光刻膠由光引發(fā)劑、樹(shù)脂、溶劑等基礎(chǔ)組分組成,又被稱(chēng)為光致抗蝕劑,這是一種對(duì)光非常敏感的化合物。此外,光刻膠中還會(huì)添加光增感劑、光致產(chǎn)酸劑等成分來(lái)達(dá)到提高光引發(fā)效率、優(yōu)化線(xiàn)路圖形精密度的目的。在受到紫外光曝光后,它在顯影液中的溶解度會(huì)發(fā)生變化。
分類(lèi)
根據(jù)光刻膠按照如何響應(yīng)紫外光的特性可以分為兩類(lèi)。
正膠(Positive Photo Resist)
曝光前對(duì)顯影液不可溶,而曝光后變成了可溶的,能得到與掩模板遮光區(qū)相同的圖形。
優(yōu)點(diǎn):分辨率高、對(duì)比度好。
缺點(diǎn):粘附性差、抗刻蝕能力差、高成本。
靈敏度:曝光區(qū)域光刻膠完全溶解時(shí)所需的能量
負(fù)膠(Negative Photo Resist)
與正膠反之。
優(yōu)點(diǎn): 良好的粘附能力和抗刻蝕能力、感光速度快。
缺點(diǎn): 顯影時(shí)發(fā)生變形和膨脹,導(dǎo)致其分辨率。
靈敏度:保留曝光區(qū)域光刻膠原始厚度的50%所需的能量。
按感光樹(shù)脂的化學(xué)結(jié)構(gòu),光刻膠可分為光聚合型光刻膠、光分解型光刻膠和光交聯(lián)型光刻膠。在應(yīng)用中,采用不同單體可以形成正、負(fù)圖案,并可在光刻過(guò)程中改變材料溶解性、抗蝕性等。
光聚合型光刻膠
烯類(lèi),在光作用下生成自由基,自由基再進(jìn)一步引發(fā)單體聚合。
光分解型光刻膠
疊氮醌類(lèi)化合物,經(jīng)光照后,會(huì)發(fā)生光分解反應(yīng),由油溶性變?yōu)樗苄浴?/p>
光交聯(lián)型光刻膠
聚乙烯醇月桂酸酯,在光的作用下,分子中的雙鍵打開(kāi),鏈與鏈之間發(fā)生交聯(lián),形成一種不溶性的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)從而起到抗蝕作用。
按曝光波長(zhǎng),光刻膠可分為紫外(300~450 nm)光刻膠、深紫外(160~280 nm)光刻膠、極紫外(EUV,13.5 nm)光刻膠、電子束光刻膠、離子束光刻膠、X 射線(xiàn)光刻膠等。
按應(yīng)用領(lǐng)域,光刻膠可分為PCB 光刻膠、LCD 光刻膠、半導(dǎo)體光刻膠等。PCB 光刻膠技術(shù)壁壘相對(duì)其他兩類(lèi)較低,而半導(dǎo)體光刻膠代表著光刻膠技術(shù)最先進(jìn)的水平。
PCB 光刻膠
主要分為干膜光刻膠、濕膜光刻膠(又稱(chēng)為抗蝕刻/線(xiàn)路油墨)、光成像阻焊油墨等。PCB 光刻膠技術(shù)壁壘相對(duì)較低,主要是中低端產(chǎn)品。
LCD 光刻膠
包含彩色濾光片用彩色光刻膠及黑色光刻膠、LCD 觸摸屏用光刻膠、TFT-LCD 正性光刻膠等產(chǎn)品。
彩色濾光片是LCD 實(shí)現(xiàn)彩色顯示的關(guān)鍵器件,占面板成本的14%~16%;在彩色濾光片中,彩色光刻膠和黑色光刻膠是核心材料,占其成本的27%左右,其中黑色光刻膠占彩色濾光片材料成本的6%~8%。
半導(dǎo)體光刻膠
包括g 線(xiàn)光刻膠、i 線(xiàn)光刻膠、KrF 光刻膠、ArF 光刻膠、聚酰亞胺光刻膠、掩膜板光刻膠等。
光刻膠組分及功能
光引發(fā)劑
光引發(fā)劑吸收光能(輻射能)后經(jīng)激發(fā)生成活性中間體,并進(jìn)一步引發(fā)聚合反應(yīng)或其他化學(xué)反應(yīng),是光刻膠的關(guān)鍵組分,對(duì)光刻膠的感光度、分辨率等起決定性作用。
