光刻工艺论文

摘要：在平面晶体管和集成电路生产中，要进行多次的光刻，以实现选择性扩散和金属膜布线的目的。光刻工艺是利用光刻胶的感光性和耐蚀性，在SIO2或金属膜上复印并刻蚀出与掩模版完全对应的几何图形.由于光刻工艺是一种非常精细的表面加工技术,在平面器件和集成电路生产中得到广泛应用.如果把硅片的外延、氧化、扩散和淀积看成是器件结构的纵向控制的话,那么，器件的横向控制就几乎全部有光刻来实现.因此,光刻的精度和质量将直接影响器件的性能指标,同时也是影响器件的成品率和可靠性的重要因素.

目前生产上通常采用的紫外光接触暴光法光刻工艺的一般过程;列出几种常用的光刻腐蚀剂配方;最后对光刻工艺中较常见的质量问题进行分析和讨论.

§1光刻胶的特性和配置

1.光刻胶的性质

光致抗蚀剂是一种主要由碳、氢等元素组成的高分子化合物，其分子结构有线型和体型两种。线型高分子化合物，其长链之间的结合力主要是靠化学键。由于分子间作用力比化学键的结合要弱的多，所以线型高分子化合物一般是可溶性的，而体型高分子化合物往往是难溶性的。

如果在高分子化合物内部存在不稳定的双键等可变因素的话，则在外界光或热的作用下，高分子化合物的分子结构就可能会在线型和体型之间发生变化。分子结构的变化，必然会引起高分子化合物的机械和物理性质的相应变化。例如，由可溶性变为不可溶性或者相反。光刻工艺就是利用光致抗蚀剂有这样内在的可变因素，在一定条件下使部分高分子化合物由可溶性转变为不可溶性，或由不可溶性转变为可溶性，将掩模上的图形复印在光刻胶膜上。然后利用光刻胶膜对腐蚀液的抗蚀性，在硅片表面选择性地刻蚀SIO2或金属膜，实现定域扩散及金属膜布线的目的。

2.光致抗蚀剂的种类

根据光致抗蚀剂在曝光前后溶解性的变化，可以分为正性光刻胶和负性光刻胶两种。

（1） 负性光致抗蚀剂 曝光前光致抗蚀剂在有机溶剂中是可溶解的，曝光后成为不可溶的物质，这类抗蚀剂称为负性光致抗蚀剂，由此组成的光刻胶称为负性胶。目前，主要的负性光致抗蚀剂有聚肉桂酸酯类，聚酯类和环化橡胶类等。

①聚肉桂酸脂类 聚肉桂酸脂类抗蚀剂的特点是在树脂分子的侧链上带有肉桂酰感光性官能团。典型的聚肉桂酸脂类抗蚀剂有聚乙烯醇脂（又称KPR），他是一种浅黄色的纤维状固体，能溶解于丙酮，丁酮，环已酮等有机溶剂中。

在紫外光的作用下，肉桂酰官能团发生二聚反应，引起聚合物分子间的交联，形成不溶于显影液的立体网状结构。光刻胶中加入适量的5-硝基苊，不仅扩大了感光波长范围，而且提高了光刻胶的感光灵敏度，缩短了暴光时间。聚乙烯醇肉桂酸脂经交联反应后生成的立体网状分子结构不再溶于有机溶剂，干燥后又能耐酸的腐蚀，光刻腐蚀后可以通过多种途径去除干净，因此在光刻技术中得到了广泛的应用。

②聚脂类 聚脂类光致抗蚀剂的特点，是在树脂分子的侧链上含有共轭双键的感光性官能团，具有较强的感光灵敏度；在感光性树脂分子的主链上含有极性基团，因而对一些衬底材料，如SIO2和AL，有较好的粘附性。聚酯类光刻胶也可用5-硝基苊作增感剂以缩短暴光时间。聚酯胶与聚乙烯醇肉桂酸酯比较，前者粘附性好，分辨率高，适合于刻蚀细线条。

③环化橡胶类 环化橡胶类抗蚀剂的特点是，其交联反应由带有双感光性官能团的交联剂，在暴光后产生双自由基，和附近的环化橡胶分子相互作用，在聚合物分子链之间形成桥键，从而变成三维结构的不溶性物质。

由于这类抗蚀剂和衬底材料有较强的粘附性，抗蚀能力也很强，特别适合于金属材料的刻蚀。但由于氧会使交联剂的光化学分解反应停留在中间阶段，即停留在生成N—R—N3的阶段而阻碍了交联反应的进行，因此暴光要在充氮或真空条件下进行。

