成為溶解度增強劑，大幅提高顯影液中的溶解度因子至100或者更高。這種曝光反應會在DNQ中產生羧酸，它在顯影液中溶解度很高。正性光刻膠具有很 好的對比度，所以生成的圖形具有良好的分辨率。

b、化學放大光刻膠（CAR，Chemical Amplified Resist）。

樹脂是具有化學基團保護（t-BOC）的聚乙烯（PHS）。有保護團的樹脂不溶于水；感光劑是光酸產生劑（PAG，Photo Acid Generator），光刻膠曝光后，在曝光區(qū)的PAG發(fā)生光化學反應會產生一種酸。該酸在曝光后熱烘（PEB，Post Exposure Baking）時，作為化學催化劑將樹脂上的保護基團移走，從而使曝光區(qū)域的光刻膠由原來不溶于水轉變?yōu)楦叨热苡谝运疄橹饕煞值娘@影液?；瘜W放大光刻膠 曝光速度非?？?，大約是DNQ線性酚醛樹脂光刻膠的10倍；對短波長光源具有很好的光學敏感性；提供陡直側墻，具有高的對比度；具有0.25μm及其以下 尺寸的高分辨率。