2020-02-05小刘科研笔记之光刻工艺中的关键材料--光刻胶(一)

光刻胶是涂覆在基底表面的一层材料,正是通过对光刻胶的图形化,进而实现基底上的图形转移。

一、光刻胶的成分

光刻胶(photoresist,也作光致抗蚀剂,光阻),是一种由聚合物树脂(resin),光敏化合物(photoactive compound)和溶剂等混合而成的胶状液体,从成份上来讲,都是碳基有机化合物。

1.树脂,作为粘合剂的聚合物混合物,决定了光刻胶的机械和化学性能;

2.光敏化合物,决定了光刻胶的光敏感度:当受到特定波长能量束作用后,光敏化合物会分解或者聚合,激发化学反应,使受辐照区域在某些特定溶液中的溶解特性发生改变,或溶解性被增强或变得更难溶,进而形成光刻胶图案;

3.溶剂,则可以改变光刻胶的粘度,从而在合理的转速范围内得到所要的厚度。

二、光刻胶的分类

1.根据曝光后的特性分类

光刻胶有多种分类方法。最直观的是根据曝光后的特性分类:在能量束(光束、电子束、离子束等)的照射下,曝光部分以断链反应为主,在显影液中溶解,这样的光刻胶为正胶(positive photoresist)。与之相反,曝光部分以交联反应为主,在显影液中不易溶解,这样的光刻胶为负胶(negative photoresist)。

正/负胶光刻工艺示意图

2.按照感光波长来分类

(1) 用于I-线(365nm波长)和G-线(405nm波长)的光刻胶

目前绝大部分的I-线、G-线胶,都是以酚醛树脂(novolac resin)和二氮醌(diazoquinone,DNQ)为主要成分。分辨率高,且抗干法刻蚀性较强的显著优势使得I/G线紫外正胶广泛应用于0.8-1.2 mm、0.5-0.6 mm及0.35 mm集成电路的制作及液晶平面显示器等较大面积的电子产品制作。

(2)用于248 nm波长的光刻胶

酚醛树脂对250nm下波长的光有较强的吸收率,因此无法应用到248nm波长的光刻工艺。目前所有248nm、193nm以及193nm浸没式光刻胶都是化学放大胶。化学放大胶的主要成分是聚合物树脂、光致产酸剂(photo acid generator,PAG)以及相应的添加剂(additives)和溶剂。光子被PAG吸收后,PAG分解释放酸H+,酸分子作为催化剂,催化了化学放大式的反应模式,使得化学放大胶对光照非常敏感,很小的剂量就能完成整个区域的曝光。化学放大胶的基本工作原理可以用下图来描述。

化学放大胶的作用原理

(3)用于193 nm波长的光刻胶

193nm光刻胶的设计理念与248nm胶类似,主要成分有聚合物树脂、光致产酸剂、中和光之产酸剂的碱性中和剂(base quencher),另外还有功能添加剂(additives)。这些添加剂会对光刻胶的性能作微调,使之能符合特定工艺的要求。

(4)电子束光刻胶

电子束对光刻胶的曝光与光学曝光本质上是一样的,是利用高分子聚合物对电子敏感反应而形成曝光图形,可以获得非常高的分辨率。

PMMA胶在电子束的作用下发生断链反应

电子束作为下一代光刻技术要求所对应的光刻胶具有高的灵敏度、对比度以及抗干法刻蚀选择性。目前,电子光刻胶的品种主要有:

a) 聚甲基丙烯酸甲酯及其衍生物,典型的有PMMA等正性光刻胶;

b) 环氧系负胶,以甲基丙烯酸缩水甘油酯和丙烯酸乙酯的共聚物COP为代表;

c) 硅酮树脂系负胶,如硅油、硅橡胶等;

d) 聚砜系正胶,以聚(丁烯-1-砜)PBS为代表。

END

不积珪步,无以至千里;不积细流,无以成江海。做好每一份工作,都需要坚持不懈的学习。

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