⑵正性光致抗蚀剂 暴光前对某些溶剂是不可溶的，而暴光后却变成了可溶性的抗蚀剂称为正性光致抗蚀剂。暴光后，可用稀碱性水溶液进行显影。这时光照部分由于生成羧酸盐而溶解，而未受光照部分难溶，因而显出与掩膜版相同的正图象。

正性抗蚀剂的抗碱性差而耐酸性好，所以常用1.5～3％Na3PO4水溶液进行显影,为了避免钠离子对器件的不良影响,也可用有机碱性水溶液进行显影,如氢氧化四烷基铵水溶液等.由于碱性显影液会受空气中CO2的影响而变质,因此显影速率会随时间发生变化.但正性光刻胶分辨率高,边缘整齐,反刻时易于套刻,是一种重要的抗蚀剂.

⒊对光致抗蚀剂性能的要求

⑴分辨率高 分辨率是指某种光刻胶光刻时所能得到的最小尺寸.它通常用1mm的宽度上能刻蚀出可分辨的最大线条数目来表示.若能刻蚀出可分辨的最小线宽为W/2,线与线之间距离也为W/2,则分辨率为1/W,单位为条线 .

分辨率与光刻工艺有关;也与光致抗蚀剂本身的结构性质有关.例如正性胶的分辨率高于负性胶;光刻胶的平均分子量越低,分子量的分散性越小,则分辨率越高.

⑵灵敏度高 光致抗蚀剂的感光灵敏度反映了光刻胶感光所必须的照射量,照射量正比于光强和暴光时间.对于正性胶,灵敏度定义为暴光显影后膜后为零时的最小照射量;对于负性胶,灵敏度是指暴光显影后膜厚可保留至原膜厚二分之一的照射量。

光刻胶的感光灵敏度和光刻胶的性质及光刻工艺有关。例如，由于负性胶在暴光时其交联反应会出现连锁反应，因而负性胶一般比正性胶具有更高的灵敏度。在工艺上，涂胶厚度，显影条件，光源的光谱成分以及增感剂的作用等都对灵敏度有影响。

⑶粘附性好 抗蚀剂与衬底（如SIO2，金属等）之间粘附的牢固程度直接影响到光刻的质量。影响粘附性的因素有抗蚀剂的性质，衬底的性质及其表面情况。实践表明，平整，致密，清洁，干燥的衬底表面有利于光刻胶的粘附。衬底表面的灰尘，油污，水汽以及高低不平，会形成光刻胶粘附的薄弱区域。

由于大多数抗蚀剂都是疏水性的，而湿氧氧化的SIO2表面含有硅醇基（—Si—OH），羟基形式的表面很容易因氢键的作用而吸附水分子，形成亲水性表面。疏水性的抗蚀剂和亲水性衬底之间的粘附性很差。在生产中，湿氧氧化后一般都要用高温干氧吹干表面，以形成硅氧桥表面结构（O—SI—O），从而改善其粘附性。为了避免硅片表面粘污和水汽的不良影响，最好从高温炉中取出后立即进行涂胶，以保证光刻胶和衬底之间有良好的粘附性。此外，粘附性与胶膜厚度，暴光和烘焙因素也有密切关系。

⑷抗蚀性好 光刻工艺要求抗蚀剂在坚膜后，能较长时间地抵抗腐蚀剂的侵蚀。光致抗蚀剂的抗蚀性与其本身的性质有关。例如环化橡胶类抗蚀剂比聚肉桂酸酯类抗蚀剂有更好的抗蚀性能。

⑸稳定性好 光刻工艺要求抗蚀剂在室温和避光的情况下，即使加入了增感剂也不发生暗反应；在烘烤干燥时，不发生热交联。为了提高抗蚀剂的稳定性，可能加入能抑制活性基团自发反应的稳定剂。例如，KPR胶可以加对苯二酚等。

