光刻胶

D100 D0 CMTF D100 D0
利用对比度的公式，可得
101 1 CMTF 1 10 1
CMTF 的典型值为 0.4 。如果实像的 MTF 小于 CMTF ， 则其图像就不能被分辨；如果实像的 MTF 大于 CMTF，就有 可能被分辨。
4 光刻胶材料
光刻胶通常有三种成分：感光化合物、基体材料 和 溶剂。 在感光化合物中有时还包括增感剂。 1、负性光刻胶 主要有聚肉桂酸系（聚酯胶）和环化橡胶系两大类，前者 以柯达公司的 KPR 为代表，后者以 OMR 系列为代表。 2、正性光刻胶 主要以重氮醌为感光化合物，以酚醛树脂为基体材料。最 常用的有 AZ –1350 系列。正胶的主要优点是分辨率高，缺点是 灵敏度、耐刻蚀性和附着性等较差。
随着线条宽度的不断缩小，为了防止胶上图形出现太大的 深宽比，提高对比度，应该采用很薄的光刻胶。但薄胶会遇到 耐蚀性的问题。由此开发出了 双层光刻胶技术，这也是所谓 超 分辨率技术 的组成部分。
顶层胶：含硅，厚约 0.25 m 底层胶：也称为干显影胶，厚 约 0.5 m
对顶层胶曝光显影
据报导，采用 193 nm 波
当硅片表面凹凸不平时，遇到的第一个问题是硅片表面倾 斜的台阶侧面会将光反射到不希望曝光的区域。第二个问题是 使胶膜的厚度发生变化：在硅片表面凹下处胶膜较厚，导致曝 光不足；在硅片表面凸起处胶膜较薄，导致曝光过度。胶膜厚 度的不同还会影响对比度。 解决这个问题的办法是表面平坦化。
8 双层光刻胶技术
S ( Lmin ) 2 N min q Lmin N min q q 10 S S
Lmin
N min q q 10 S S
式中，Lmin 为最小尺寸，即分辨率。可见，若灵敏度越高（即 S 越小），则 Lmin 就越大，分辨率就越差。 例如，负性电子束光刻胶 COP 的 S = 0.3×10 -6C/cm2，则 其 Lmin = 0.073 m 。若其灵敏度提高到 S = 0.03×10 -6C/cm2 ， 则其 Lmin 将增大到 0.23 m 。
三、增感剂及其作用 T1
在重氮基萘中还存在着三重态 T1 、T2 、T3 等。由 T1 态的 曲线可见，RN-N2 的距离越远，分子的势能越低，所以处于 T1 态的分子将立即发生反应而不需激活能。由于 T1 态曲线与所有 单重激发态的曲线在谷底附近相交，所以进入单重激发态的电 子还可以通过向 T1 态跃迁而使感光物分子立即发生化学反应， 从而使反应速度大大加快。这种作用称为 “三重态增感” 。
7 二级曝光效应
在选择光刻胶时，必须考虑它的吸收谱，以及在特定波长 下的光学吸收系数α。 由下式
I ( z ) I 0 e z
可知，当α太大时，则只有胶的顶部能被有效曝光；当α太小时， 则由于吸收太少而需要长时间的曝光。 还要考虑基体材料对光的吸收。例如酚醛树脂就对深紫外 光有很强的吸收。被基体材料吸收的光到达不了感光化合物和旋转速度。
TR
1

例：转速 5000 r/min，时间 30 sec，膜厚 1.0 m 。 4、前烘（软烘） 目的是去除胶中的大部分溶剂和稳定胶的感光特性。 5、曝光
6、显影
将曝光后的硅片放到显影液中。对于负胶，通过显影溶解
掉未曝光区的胶膜；对于正胶，通过显影溶解掉曝光区的胶膜。
二、势能曲线
可以借助于感光物质的势能曲线来讨论光化学反应。下图 是重氮基萘的 RN - N2 切断反应的势能曲线。
势 能
S3 T1 S2
EA(S1) = 16Kcal
S1 S0
88Kcal
72Kcal EA(S0) = 38Kcal
RN 与 N2 的间距
感光分子吸收λ = 365 nm 的光能（ 72 Kcal）后，电子从基
光刻胶
光刻胶也称为光致抗蚀剂（Photoresist，P. R.）。
1 光刻胶的类型
一、光刻胶的类型 凡是在能量束（光束、电子束、离子束等）的照射下，以 交联反应为主的光刻胶称为负性光刻胶，简称负胶。 凡是在能量束（光束、电子束、离子束等）的照射下，以 降解反应为主的光刻胶称为正性光刻胶，简称正胶。
长光源，在底层胶上获得了
0.15 m ~ 0.12 m 宽的线条。
对底层胶作含氧的 RIE 刻蚀
9 小结
本章首先介绍了光刻胶的类型与特性，重点讨论了光刻胶 的灵敏度、分辨率、对比度及其相互关系。通过正胶的典型反 应和势能曲线，说明了光刻胶的光化学反应过程和增感作用。 介绍了涉及光刻胶的工艺步骤。最后介绍了双层光刻胶技术。
