• 胶厚和胶厚的均匀性是建立好的光刻工 艺的关键参数 • 厚度与涂胶量并没有很大的关系 • 旋转之后滴在圆片上的胶只能保留1％以 下，其余的在旋转时飞离圆片 • 为了避免胶的再淀积，旋转器的吸盘周 围都有防溅装置 • 胶的厚度主要由胶的黏度和转速决定， 较高的黏稠度和较低的转速产生较厚的 光刻胶
• 旋转涂胶之后，圆片必须经历一次软烘，或称
光刻胶的涂敷和显影
• 对于正性胶，为了获得平坦而均匀的光刻胶涂层并且使 光刻胶与圆片之间有良好的黏附性，通常在涂胶之前必 须对圆片进行预处理 • 预处理的第一步常常是一次脱水烘烤，在真空或干燥氮 气的气氛中，以 150 ～ 200℃烘烤。该步的目的是除去圆 片表面吸附的水分，在此温度下，圆片表面大概保留下 一个单分子层的水 • 紧 接 在 烘 烤 之 后 的 通 常 是 六 甲 基 二 硅 亚 胺 (HMDS ： hexamethyldisilazane)的涂布，这是一种增黏剂 • HMDS可用蒸气法涂布，就是将圆片悬挂在一个高蒸气压 HMDS液体容器之上，使蒸气涂布在圆片的表面 • 也可通过在圆片上滴一定量的液态HMDS，并旋转圆片使 液体铺开，以形成一个非常薄的均匀涂层的方法，直接 把液态HMDS涂敷在圆片的表面
• 最常用的方法是旋转涂胶 • 用真空吸盘将圆片固定，吸盘是一个平的、与真空管 线相连的空心金属盘。吸盘表面有许多小儿当圆片放 在其上面时，真空的吸力使圆片与吸盘紧密接触 • 接着一个事先确定好的胶量被滴在圆片表面，吸盘上 施加的转矩使其按一个受控的速率迅速上升至最大旋 转速度，通常为2000～6000 r／min • 胶刚被滴到圆片上，溶剂就开始从胶中挥发，所以要 想获得好的均匀性，圆片旋转的加速阶段是至关重要 的 • 圆片以最大旋转速度旋转一个固定的时间段之后以受 控的方式减速至停止 • 这种涂胶方法的一个变种称为动态滴胶，即在圆片以 低速度旋转的同时将一部分或全部光刻胶滴到圆片上， 这种方法使胶在圆片高速旋转之前已在整个圆片上铺 开
第十一讲
光刻胶的研究进展
内容
• • • • • 光刻胶：正胶与反胶 光刻胶的涂敷和显影 非光学光刻技术 深亚微米光刻的新光刻胶工艺技术 直写电子束光刻系统
• 光刻胶在曝光之后，被浸入显影溶液中。 在显影过程中，正性光刻胶曝过光的区域 溶解得要快得多。理想情况下，未曝光的 区域保持不变。负性光刻胶正好相反，在 显影剂中未曝光的区域将溶解，而曝光的 区域被保留。正胶的分辨率往往是最好的， 因此在IC制造中的应用更为普及
• 芳香族环烃和长链聚合物 • 芳香族环烃由六个排列成平面六角结构 的碳原子组成 • 苯，每一个碳原子都与一个氢原子相连 • 碳原子通过与两个与其紧相邻的碳原子 之间的共价键获得两个电子，与氢结合 获得一个电子，每个碳原子的最后一个 未配对电子参与一个非局域化的键，该 键的形状为围绕着苯分子的一个环。正 是这个高游离的非局域化π电子决定了芳 香烃的特殊性质
• 化学放大的使用在中紫外胶应用中可被看成是 增加生产的因素，但是化学放大的使用在正在 研究的深紫外胶中却起着至关重要的作用 • 光子的高能量使得基体的吸收几乎不可避免， 因此目前正在研究中的所有用于深紫外(248nm 或更短波长)的胶都使用某种化学放大剂作为感 光化合物 • 典型的DUV胶由具有一些感光性的基体、PAG、 保护剂以及改良剂如溶剂组成 • 对于深紫外曝光，这些材料中没有一种能够确 定下来