此外，还要求光刻胶成膜性好，致密性好，针孔密度低，固态微粒含有率低，显影后无残渣，刻蚀后易去除干净等性能。

⒋光刻胶的配制 光刻时，需根据具体要求将光致抗蚀剂配成胶状液体，称为光刻胶。光刻胶配制时，应根据不同的刻蚀要求，选取合适的抗蚀剂，增感剂和溶剂。

溶剂的用量决定着光刻胶的稀稠，从而影响光刻胶膜的厚薄。光刻胶膜薄，暴光时光的散射和衍射作用影响较小，显影时间也缩短，因此光刻图形清晰，边缘整齐，有利于提高分辨率。但胶膜薄时，抗蚀能力降低，针孔密度会增加。所以，应根据各次光刻对分辨率和抗蚀性的要求来决定光刻胶的浓度。配比选择的一般原则是在保证抗蚀能力的条件下，用较薄的胶膜，以提高分辨率。

增感剂的用量，决定着光刻胶的感光灵敏度。光刻胶中加入适量增感剂，可以缩短暴光时间。增感剂用量过多，光在感光膜表面被强烈吸收，会造成内层光刻胶暴光不足，显影时出现浮胶。增感剂过多还会使胶膜变脆，增感剂在显影时被溶解还会使针孔密度增加。因此增感剂的用量必须适当。

对于KPR光刻胶，其组分的变化范围通常为：

抗蚀剂 聚乙烯醇肉桂酸酯 5～10%

增感剂 5—硝基苊 0.25～1.0%

溶剂 环已酮 90～95%

对于聚酯类光刻胶，常用的配方为：

抗蚀剂 聚肉桂叉丙二酸乙醇酯 12ɡ

增感剂 5—硝基苊 0.24g

溶剂 环已酮 100ml

光刻时，可以根据不同的光刻对象和要求，选用不同配比的光刻胶。

光刻胶一般在暗室红灯下配制，待光刻胶充分溶解后，可用离心法，过滤法或沉降法除去光刻胶中的故态杂质微粒。离心法是用每分钟10000～12000转的不锈钢离心管高速旋转，使固态微粒在离心力作用下沉积于不锈钢管底部而除去。过滤法是将光刻胶通过压滤，吸滤或自然过滤的方法，经微孔过滤膜而除去固态微粒。沉降法是将配好的光刻胶在干燥避光的环境中静置数天，使固体微粒自然沉降而除去，得到均匀，澄清的光刻胶供光刻工艺使用。

§2光刻工艺过程

在平面管和集成电路生产中，都要经过多次光刻。虽然各次光刻的目的要求和工艺条件有所差别，但其工艺过程是基本相同的。光刻工艺一般都要经过涂胶，前烘，暴光，显影，坚膜，腐蚀和去胶等七个步骤

1．涂胶 涂胶就是在SIO2或其他薄膜表面，涂布一层粘附良好，厚度适当，厚薄均匀的光刻胶膜。涂胶前的硅片表面必须清洁干燥，如果硅片搁置较久或光刻返工，则应重新进行清洗并烘干后再涂胶。生产中，最好在氧化或蒸发后立即涂胶，此时硅片表面清洁干燥，光刻胶的粘附性较好。

涂胶一般采用旋转法，其原理是利用转动时产生的离心力，将滴在硅片的多余胶液甩去，在光刻胶表面张力和旋转离心力共同作用下，扩展成厚度均匀的胶膜。胶膜厚度可通过转速和胶的浓度来调节。

涂胶的厚度要适当，膜厚均匀，粘附良好。胶膜太薄，则针孔多，抗蚀能力差；胶膜太厚，则分辨率低。在一般情况下，可分辨线宽约为膜厚的5～8倍。

2．前烘 前烘就是在一定的温度下，使胶膜里的溶剂缓慢地挥发出来，使胶膜干燥，并增加其粘附性和耐磨性。

前烘的温度和时间随胶的种类及膜厚的不同而有所差别，一般通过实验来加以确定。

前烘的温度和时间必须适当。温度过高会引起抗蚀剂的热交联，在显影时留下底膜，或者增感剂升华挥发使感光灵敏度下降；前烘温度过低或时间过短，则抗蚀剂中的有机溶剂不能充分挥发，残留的溶剂分子会妨碍光交链反应，从而造成针孔密度增加，浮胶或图形变形等。同时，前烘时还不能骤热，以免引起表面鼓泡，产生针孔甚至浮胶。一般前烘是在80℃恒温干燥箱中烘烤1015分钟；也可以用红外灯在硅片背面烘烤，使胶膜的干燥从里到外，以获得良好的前烘效果。

3．暴光 暴光就是对涂有光刻胶的基片进行选择性光化学反应，使暴光部分的光刻胶改变在显影液中的溶解性，经显影后在光刻胶膜上得到和掩膜版相对应的图形。