光刻胶photoresist性能及发展趋势简介.docx

光刻胶成分：树脂（resin）、感光剂（photo active compound）和溶剂（solvent）。树脂是一种有机聚合物，他的分子链长度决定了光刻胶的许多性质。长链能增加热稳定性，增加抗腐蚀能力，降低曝光部分的显影速度，而短链能增加光刻胶和基底间的吸附，因此一般光刻胶树脂的长度为8-20个单体。对于正性（positive tone）光刻胶，感光剂在曝光后发生化学反应，增加了树脂在显影液中的溶解度，从而使得曝光部分在显影过程中被冲洗掉；对于负性（negative tone）光刻胶，感光剂在曝光后诱导树脂分子发生交联（cross linking），使得曝光部分不被显影液溶解。溶剂保持光刻胶的流动性，因此通过甩胶能够形成非常薄的光刻胶。光刻胶的主要技术参数：分辨率（resolution）。通常用关键尺寸（Critical Dimension）来衡量，CD越小，光刻胶的分辨率越高。光刻胶的厚度会影响分辨率，当关键尺寸比光刻胶的厚度小很多时，光刻胶高台会塌陷，产生光刻图形的变形。光刻胶中树脂的分子量会影响刻线的平整度，用小分子代替聚合物会得到更高的极限分辨率。另外，在化学放大光刻胶（CAR）中，光致产酸剂的扩散会导致图形的模糊，降低分辨率。对比度（contrast）。指光刻胶曝光区到非曝光区侧壁的陡峭程度。对比度越大，图形分辨率越高。敏感度（sensitivity）。对于某一波长的光，要在光刻胶上形成图像需要的最小能量密度值称为曝光的最小剂量，单位mJ/cm，通常用最小剂量的倒数也就是灵敏度来衡量光刻胶对光照的灵敏程度和曝光的速度。灵敏度越高，曝光完成需要的时间越小。通过曝光曲线，我们可以直观地看到对比度、分辨率和敏感度。上图为ABC三种光刻胶的曝光曲线。在曝光剂量达到一个阈值后，光刻胶的残余厚度迅速的降低。这个阈值就是敏感度，阈值越小，敏感度越高。阈值附近曝光曲线的陡峭程度，表征了光刻胶的对比度，曲线越陡峭，说明曝光部分和未曝光部分的过渡就越迅速，分辨率就越高。其他参数：粘度（Viscosity），粘附性（Adherence），抗蚀性（Anti-etching），表面张力（Surface tension），存储和传递（Storage and transmission）。通常来说，负胶的灵敏度较正胶高，但正胶的分辨率和对比度高于负胶。另外，正胶的耐蚀性和粘附性较差。若光在光刻胶中的吸收系数是α，光刻胶的厚度为T,光刻的对比度为γ则,可见，增加吸收系数，降低膜厚，都可以增加对比度，从而提高分辨率。传统的光刻波长为汞灯的g-(436nm), h-(405nm), i-line(365nm)，现代DUV光源有诸如248nmKrF laser、193nmArF laser。另外EUV光源也在研制中。当前市场上也存在针对各种光源的光刻胶。Micro Chemicals company 的AZ系列正光刻胶，其树脂为线性酚醛树脂（novolak），感光剂为DNQ，溶剂为PGMEA，给出的吸收谱如下：在短波方向上，吸收谱并非陡峭的下降，而是存在一个拖尾，因此利用短波长的光源也可以进行曝光，只不过曝光的灵敏度会下降。一般的，光刻胶的折射率和吸收系数可以利用公式计算得到。另外，在曝光的过程中，光刻胶会被漂白，导致吸收系数的下降。在深紫外波段，由于强烈的吸收损耗，使得灵敏度下降。这是需要掺入光致产酸剂来对反应过程进行化学放大（chemical amplification），从而提高敏感度十倍甚至更高。光刻的关键尺寸往往成为关注的焦点，关键尺寸的差别更是不同代的光刻技术之间的主要标志。目前的32nm技术已经出现，未来的目标为22nm、15nm。在32nm技术中用到了DP（double pattern）光刻胶。传统的光刻胶按曝光部分是否溶解于显影液分为正胶和负胶，而DP胶，在光强高的部分促进树脂溶解，在光强弱的部分抑制树脂溶解，从而提高了分辨率。FUJIFILM公司已经发展出一系列光刻胶产品来满足各代光刻分辨率的要求。光刻胶的分辨率一般不存在理论的极限值，强烈地依赖于采取的光刻工艺参数。实际光刻工艺中，光源、曝光方式和光刻胶本身（灵敏度、对比度、颗粒大小、显影时的溶胀）都会影响分辨率。同样的光刻胶，既可以采用紫外曝光，也可以采用电子束曝光。紫外曝光的分辨率由光学分辨率和膜厚等因素决定，电子束曝光分辨率则由电子在材料中的散射决定。一般来说，电子束曝光可以达到更高的分辨率。我们认为采用电子束曝光得到的分辨率数据更接近于此种光刻胶的分辨率极限。目前主要的光刻胶材料有PMMA、HSQ、SU-8和ZEP等。在电子束曝光下，SU-8能够达到75nm的关键尺寸，ZEP能达到25nm，而PMMA和HSQ都有10nm以下的报道。可以认为，光刻胶的极限分辨率能够满足当前几