光刻胶的一般特性

评价一款光刻胶是否适合某种应用需要综合看这款光刻胶的特定性能,这里给出光刻胶一般特性的介绍。

1. 灵敏度

灵敏度(sensitivity)是衡量曝光速度的指标。光刻胶的灵敏度越高,所需的曝光剂量越小。曝光剂量以毫焦耳每平方厘米(mJ/cm2)为单位,电子束光刻的剂量单位为uC/cm2.光刻胶聚合物 分子的解链或者交联是通过吸收特定波长的光辐射能量完成的。一种光刻胶通常只在某些特定的波长范围内使用,因此需要注意每款光刻胶的感光波段(通常我们用电子束、i-line、h-line以及g-line表示)。

2. 对比度

由对比度高(contrast)高的光刻胶所得到的的曝光图形具有陡直的边壁(side wall)和较高的图形深宽比(aspect ratio)。对比度与灵敏度的定义如下图1中的显影曲线所示。显影曲线的斜率越大,光刻胶的对比度越高。对比度直接影响到胶的分辨能力。通过比较了不同的对比度的胶所形成的图形轮廓(profile),我们可以发现在相同的曝光条件下对比度高的光刻胶相比于对比度低的光刻胶具有更加陡直的侧壁。

图1 正胶及负胶的对比度定义

3. 抗刻蚀比

如果光刻后道工艺是干法刻蚀,光刻胶作为刻蚀掩膜,就需要光刻胶具有较高的抗刻蚀性。这一性能通常是以刻蚀胶的速度与刻蚀衬底材料的速度之比来表示的(etch selectivity),又称之为选择比。如果如果某一光刻胶与硅的抗刻蚀比为10,这表明当刻蚀硅的速度为1um/min时,光刻胶的刻蚀速度只有100nm/min。选择比的高低也决定了需要多厚的胶层才能实现对衬底一定深度的刻蚀。

4. 分辨能力

光刻胶的分辨能力(resolution)是一个综合指标。影响分辨能力的因素有3个方面:①曝光系统的分辨率;②光刻胶的相对分子质量、分子平均分布、对比度与胶厚;③显影条件与前后烘烤温度。一般较薄的胶层容易获得更高的分辨率率,但是胶厚必须与光刻胶的选择比或者lift-off层厚度加以综合考虑。正胶的过曝过显和负胶的过曝欠显都会影响分辨率。烘烤温度过高,使得光刻胶软化流动也会破坏曝光图形的分辨率。

5. 曝光宽容度

如果光刻时使用的曝光剂量偏离了最佳曝光剂量,仍能获得较好的图形,说明这款光刻胶具有较大的曝光宽容度(exposure latitude)。正产情况下,光刻胶拥有一个最佳的曝光剂量,在光刻时,应该使整个晶圆包表面的曝光剂量一致,且尽可能接近最佳曝光剂量,但是实际生产过程中,由于受外界环境的影响必然会有剂量的偏差。曝光宽容度大的胶受曝光能量浮动或不均匀的影响较小,更适合生产需求。

6. 工艺宽容度

先后烘烤的温度、显影时间、显影液浓度与温度都会对最后的光刻胶图形产生影响。每一套工艺都有相应的最佳工艺条件。但当这些条件偏离最佳值时,要求光刻胶的性能变化尽可能小。即有较大的工艺宽容度(process latitude)。这样的胶对工艺条件的控制有一定的宽容性,因此可获得较高的成品率。

7. 热流动性

每种胶都有一个玻璃态转化温度Tg(glass transition temperature)。超过这一温度,胶就会呈熔融状态。由于已成型胶的热流动性(thermal flow),会使显影形成的图形变形,影响图形质量和分辨率。当然也可以利用这一特点实现热回流(reflow)工艺从而制作微透镜阵列(MLA)结构。如下图2所示,AR-P 3740在不同温度下的图形形态。

图2 AR-P 3740在不同温度下的轮廓形态

8. 膨胀效应

有效负胶在显影过程中会发生膨胀现象(swelling)。这主要是由于显影液分子进入胶的分子链。使胶的体积增加,从而使胶的图形变形。

9. 黏度

黏度(viscosity)用于衡量光刻胶液体的可流动性。黏度通常可以用光刻胶中的聚合物的固含量来控制。同一种胶根据浓度的不同可以有不同的黏度。而不同的黏度决定了该胶的不同涂覆厚度。这在厚胶工艺中非常明显。光刻胶一但开瓶使用后随着溶剂的挥发光刻胶的黏度和厚度也会有一定的变化。

10. 保证期限

每一款胶都有一定的保值期限(shelf life)。这是因为光刻胶中含有光敏物质,存放时间过久会失去光活性、溶剂挥发。有些胶会因为受热而变质,必须低温存储。光刻胶一般都是对外界光照敏感的,尤其是外界光源中的紫外光成分,所以光刻胶都是存储在棕色试剂瓶中的,光刻胶工艺线都是在黄光环境中操作的。

—上述内容绝大部分摘自于崔铮老师《微纳米加工技术及其应用》并略加补充。

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