2、分辨率
光刻工艺中影响分辨率的因素有：光源、曝光方式和光刻 胶本身（包括灵敏度、对比度、颗粒的大小、显影时的溶胀、
电子散射等）。通常正胶的分辨率要高于负胶。
下面讨论分辨率与灵敏度的关系。当入射电子数为 N 时， 由于随机涨落，实际入射的电子数在 N N 范围内。为保证 出现最低剂量时不少于规定剂量的 90%，也即 N N 10% 。 由此可得 N min 100 。因此对于小尺寸曝光区，必须满足
3、对比度
对比度的定义为
D100 lg D0
1
D0
D100
对比度是图中对数坐标下对比度曲线的斜率，表示光刻胶 区分掩模上亮区和暗区的能力的大小，即对剂量变化的敏感程 度。灵敏度曲线越陡，D0 与 D100 的间距就越小，则 就越大，
这样有助于得到清晰的图形轮廓和高的分辨率。一般光刻胶的
用的是 PMMA 胶，典型特性：灵敏度 40 ~ 80 C/cm2（加速电
压 20 KV 时）、分辨率 0.1 m 、对比度 2 ~ 3 。 PMMA 胶的 主要优点是分辨率高。主要缺点是灵敏度低，此外在高温下易 流动，耐干法刻蚀性差。
5 正胶的典型反应
一、光化学反应 化学反应速度 k 可表示为
2 光刻胶的特性
1、灵敏度
灵敏度的定义
单位面积上入射的使光刻胶全部发生反应的最小光能量或
最小电荷量（对电子束胶），称为光刻胶的灵敏度，记为 S ，
也就是前面提到过的 D100 。S 越小，则灵敏度越高。
灵敏度太低会影响生产效率，所以通常希望光刻胶有较高
的灵敏度。但灵敏度太高会影响分辨率。
通常负胶的灵敏度高于正胶。
1 e TR 1 TR
可以证明对比度与光刻胶厚度的关系是
1 TR
是无量纲常数，可见减薄胶膜厚度有利于提高对比度和分辨率。
3 临界调制传输函数
另一个与对比度有关的光刻胶性能指标是 临界调制传输函 数 CMTF ，代表在光刻胶上获得图形所必须的最小光调制传
输函数，其定义为
对比度在 0.9 ~ 2.0 之间。对于亚微米图形，要求对比度大于 1。 通常正胶的对比度要高于负胶。
光进入光刻胶后，其强度按下式衰减
I ( z ) I 0 e z
式中，α 为光刻胶的光学吸收系数 。设 TR 为光刻胶的厚度 ，
则可定义光刻胶的 光吸收率 为
I A
TR 0
0
I ( z ) dz I 0TR
EA k A exp RT
式中，A 、R 为常数，T 为绝对温度，EA 为化学反应激活能， 随电子状态的不同而不同。EA 越小，则在同样的温度下反应 速度越快。 感光物质的电子在未曝光时处于基态 S0 ，基态的反应激活 能 EA 大 ，因此反应很慢。曝光后，感光物质的电子处于激发 态 S1 、S2 、S3 等， 激发态的 EA 小，因此反应变快。
态 S0 跃迁到第一激发态 S1 ，激活能由 EA(S0) = 38 Kcal 降为
EA(S1) = 16 Kcal ，反应速度加快。 感光分子吸收λ = 300 nm 的光能（88 Kcal）后，电子跃迁
到第二激发态 S2 ，此态的谷底势能恰好与 S1 态当 RN-N2 分解
时的势能相当，且 S2 与 S1 态的曲线在图左侧有相交之处，因此 电子可从 S2 态跃迁到 S1 态并立即反应。所以用λ = 300 nm 的光 曝光比用λ = 365 nm 的反应速度快。
几乎所有的正胶都使用碱性显影液，如 KOH 水溶液。 显影过程中胶膜会发生膨胀。正胶的膨胀可以忽略，而负 胶的膨胀则可能使图形尺寸发生变化。 显影过程对温度非常敏感。显影过程可影响胶的对比度， 从而影响胶的剖面形状。
7、后烘（硬烘、坚膜） 目的是使胶膜硬化，提高其在后续工序中的掩蔽性。 8、刻蚀 9、去胶
3、负性电子束光刻胶
为含有环氧基、乙烯基或环硫化物的聚合物。最常用的是
COP 胶，典型特性：灵敏度 0.3 ~ 0.4 C/cm2（加速电压 10KV
时）、分辨率 1.0 m 、对比度 0.95。限制分辨率的主要因素是 光刻胶在显影时的溶胀。 4、正性电子束光刻胶 主要为甲基丙烯甲酯、烯砜和重氮类这三种聚合物。最常
6 光刻胶的涂敷和显影
本节简要介绍光刻工艺中除曝光以外的工序。 1、脱水烘烤 目的是去除硅片表面吸附的水分。 2、增粘处理 在烘烤后的硅片表面涂一层 六甲基二硅亚胺（HMDS），
目的是增加硅片表面与光刻胶的粘附性。可采用蒸汽涂布法，
也可采用旋涂法。
3、涂胶 一般采用 旋涂法。涂胶的关键是控制胶膜的厚度与膜厚的