光刻胶再吸水

某些光刻胶的光化学作用要求在曝光过程中光刻胶膜中需要有水作为不可缺少的前驱体,但在前烘后立即进行曝光则不能有足够的时间吸收水分。本文主要介绍其原理、补水的方法和水分不足的可能的后果。

光刻胶膜的化学和物理过程

水在光化学反应中的作用

几乎所有的基于DNQ-基光引发法剂的光刻胶(除部分化学放大胶外)在曝光过程中的光反时,都要求一定的最低千分之几的水分参与。
然而,在前烘后,如果光刻胶膜中没有足够数量的水,必须通过再水合化过程使得光刻胶膜中获得足够的水分,从而使其在随后曝光过程中具有足够的显影速率。

补水过程

用于再水化中的水的来源是洁净间的大气,根据相对湿度的不同,在室温下每立方米含有大约10克水。吸附在光刻胶表面的水分子扩散到光刻胶膜中,最终使光刻胶表面与基体之间的水浓度均匀。这里,所需的时间就是扩散过程的限制因素,并随着光刻胶厚度呈平方关系。理论上不管多长时间光刻胶膜中的均匀水分含量取决于光刻胶膜上方的空气湿度。

补水不足的影响

如果前烘和曝光之间的停留的时间太短,整个显影过程可能需要两个多小时。相比之下等待10分钟就足够在整个光刻胶厚度上吸收足够的水分并足以在很短的时间内完成显影过程。 如右图1所示,蓝色线表示前烘与曝光之间间隔5min的显影曲线以及黑线表示前烘和曝光之间间隔30min充分再吸水后的显影曲线,可见充分再吸水后的显影时间大大缩短。

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图1 两种不同补水条件下显影时间

充分再吸水的条件

时间

在一定的温度下,光刻胶表面从空气中吸收水分所需要消耗的时间其实并不长(几秒至几分钟),但是水分从光刻胶表面扩散至衬底表面随着光刻胶厚度的增加,消耗的时间可能非常长,例如,对于1um的胶厚,这整个补水过程可以在10s以内完成,而对于10um的胶厚,整个补水过程可能需要10min,而对于20um的胶厚,整个过程需要接近一个小时的时间,而对于厚胶100um的情况,所需要的的时间可以使30多个小时。

湿度

在光刻胶涂在衬底上并烘烤后的空气湿度决定了在一定时间后在光刻胶膜中水分浓度。如果洁净间中空气非常干燥,即使在空气中停留数小时也不会发生再吸水,因为水分吸收和蒸发的平衡水平太低。
我们建议相对湿度为40 – 50%,以保证充分补水。较低的空气湿度会导致显影速率明显下降,较高空气湿度并不能进一步改善补水,反而会导致光刻胶的粘附性变差,因为在光刻胶涂层形成之前,就已经在衬底表面吸附了水膜。
如果再吸水是在一个不同的(潮湿的)房间进行的,而不是在接下来的曝光室中进行的,必须注意,光刻胶膜失去水分的速度与它吸收水分的速度一样快,在到达曝光设备的过程中。特别是对于较薄的胶膜,曝光设备间的空气湿度决定了再吸水的程度和后期显影的结果。

温度

较高的温度加速了扩散过程,从而缩短了水分子通过光刻胶膜扩散到衬底一侧的时间。另一方面,较高的温度促进水从光刻胶膜中蒸发速率,从而降低最终水的浓度。

光刻胶厚胶的再吸水

薄胶厚胶

再吸水的必要性不取决于光刻胶膜的厚度,但由于薄胶只有几微米,由于各种原因这种机制在工艺过程中很难占主导地位:
一方面,薄胶的再吸水过程所需的时间少于一分钟,通常前烘和曝光之间的时间足以满足再吸水所需要的时间。另外,薄胶的光引发剂浓度通常比厚阻光刻剂的光引发剂浓度要高得多,因此,由于薄胶的厚度较低,其显影速度也要快得多。

厚胶再吸水不足在剖面上呈现的后果

下图2展示了没有或过短的再吸水过程对光刻胶轮廓的影响。光刻胶表面和衬底之间的显影速度取决于曝光前光刻胶中水分浓度的深度剖面,而与之无关的暗腐蚀对未暴露的光刻胶在横向和纵向上也有一定的影响。

图2 不同再吸水条件下正胶显影状态。

衬底一侧光刻胶显影越充分,即再吸水越完全,光刻胶的侧壁可能越陡直。如果由于在前烘和曝光之间的等待时间太短,只有上部光刻胶区域得到了充分的再吸水,那么光刻胶膜在深度上的显影速度会越来越慢,也就是说,上部光刻胶随着显影时间的延长暗腐蚀现象越明显。

厚胶的再吸水处理措施

如前文介绍,厚度为10um的厚光刻胶需要几个小时的再吸水过程,这几乎是不现实的。
较高的空气湿度也不能改变水分子从光刻胶表面扩散至光刻胶内部的时间, 如果光刻胶的光反应缺乏足够的水分,即使较高的曝光剂量也是没有用的。高浓度的显影液会缩短未充分再吸水的光刻胶的显影时间,但也会不成比例的增加暗蚀过程,从而进一步恶化所获得的光刻胶轮廓形态。
因此,对于胶厚大于十几微米或者几十微米的胶,我们需要注意选择特殊成分的胶,以避免长时间的再吸水过程。

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