樹(shù)脂
光刻膠的基本骨架,是其中占比最大的組分,主要決定曝光后光刻膠的基本性能,包括硬度、柔韌性、附著力、曝光前后對(duì)溶劑溶解度的變化程度、光學(xué)性能、耐老化性、耐蝕刻性、熱穩(wěn)定性等。
溶劑
溶解各組分,是后續(xù)聚合反應(yīng)的介質(zhì),另外可調(diào)節(jié)成膜。
單體
含有可聚合官能團(tuán)的小分子,也稱(chēng)之為活性稀釋劑,一般參加光固化反應(yīng),可降低光固化體系粘度并調(diào)節(jié)光固化材料的各種性能。
光增感劑
是引發(fā)助劑,能吸收光能并轉(zhuǎn)移給光引發(fā)劑,或本身不吸收光能但協(xié)同參與光化學(xué)反應(yīng),起到提高引發(fā)效率的作用。
光致產(chǎn)酸劑
吸收光能生成酸性物質(zhì)并使曝光區(qū)域發(fā)生酸解反應(yīng),用于化學(xué)增幅型光刻膠。
助劑
根據(jù)不同的用途添加的顏料、固化劑、分散劑等調(diào)節(jié)性能的添加劑。
主要技術(shù)參數(shù)
分辨率(resolution)
是指光刻膠可再現(xiàn)圖形的最小尺寸。一般用關(guān)鍵尺寸來(lái)(CD,CriticalDimension)衡量分辨率。
對(duì)比度(Contrast)
指光刻膠從曝光區(qū)到非曝光區(qū)過(guò)渡的陡度。
敏感度(Sensitivity)
光刻膠上產(chǎn)生一個(gè)良好的圖形所需一定波長(zhǎng)光的最小能量值(或最小曝光量)。單位:毫焦/平方厘mJ/cm2。
粘滯性/黏度 (Viscosity)
衡量光刻膠流動(dòng)特性的參數(shù)。光刻膠中的溶劑揮發(fā)會(huì)使粘滯性增加。
粘附性(Adherence)
是指光刻膠與晶圓之間的粘著強(qiáng)度。
抗蝕性(Anti-etching)
光刻膠黏膜必須保持它的粘附性,并在后續(xù)的濕刻和干刻中保護(hù)襯體表面,這種性質(zhì)被稱(chēng)為抗蝕性。
表面張力(SurfaceTension)
液體中將表面分子拉向液體主體內(nèi)的分子間的吸引力。
光刻工藝流程
1前處理
微粒清除:
wafer表面的雜質(zhì)微粒會(huì)影響光刻膠的粘附,且會(huì)損壞光刻的圖形,造成成品率的下降,所以必須要清潔掉表面的雜質(zhì)顆粒、表面沾污以及自然氧化層等。
微粒清除方法:
高壓氮?dú)獯党?,化學(xué)濕法清洗,旋轉(zhuǎn)刷刷洗,高壓水噴濺等。
烘干:
經(jīng)過(guò)清潔處理后的晶圓表面會(huì)含有一定的水分(親水性表面),所以必須將其表面烘烤干燥(干燥的表面為憎水性表面),以便增加光刻膠和晶圓表面的粘附能力。
保持憎水性表面的方法:
一種是把室內(nèi)濕度保持在50%以下,并且在晶園完成前一步工藝之后盡可能快地對(duì)晶園進(jìn)行涂膠。另一種是把晶園儲(chǔ)存在用干燥且干凈的氮?dú)鈨艋^(guò)的干燥器中。
此外,一個(gè)加熱的操作也可以使晶圓表面恢復(fù)到憎水性表面。
有三種溫度范圍:150℃-200℃(低溫),此時(shí)晶圓表面會(huì)被蒸發(fā);到了400℃(中溫)時(shí),與晶圓表面結(jié)合較松的水分子會(huì)離開(kāi);當(dāng)超過(guò)750℃(高溫)時(shí),晶圓表面從化學(xué)性質(zhì)上將恢復(fù)到了憎水性條件。通常采用低溫烘烤,原因是操作簡(jiǎn)單。
增粘處理:
增粘的作用是增強(qiáng)wafer與光刻膠之間的粘著力。
原因是絕大多數(shù)光刻膠所含的高分子聚合物是疏水的,而氧化物表面的羥基是親水的,兩者表面粘附性不好。
通常用的增粘劑:
HMDS(六甲基二硅胺烷)。親水的帶羥基的硅烷醇→疏水的硅氧烷結(jié)構(gòu),既易與晶圓表面結(jié)合,又易與光刻膠粘合。
方法有:
沉浸式,旋涂法和蒸汽法
2涂膠
涂膠工藝的目的就是在晶園表面建立薄的、均勻的、并且沒(méi)有缺陷的光刻膠膜。一般來(lái)說(shuō),光刻膠膜厚從0.5um到1.5um不等,而且它的均勻性必須達(dá)到只有正負(fù)0.01um的誤差。
光刻膠的涂覆常用方法是旋轉(zhuǎn)涂膠法:
靜態(tài)旋轉(zhuǎn)和動(dòng)態(tài)噴灑
靜態(tài)涂膠:
首先把光刻膠通過(guò)管道堆積在晶圓的中心,然后低速旋轉(zhuǎn)使光刻膠鋪開(kāi),再高速旋轉(zhuǎn)甩掉多余的光刻膠,高速旋轉(zhuǎn)時(shí)光刻膠中的溶劑會(huì)揮發(fā)一部分。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
靜態(tài)涂膠時(shí)的堆積量非常關(guān)鍵,量少了會(huì)導(dǎo)致負(fù)膠不均勻,量大了會(huì)導(dǎo)致晶圓邊緣光刻膠的堆積甚至流到背面。
動(dòng)態(tài)噴灑:
隨著wafer直徑越來(lái)越大,靜態(tài)涂膠已不能滿(mǎn)足要求,動(dòng)態(tài)噴灑是以低速旋轉(zhuǎn),目的是幫助光刻膠最初的擴(kuò)散,用這種方法可以用較少量的光刻膠而達(dá)到更均勻的光刻膠膜,然后高速旋轉(zhuǎn)完成最終要求薄而均勻的光刻膠膜。
涂膠的質(zhì)量要求是:
?。?)膜厚符合設(shè)計(jì)的要求,同時(shí)膜厚要均勻,膠面上看不到干涉花紋;
?。?)膠層內(nèi)無(wú)點(diǎn)缺陷(如針孔等);
?。?)涂層表面無(wú)塵埃和碎屑等顆粒。
膜厚的大小可由下式?jīng)Q定:
式中,T為膜厚;P為光刻膠中固體的百分比含量;S為涂布機(jī)的轉(zhuǎn)速;K為常數(shù)。
3軟烘烤
主要目的有:使膠膜內(nèi)的溶劑揮發(fā),增加光刻膠與襯底間的粘附性、光吸收以及抗腐蝕能力;緩和涂膠過(guò)程中膠膜內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力等。
4對(duì)準(zhǔn)和曝光
對(duì)準(zhǔn)是把所需圖形在晶圓表面上定位或?qū)?zhǔn),而曝光的目的是要是通過(guò)汞弧燈或其他輻射源將圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠圖層上。
用盡可能短的時(shí)間使光刻膠充分感光,在顯影后獲得盡可能高的留膜率,近似垂直的光刻膠側(cè)壁和可控的線(xiàn)寬。
5PEB
在曝光時(shí)由于駐波效應(yīng)的存在,光刻膠側(cè)壁會(huì)有不平整的現(xiàn)象,曝光后進(jìn)行烘烤,可使感光與未感光邊界處的高分子化合物重新分布,最后達(dá)到平衡,基本可以消除駐波效應(yīng)。
6顯影
顯影就是用顯影液溶解掉不需要的光刻膠,將掩膜版上的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上。
7硬烘烤
目的是通過(guò)溶液的蒸發(fā)來(lái)固化光刻膠,此處理提高了光刻膠對(duì)襯底的粘附性,為下一步工藝做好準(zhǔn)備,如提高光刻膠的抗刻蝕能力。
8檢驗(yàn)
顯影檢查是為了查找光刻膠中成形圖形的缺陷。繼續(xù)進(jìn)行刻蝕工藝或離子注入工藝前必須進(jìn)行檢查以鑒別并除去有缺陷的晶圓。
附:
技術(shù)資料
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