• PMMA的另一个主要限制是灵敏度低，PMMA的典型曝光剂量大 于200mJ／cm2，而要求的灵敏度通常是5-10 mJ／cm2
• 为了生产出更实用的胶，各种PAG被加入PMMA类化合物。在某些 情况下，这些添加剂可增加抗刻蚀能力。第二个增加灵敏度的方 法是将圆片在高温下曝光。这种方法的另一优点是对比度增加 • 尽管灵敏度可得到改善，但是PMMA基光刻胶的不良抗刻蚀能力 和短储存时间促进了深紫外基体替代材料的发展。
• IC制造中用的光刻胶通常有三种成分，树脂或 基体材料、感光化合物(PAC：photoactive compound)、以及可控制光刻胶机械性能（例 如集体黏滞性）并使其保持液体状态的溶剂。 • 在正性光刻胶中，PAC在曝光前作为一种抑制 剂，降低光刻胶在显影溶液中的溶解速度。在 正性光刻胶暴露于光线时有化学反应发生，使 抑制剂变成了感光剂，从而增加了胶的溶解速 率。
• 所有的电子束系统都要求电子源具有高强度(亮 度)，高均匀性，束斑小，稳定性好，寿命长 • 在阴极加热时，电子可从电子枪的阴极逸出(热 电子发射)，加上一个大电场(场助发射)，两者 结合(热场助发射)，或者用光照(光发射) • 普通的电子源是热电子，原因是它的高亮度。 选择的灯丝材料必须使来自阴极的蒸发最小， 从而使寿命最长。电子枪主要的指标是发射电 子电流的密度
•
• 曝光之后，圆片必须经过显影 • 正性胶都用碱性显影剂，如KOH水溶液
• 在显影过程中，羧酸与显影剂反应，生成胺和 金属盐。在此过程中，KOH被消耗。如果要维 持连续的工艺过程，必须注意补充显影剂
• 在简单的浸没式显影中通过定期重灌显影剂来 补充
• 为了维持一个更加稳定的显影过程，在容器的 两次灌装之间，显影的时间常常是不断增加的
• 聚合物的分子很大，它是由许多小的重复单元连接而 成的，这些小的重复单元称为单体 • 一种聚合物可以包含的单体数少至五个，多至几千个。 典型的聚合物有塑料、橡胶以及树脂 • 由于碳易于与其自身结合，所以许多聚合物都是碳基 的。最简单的聚合物是聚乙烯 • 聚合物分子很坚固，并且有更高的密度 • 聚合物还可以发生交联，即与自己或与其他的聚合物 化合，这样可以进一步增加强度
• • • • 前烘 作用是去除胶中的大部分溶剂并使胶的曝光特 性固定 胶在显影剂中溶解的速率将极大地依赖于最终 光刻胶中的溶剂浓度 通常，软烘时间越短或温度越低会使得胶在显 影剂中的溶解速率增加且感光度更高，但是其 代价是对比度低 高温软烘能使PAC的光化学反应开始，导致胶 的未曝光区在显影剂中溶解 典型的软烘温度是90～100oC，时间范围从用 热板的30秒到用烘箱的30分钟。软烘之后留下 的溶剂浓度一般约为初始浓度的5％。
• 交联降低了这些分子在常用的溶剂中的溶解能力。相 反，如果聚合物分裂成一些短的链，其分子就更容易 溶解
• 简单的光刻胶
• 长链聚合物的曝光主要导致断链作用，聚合物 在显影剂中就更容易溶解，那么聚合物的行为 就像一个正色调的光刻胶 • 如果聚合物的曝光主要是产生交联，则曝过光 的光刻胶在显影剂中的溶解会变慢，那么聚合 物的行为与负色调的光刻胶一样 • 这种简单的光刻胶的问题之一，在于很难保证 以上断链和交联只有一种过程发生 • 改变聚合物的主要成分来增加其溶解的可能性， 或添加易反应的侧链来促进交联作用
