微制造光刻工艺中光刻胶性能的比较难点.doc

微制造光刻工艺中光刻胶性能的比较 来五星，轩建平，史铁林，杨叔子 （华中科技大学微系统中心，武汉 430074） 摘要：在MEMS微加工和实验过程过程中，出于制造成本、光刻胶性能的考虑，需要选用合适的光刻胶。本文介绍了常用的正性胶和负性胶以及其曝光、显影的过程，正性胶和负性胶曝光过程漫射的图形缺陷。比较了正性胶和负性胶的各种性能以及各种光刻方式下选用的正负性胶及它们的光刻灵敏度，为微加工过程和实验操作提供指导。 关键词：MEMS；微制造；光刻胶；工艺 中图分类号：TN305.7 文献标识码：A 文章编号：1003-353X(2004)11-0022-04 1 引言 光刻加工工艺中为了图形转移，辐照必须作用 在光刻胶上，通过改变光刻胶材料的性质，使得在完成光刻工艺后，光刻版图形被复制在圆片的表面[1]。而加工前，如何选用光刻胶在很大程度上已经决定了光刻的精度。尽管正性胶的分辨力是最好的，但实际应用中由于加工类型、加工要求、加工成本的考虑，需要对光刻胶进行合理的选择。本文通过对正性胶和负性胶的性能比较，为加工过程、实验操作中如何合理选用光刻胶提供了依据。 2 光刻胶及其主要性能 划分光刻胶的一个基本的类别是它的极性。光刻胶在曝光之后，被浸入显影溶液中。在显影过程中，正性光刻胶曝过光的区域溶解得要快得多。理想情况下，未曝光的区域保持不变。负性光刻胶正好相反，在显影剂中未曝光的区域将溶解，而曝光的区域被保留。正性胶的分辨力往往是最好的，因此在IC制造中的应用更为普及，但MEMS系统中，由于加工要求相对较低，光刻胶需求量大，负性胶仍有应用市场。 光刻胶必须满足几个硬性指标要求：高灵敏度，高对比度，好的蚀刻阻抗性，高分辨力，易于处理，高纯度，长寿命周期，低溶解度，低成 本和比较高的玻璃化转换温度（Tg）[2]。主要的两个性能是灵敏度和分辨力。大多数光刻胶是无定向 的聚合体。当温度高于玻璃化转换温度，聚合体中相当多的链条片以分子运动形式出现，因此呈粘性 流动。当温度低于玻璃化转换温度，链条片段的分子运动停止，聚合体表现为玻璃而不是橡胶。当Tg低于室温，胶视为橡胶。当Tg高于室温，胶被视为玻璃。由于温度高于Tg时，聚合体流动容易，于是加热胶至它的玻璃转化温度一段时间进行退火处理，可达到更稳定的能量状态。在橡胶状态，溶剂可以容易从聚合体中去除，如软烘培胶工艺。但 此时胶的工作环境需要格外关注，当软化胶温度大于Tg时，它容易除去溶剂，但也容易混入各种杂质。一般来说，结晶的聚合体不会用来作为胶，因 为结晶片的构成阻止均一的各向同性的薄膜的形成。 感光胶的主要成分是树脂或基体材料、感光化合物以及可控制光刻胶机械性能并使其保持液体状态的溶剂。树脂在曝光过程中改变分子结构。感光化合物控制树脂定相的化学反应速度。溶剂使得胶能在圆片上旋转擦敷并形成薄瞙。没有感光化合物的光刻胶称为单成分胶或单成分系统，有一种感光剂的情形下，称为二成分系统。因为溶剂和其他添加物不与胶的感光反应发生直接关系，它们不计入胶的成分。 在曝光过程中，正性胶通过感光化学反应，切断树脂聚合体主链和从链之间的联系，达到削弱聚合体的目的，所以曝光后的光刻胶在随后显影处理 中溶解度升高。曝光后的光刻胶溶解速度几乎是未曝光的光刻胶溶解速度的10倍。而负性胶，在感 光反应过程中主链的随机十字链接更为紧密，并且从链下坠物增长，所以聚合体的溶解度降低。正性 胶和负性胶的曝光和显影过程和边界漫射如图1所示[3] 。由图1 (a)可见正性胶在曝光区间显影，负性胶则相反。图1（b）是负性胶和正性胶边界漫 射光形成的轮廓，负性胶由于曝光区间得到保留，漫射形成的轮廓使显影后的图像为上宽下窄的图 像，而正性胶相反，为下宽上窄的图像。 3 正性胶和负性胶比较 目前最常用的两种正性光刻胶为PMMA和DQN，其中PMMA为单成分胶；DQN为二成分 胶，DQ为感光化合物，N为基体材料。 PMMA在深紫外光照下，聚合体结合链断开，变得易溶解。PMMA对波长220nm的光最为 敏感，而对波长高于240nm的光完全不敏感。PMMA要求曝光剂量大于250mJ/cm2，初期的深紫外曝光时间要求10min[4]。通过添加光敏剂，如t-丁基苯酸，PMMA的紫外光谱吸收率增加，可获 得150mJ/cm2的灵敏度。PMMA常用于电子束光刻，也用于离子束光刻和X射线光刻。 DQN是一种典型的近紫外、二成分光刻胶。其光化学反应转换极性，属于基体材料可溶产品。亲水基体材料N是碱性可溶物，当添加重量比为 20%~50%的DQ后，与苯酸形成的混合物变得不可溶。感光剂DQ经过光化学反应后，胶重新变得可 溶。基体脂是苯酸和甲醛的共聚物。基体脂吸收300nm以下的光，DQ添加物使光吸收区间在400nm周围。365，405，