半導(dǎo)體工藝（二）光刻膠

光刻膠是光刻工藝的核心。表面制備、軟烘焙、曝光、刻蝕和去除光刻膠工藝會根據(jù)特定的光刻膠性質(zhì)和想達到的預(yù)期結(jié)果而進行微調(diào)。光刻膠的選擇和光刻膠工藝的研發(fā)是一項非常漫長而復(fù)雜的過程。一旦一種光刻工藝被建立，是極少改變的。

主要有四個方面：光刻膠的基本介紹；光刻膠的性能要素；光刻膠的種類以及對比；光刻膠配套的試劑。

1、光刻膠基本介紹

光刻膠又稱為光致抗蝕劑，是一種感光材料，其中的感光成分在光的照射下會發(fā)生化學(xué)變化，從而引起溶解速率的改變，其主要作用是將掩模版上的圖形轉(zhuǎn)移到晶圓片等襯底上。光刻膠的工作原理如圖一所示。首先，將光刻膠涂布在襯底片上，前烘去除其中的溶劑；其次，透過掩模版進行曝光，使曝光部分的感光組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；然后，進行曝光后烘烤；最后通過顯影將光刻膠部分溶解（對于正光刻膠，曝光區(qū)域被溶解；對于負光刻膠，未曝光區(qū)域被溶解），從而實現(xiàn)集成電路圖形從掩模版到襯底片的轉(zhuǎn)移。

 圖一 光刻膠工作原理

光刻膠的生產(chǎn)為了不同的需求，它們會根據(jù)不同光的波長以及不同的曝光源而進行調(diào)試。首先光刻膠具有特定的熱流動性特點，從而用特定的方式去進行配制，與特定的表面結(jié)合。這些性質(zhì)是由光刻膠里不同化學(xué)成分的類型、數(shù)量以及混合過程所決定。光刻膠有著4種基本成分：聚合物、溶劑、感光劑和添加劑。其作用如下：

1）聚合物：當(dāng)在光刻機曝光時，聚合物的結(jié)構(gòu)由可溶空成聚合（或反之)

2）溶劑：稀釋光刻膠，通過旋轉(zhuǎn)涂預(yù)形成薄膜

3）感光劑：在曝光過程中控制和調(diào)節(jié)光刻膠的化學(xué)反應(yīng)

4）添加劑：各種添加的化學(xué)成分以實現(xiàn)工藝效果，如染色等

（1）分辨率：分辨率是指區(qū)別半導(dǎo)體晶片表面相鄰圖形特征的能力。一般用關(guān)鍵尺寸（Critical Dimension，CD）來衡量分辨率。形成的關(guān)鍵尺寸越小，光刻膠的分辨率越好。

（2）對比度：對比度是指光刻膠從曝光區(qū)到非曝光區(qū)過渡的陡度。對比度越高，形成圖形的側(cè)壁越陡峭，分辨率越好。

（3）敏感度：敏感度是指光刻膠上產(chǎn)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），單位是毫焦/平方厘米（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。

（4）黏度：黏度是衡量光刻膠流動特性的參數(shù)。黏度隨光刻膠中溶劑的減少而增加；高黏度會產(chǎn)生厚的光刻膠；黏度越小，勻膠后光刻膠的厚度越均勻。黏度的單位是泊（poise），光刻膠一般用厘泊（cps，厘泊為1%泊）來度量。

（5）黏附性：黏附性表征光刻膠黏著于襯底的強度。光刻膠的黏附性不足會導(dǎo)致半導(dǎo)體晶圓片表面的圖形變形。光刻膠的黏附性必須經(jīng)受住后續(xù)工藝，比如刻蝕、離子注入和熱擴散等。

（6）抗蝕性：光刻膠必須有較強的抗蝕性，才能在后續(xù)的工序中起到保護作用。

（7）表面張力：表面張力是指液體中將表面分子拉向液體主體內(nèi)的分子間吸引力。光刻膠的表面張力越大，它的覆蓋性就越差。光刻膠應(yīng)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能力。