• X射线和电子束光刻 • 波长是如此之短，以至于衍射不再对光刻分辨 率起决定作用 • 使用很短波长，因而很高能量的能源所带来的 关键问题是光刻掩模 • 现在还不知道是否有一种材料，它将允许绝大 部分能量通过一个厚的机械性能稳定的平板， 这是制造掩模版所需求的 • 无掩模版电子束直写 • 用于接近式X射线和用于投影式电子束光刻的 薄膜型掩模版 • 以及用于投影式X射线光刻反射掩模版
• 理想情况下，抑制剂应完全阻止光刻胶的任何 溶解，而增强剂则产生一个无限大的溶解速率
• 光刻胶使用性能指标：灵敏度和分辨率 • 灵敏度是指发生上述化学变化所需的光 能量（通常用mJ/cm2来度量） • 光刻胶的灵敏度越高，曝光过程越快， 因此对一个给定的曝光强度，所需的曝 光时间将缩短 • 分辨率是指能在光刻胶上再现的最小特 征尺寸 • 分辨率对曝光设备和光刻胶自身的工艺 有很强的依赖性
• PMMA有两个主要缺点。首先是胶的抗等离子体刻蚀能力非常低， 实际上比大多数被刻蚀的膜还要低。因此除非是采用非常厚的 PMMA层来保护一个非常薄的膜，否则在刻蚀时，膜还未刻蚀掉 之前胶已没有了
• 厚胶是很不实际的 • PMMA的分解改变了等离子体刻蚀的化学性质，常常导致聚合物 淀积在圆基团嫁接到单体的侧链 上。侧基如正莰醇基丙烯酸脂或Adamantyl丙烯酸脂的使 用可以改善胶的抗刻蚀能力使其接近酚醛树脂，但却使 灵敏度和分辨率降低 • 丙烯酸还有一个特有的缺点，就是显影过程中黏附不好
非光学光刻技术
• 光学光刻得以进一步扩展，是通过各种步进式光刻设备的 应用 • 它们具有高数值孔径的镜头，特别是使用紫外(UV)光源 • 使用了相移掩模或其他光学邻近校正技术。这项技术至少 可扩展到0.10m，如果能开发出适合157nm光源的光学材 料的话，或许能到0.05m • 光学光刻在这些几何尺寸上的发展是非常昂贵的。一套通 常在生产中供2000至3000圆片使用的光刻版，如果全部 层次需要完全光学邻近校正的话，价格可能超过两百万美 元 • 光学光刻因受价格影响不能进一步发展，或者特征尺寸缩 小到0.05m或者更小，就必须开发新的光刻技术 • 这些方法概括起来称作非光学光刻或者说下一代光刻(NGL)
• 沿胶深度的曝光很不均匀，因此小特征图形的侧墙为斜坡 状 • DQN不能用于0．25以下的特征尺寸，必须找到新的基体 材料和新的感光材料用于193nm曝光
• 当DQN胶用于短波长时，往往会有化学放大作用 • 化学放大胶(CAR：chemicalamplifiedresist)系统中，一 种附加的感光化合物被加入基体材料和感光剂中 • 曝光时化学放大添加剂起到大大地增加原始光化学过 程的作用。该过程的关键是一个单独的光事件能促使 许多后来的断键事件发生 • 典型的例子是光酸发生剂(PAG：photoacid generator)的 使用。一旦吸收一个光子，PAG的化学性质变得活泼而 溶解基体材料 • 这种胶系统已用于早期的1兆位DRAM、以及16兆位 DRAM小批量生产线中 • 不利倾向是留在胶中的金属玷污物
先进的光刻胶和光刻胶工艺
• • • • 有希望应用于未来深亚微米光刻的新光刻胶工艺技术 用于深紫外的应用 应用的主要困难之一是缺乏好的深紫外光刻胶 酚醛树脂化合物在波长低于250nm时开始很强地吸收，因 此勉强可以接受它们用于KrF(248nm)曝光，但是不能用于 更为理想的ArF(193nm)曝光