光刻膠的定義及主要作用

光刻膠是一種有機化合物，它受紫外光曝光后，在顯影液中的溶解度會發生變化。一般光刻膠以液態涂覆在硅片表面上，曝光后烘烤成固態。

光刻膠的作用：

    1、將掩膜板上的圖形轉移到硅片表面的氧化層中；

2、在后續工序中，保護下面的材料（刻蝕或離子注入）。

光刻膠起源

光刻開始于一種稱作光刻膠的感光性液體的應用。圖形能被映射到光刻膠上，然后用一個developer就能做出需要的模板圖案。光刻膠溶液通常被旋轉式滴入wafer。wafer被裝到一個每分鐘能轉幾千轉的轉盤上。幾滴光刻膠溶液就被滴到旋轉中的wafer的中心，離心力把溶液甩到表面的所有地方。光刻膠溶液黏著在wafer上形成一層均勻的薄膜。多余的溶液從旋轉中的wafer上被甩掉。薄膜在幾秒鐘之內就縮到它最終的厚度，溶劑很快就蒸發掉了，wafer上就留下了一薄層光刻膠。最后通過烘焙去掉最后剩下的溶劑并使光刻膠變硬以便后續處理。鍍過膜的wafer對特定波成的光線很敏感，特別是紫外（UV）線。相對來說他們仍舊對其他波長的，包括紅，橙和黃光不太敏感。所以大多數光刻車間有特殊的黃光系統。

光刻膠的主要技術參數

a、分辨率（resolution）。區別硅片表面相鄰圖形特征的能力。一般用關鍵尺寸（CD，Critical Dimension）來衡量分辨率。形成的關鍵尺寸越小，光刻膠的分辨率越好。

    b、對比度（Contrast）。指光刻膠從曝光區到非曝光區過渡的陡度。對比度越好，形成圖形的側壁越陡峭，分辨率越好。

    c、敏感度（Sensitivity）。光刻膠上產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：毫焦/平方厘米或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。

    d、粘滯性/黏度 （Viscosity）。衡量光刻膠流動特性的參數。粘滯性隨著光刻膠中的溶劑的減少而增加；高的粘滯性會產生厚的光刻膠；越小的粘滯性，就有越均勻的光 刻膠厚度。光刻膠的比重（SG，Specific Gravity）是衡量光刻膠的密度的指標。它與光刻膠中的固體含量有關。較大的比重意味著光刻膠中含有更多的固體，粘滯性更高、流動性更差。粘度的單 位：泊（poise），光刻膠一般用厘泊（cps，厘泊為1%泊）來度量。百分泊即厘泊為絕對粘滯率；運動粘滯率定義為：運動粘滯率=絕對粘滯率/比重。 單位：百分斯托克斯（cs）＝cps/SG。

e、粘附性（Adherence）。表征光刻膠粘著于襯底的強度。光刻膠的粘附性不足會導致硅片表面的圖形變形。光刻膠的粘附性必須經受住后續工藝（刻蝕、離子注入等）。

    f、抗蝕性（Anti-etching）。光刻膠必須保持它的粘附性，在后續的刻蝕工序中保護襯底表面。耐熱穩定性、抗刻蝕能力和抗離子轟擊能力。

    g、表面張力（Surface Tension）。液體中將表面分子拉向液體主體內的分子間吸引力。光刻膠應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。

h、存儲和傳送（Storage and Transmission）。能量（光和熱）可以激活光刻膠。應該存儲在密閉、低溫、不透光的盒中。同時必須規定光刻膠的閑置期限和存貯溫度環境。一旦超過存儲時間或較高的溫度范圍，負膠會發生交聯，正膠會發生感光延遲。

光刻膠的分類

a、根據光刻膠按照如何響應紫外光的特性可以分為兩類：負性光刻膠和正性光刻膠。

　　負性光刻膠（Negative Photo Resist）。最早使用，一直到20世紀70年代。曝光區域發生交聯，難溶于顯影液。特性：良好的粘附能力、良好的阻擋作用、感光速度快；顯影時發生變形和膨脹。所以只能用于2μm的分辨率。

　　正性光刻膠（Positive Photo Resist）。20世紀70年代，有負性轉用正性。正性光刻膠的曝光區域更加容易溶解于顯影液。特性：分辨率高、臺階覆蓋好、對比度好；粘附性差、抗刻蝕能力差、高成本。

    b、根據光刻膠能形成圖形的最小光刻尺寸來分：傳統光刻膠和化學放大光刻膠。

　　傳統光刻膠。適用于I線（365nm）、H線（405nm）和G線（436nm），關鍵尺寸在0.35μm及其以上。

    化學放大光刻膠（CAR，Chemical Amplified Resist）。適用于深紫外線（DUV）波長的光刻膠。KrF（248nm）和ArF（193nm）。

光刻膠的化學性質

a、傳統光刻膠：正膠和負膠。

光刻膠的組成：樹脂（resin/polymer），光刻膠中不同材料的粘合劑，給與光刻膠的機械與化學性質（如粘附性、膠膜厚度、熱穩定性等）；感光 劑，感光劑對光能發生光化學反應；溶劑（Solvent），保持光刻膠的液體狀態，使之具有良好的流動性；添加劑（Additive），用以改變光刻膠的 某些特性，如改善光刻膠發生反射而添加染色劑等。

  　負性光刻膠。樹脂是聚異戊二烯，一種天然的橡膠；溶劑是二甲苯；感光劑是一種經過曝光后釋放出氮氣的光敏劑，產生的自由基在橡膠分子間形成交聯。從而變得不溶于顯影液。負性光刻膠在曝光區由溶劑引起泡漲；曝光時光刻膠容易與氮氣反應而抑制交聯。

　　正性光刻膠。樹脂是一種叫做線性酚醛樹脂的酚醛甲醛，提供光刻膠的粘附性、化 學抗蝕性，當沒有溶解抑制劑存在時，線性酚醛樹脂會溶解在顯影液中；感光劑是光敏化合物（PAC，Photo Active Compound），最常見的是重氮萘醌（DNQ），在曝光前，DNQ是一種強烈的溶解抑制劑，降低樹脂的溶解速度。在紫外曝光后，DNQ在光刻膠中化學 分解，成為溶解度增強劑，大幅提高顯影液中的溶解度因子至100或者更高。這種曝光反應會在DNQ中產生羧酸，它在顯影液中溶解度很高。正性光刻膠具有很 好的對比度，所以生成的圖形具有良好的分辨率。

b、化學放大光刻膠（CAR，Chemical Amplified Resist）。

樹脂是具有化學基團保護（t-BOC）的聚乙烯（PHS）。有保護團的樹脂不溶于水；感光劑是光酸產生劑（PAG，Photo Acid Generator），光刻膠曝光后，在曝光區的PAG發生光化學反應會產生一種酸。該酸在曝光后熱烘（PEB，Post Exposure Baking）時，作為化學催化劑將樹脂上的保護基團移走，從而使曝光區域的光刻膠由原來不溶于水轉變為高度溶于以水為主要成分的顯影液。化學放大光刻膠 曝光速度非常快，大約是DNQ線性酚醛樹脂光刻膠的10倍；對短波長光源具有很好的光學敏感性；提供陡直側墻，具有高的對比度；具有0.25μm及其以下 尺寸的高分辨率。