单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第十一讲,光刻胶的研究进展,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,内容光刻胶：正胶与反胶,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,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,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。,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,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,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/cm,2,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,光刻胶使用性能指标：灵敏度和分辨率,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,电子决定了芳香烃的特殊性质,芳香族环烃和长链聚合物,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,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,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,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,简单的光刻胶,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,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,半导体-第十一讲-光刻胶的研究进展课件,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,最常用的方法是旋转涂胶,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,胶厚和胶厚的均匀性是建立好的光刻工艺的关键参数,旋转涂胶之后，圆片必须经历一次软烘，或称前烘,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,90,100,o,C,，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,。,旋转涂胶之后，圆片必须经历一次软烘，或称前烘,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,曝光之后，圆片必须经过显影,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,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,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,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,当DQN胶用于短波长时，往往会有化学放大作用,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,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,半导体-第十一讲-光刻胶的研究进展课件,聚异丁烯酸甲脂,(PMMA),是一种典型的深紫外光刻胶，或在那些更复杂的胶中作为基体部分,在展示光刻机极限分辨率时很受欢迎的胶，但另一方面作为图像层其用途却是有限的,PMMA,是一种长链聚合物，由,H-C-H,和,CH-C-COOCH,，成分交替组成。这个链常被压缩或“卷曲”。在深紫外曝光中，长链可被断开，一个或多个碳原子以不饱和键形式留下，即要么是甲基,(CH,3,）要么是脂,(COOCH,3,),侧链被改变,如果主链断开，生成的短分子更易于在显影剂中溶解。由溶解的气体产物,(CH,3,、,CH,3,OH,和,HCOOCH,3,),产生的微泡沫也可增加溶解速率,聚异丁烯酸甲脂(PMMA)是一种典型的深紫外光刻胶，或在那,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片的表面,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,cm,2,，而要求的灵敏度通常是,5-10 mJ,cm,2,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。,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，,替代材料如聚,(4-,烃基,-,苯乙烯,),比常用的酚醛树脂化合物更为透明，但是它们极难使对溶解的抑制能力达到足够的程度,二甲基的替换使这种基体材料的溶解速度下降了,500,倍，接近高性能胶所需要的溶解速度,另一个关于深紫外胶的设想是采用完全不同的化学途径。部分最有希望的典型,193nm,光刻胶使用,PAG,、保护剂、以及各种丙烯酸基的基体,丙烯酸基的光刻胶与简单的,PMMA,相比，虽然有一些改善，同样存在抗刻蚀性差的问题,为了改善抗刻蚀性能，将不同的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,替代材料如聚(4-烃基-苯乙烯)比常用的酚醛树脂化合物更为透,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,0.10,m,，如果能开发出适合,157nm,光源的光学材料的话，或许能到,0.05,m,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,0.05,m,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),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,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