（8）熱流程：在光刻工藝過程中有兩個加熱的過程。第一個稱為軟烘焙 ( soit baike），用來把光刻膠里的溶劑蒸發(fā)掉。第二個稱為硬烘焙(hard bake），它發(fā)生在圖形在光刻膠層被顯影之后。硬烘焙的目的是為了增加光刻膠對晶圓表面的黏結(jié)能力。然而，光刻膠作為像塑料一樣的物質(zhì)，在硬烘焙工藝中會變軟和流動。流動的量會對最終的圖形尺寸有重要的影響。在供焙的過程中光刻膠必須保持它的形狀和結(jié)構(gòu)，或者說在工藝設(shè)計中必須考慮到熱流程帶來的尺寸變化。目標(biāo)是使烘焙盡可能達到高溫來使光刻膠黏結(jié)能力達到最大化。這個溫度是受光刻膠熱流程特性限制的?？傮w來說，光刻膠熱流程越穩(wěn)定，它對工藝流程越有利。

（9）曝光速度：曝光速度越快，在光刻蝕區(qū)域晶圓的加工速度就越大，負光刻膠通常需5～15s時間曝光，正光刻膠較慢，其曝光時間為負膠的3～4倍。（僅供參考，還需以實際為主）。

（10）針孔密度：針孔是光刻膠層尺寸非常小的空穴。針孔是有害的，因為它可以允許刻蝕劑滲過光刻膠層進而在晶圓表面層刻蝕出小孔。針孔是在涂膠工藝中由環(huán)境中的微粒污染物造成的，或者由光刻膠層結(jié)構(gòu)上的空穴造成的。光刻膠層越厚，針孔越少，但它也降低了分辨率，光刻膠厚度的選擇過程中需權(quán)衡這兩個因素的影響。正膠的縱橫比較高，所以正膠可以用更厚的光刻膠膜達到想要的圖形尺寸，而且針孔密度更低。

（11）階梯覆蓋度：晶圓在進行光刻工藝之前，表面已經(jīng)有了很多的層。光刻膠要能起到阻隔刻蝕的作用，必須在以前層的上面保持足夠的膜厚。光刻膠用足夠厚的膜來覆蓋晶圓表面層的能力即階梯覆蓋度，它是一個非常重要的參數(shù)。

3、光刻膠的種類以及對比

負光刻膠（負膠）受光照部分發(fā)生反應(yīng)而成為不溶物，非曝光部分被顯影液溶解，獲得的圖形與光刻板圖形互補。負光刻膠的附著力強、靈敏度高、顯影條件要求不嚴(yán)，適于低集成度器件的生產(chǎn)。

正光刻膠（正膠）受光照部分發(fā)生反應(yīng)而能被顯影液所溶解，留下的非曝光部分的圖形與光刻板一致。正光刻膠具有高分辨率、高對比度、對駐波效應(yīng)不敏感、曝光容限大、針孔密度低和無毒性等優(yōu)點，適合于高集成度器件的生產(chǎn)。兩者在光刻工藝中具體情況上文有較為詳細的介紹。配合其各自的參數(shù)對比如表一所示

表一 正膠負膠對比

4、光刻膠配套的試劑

光刻膠配套試劑是指在工藝制造中與光刻膠配套使用的試劑，主要包括增黏劑、稀釋劑、去邊劑、顯影液和剝離液。大部分配套試劑的組分是有機溶劑和微量添加劑，溶劑和添加劑都是具有低金屬離子及顆粒含量的高純試劑。這里就先簡單介紹三個。

1) 增粘劑：是在涂布光刻膠前對基片進行處理的一種試劑，主要組分是六甲基二硅氮烷。其主要作用是通過與基片表面的羥基反應(yīng)，將晶圓片表面由親水性變?yōu)槭杷?/strong>，提高光刻膠與晶圓片之間的黏附性，減少由光刻膠黏附性不好而引起的缺陷，從而提高光刻膠的抗?jié)穹ǜg性能。

2) 顯影液：是在顯影過程中使用的配套試劑，其作用是溶解晶圓片上不需要的光刻膠。對于正性光刻膠，顯影液主要是堿的水溶液，如四甲基氫氧化銨、氫氧化鈉等；對于環(huán)化橡膠型的負性光刻膠，顯影液的主要成分是有機溶劑。

3) 剝離液：是指在曝光顯影及后續(xù)工藝后用于去除基片上的光刻膠的配套試劑。由于光刻膠在顯影后要經(jīng)過不同的工藝，如濕法刻蝕、干法刻蝕、離子注入等，這會引起光刻膠的結(jié)構(gòu)變化，不易被去除，因此需要剝離液對光刻膠有較強的溶解性能。其基本組分是有機溶劑與有機胺類添加劑，常用的剝離液溶劑包括N-甲基吡咯烷酮（納米P）、二甲基亞砜（DMSO）等。

文章來源： Lightigo