紫外曝光 —常见曝光光源及剂量确定

前面文章中我们介绍了几种常见的曝光技术,确定了曝光技术后,曝光系统的光源类型直接决定了我们选择光刻胶的种类和曝光的剂量,本文我们介绍一下典型的曝光光源以及最优曝光剂量的确认。

典型曝光光源

汞灯光源

在掩膜对准光刻及步进投影式光刻机中常用汞灯作为曝光光源,如下图1所示,其发射光谱包括g-(波长435 nm)、h-(波长405 nm)和i-线(波长365 nm)。一个配有350w Hg灯的6英寸掩模对准器通常能获得大约光输出。15 – 30mw /cm2,i-线强度通常大约占全部三条线总光强的40%。

图1 汞灯光源光谱图

在一些对于曝光剂量敏感的应用中,如图形反转胶、厚胶或有较高分辨率要求的情况下,建议定期校准光强度,因为光强会随灯的工作时间而改变。在非关键图形曝光剂量可采用经验法则,选择小于光照区域的横向光强分布10%的光强,以保证中部和外围区域获得最佳曝光时间。

LED光源

LED作为近年来比较常见的UV光源在掩膜对准式光刻系统中比较常见,其相比于汞灯光源其优点是冷光源,不会对光刻胶产生辐照加热,避免光刻胶受热变形。

激光光源

除了Hg灯,具有合适波长的激光器也是光刻胶曝光的合适光源。由于光引发剂的光谱吸收带不会在某一特定波长突然终止,相应的适应剂量也会暴露在比数据表中所示范围高约10 nm的波长处,但这大大延长了需要直写的时间。
另外,在干涉光刻中也常常用的例如He-Cd(328nm)作为光源,其同样能对大部分i-线胶进行曝光,但是其曝光剂量需要客户仔细实验摸索。

其他光源

除了上述光源外,市场上我们还能看到以DUV和EUV作为光源的高端Stepper光刻系统,另外,还有以172nm为光源的曝光系统、以双光子原理利用800nm激光光源的3D打印系统,这里就不多介绍。

最佳曝光剂量的确定

曝光剂量和曝光时间之间的换算因子

为了获得根据光刻胶技术数据表中给出的推荐曝光剂量确定的正确地曝光时间,必须知道以下内容:

  • 曝光工具的光源光谱是什么(单色在i-, h-或g-线或BB-UV宽频光谱)? 没有光学选择性元件,如i线过滤器,汞灯光源通常含有上述三条波段的光;
  • 光强度是在哪个波段下确定的? 许多探测器只测量i-线,典型的 350w 汞灯光源发出光强约6 – 12mw/cm2, 而1000w 汞灯光源大约是前者的3倍;
  • 光刻胶在哪个波长上感光(i-, h-或/和g线),灵敏度如何?
  • 在光刻胶技术数据表中,对应于哪个波长的光剂量? 通常,这里所示的曝光系列是用单色i-线或者BB-UV曝光的。

曝光强度和曝光时间的换算

正胶和负胶的光反应通常是一个单光子过程与时间没太大关系。因此,在原则上需要多长时间 (从脉冲激光的飞秒到接触光刻的秒到激光干涉光刻的小时)并不重要 ,作为强度和时间的产物,作用在在光刻胶上的剂量是光强与曝光时间的产物。
然而,在增加光强和光刻胶厚度较大的时候,必须考虑曝光过程中产生的热量和气体(如正胶和图形反转胶中的N2排放)从光刻胶膜中排出时间因为热量和气体会导致光刻胶膜产生热和机械损伤。

其他影响最佳照射剂量的因素

衬底的反射率对光刻胶膜实际吸收的曝光强度有影响,特别是对于薄的光学光刻胶膜。玻璃晶圆的短波光强反射约10%,硅晶片反射约30%,金属薄膜的反射系数可超过90%。
哪一种曝光剂量是“最佳”也取决于光刻工艺的要求。有时候稍微欠曝光可以减小这种衬底反射带来的负面影响。
在厚胶情况下,足够的曝光剂量是后续合理的较短显影时间的保障。

紫外正胶曝光剂量

原则上, 对每一个新工艺、不同的设备或者新的光刻胶,都需要重新确定最佳曝光剂量, 建议通过一系列的曝光实验对工艺进行优化。这不仅取决于光刻胶,还取决于衬底的性能和各种工艺要求。
对于正胶,大多数曝光的“最佳”剂量接近显影速率开始饱和的值,即增大曝光剂量几乎原则上, 对每一个新工艺、不同的设备或者新的光刻胶,都需要重新确定最佳曝光剂量, 建议通过一系列的曝光实验对工艺进行优化。这不仅取决于光刻胶,还取决于衬底的性能和各种工艺要求。对于正胶,大多数曝光的“最佳”剂量接近显影速率开始饱和的值,即随着曝光剂量的增加显影速度不在增加的最小剂量值。

负胶和图形反转胶曝光剂量

对于图形反转胶的负胶工艺,第一次(确定结构)曝光时的高剂量会增加图形反转的程度,这会在后续的章节中详细介绍。
在负胶的曝光过程中,树脂的交联度以及光刻胶在显影剂中的溶解性随光剂量的增加而增加。过曝光会导致曝光区域附件的非曝光区域发生交联。这会增加显影时光刻胶结构的尺寸,这使得显影小孔或者摘的沟槽变得困难或不可能。
如果图形翻转胶用于lift-off工艺中,曝光剂量必须根据工艺需求进行优化:由于该波长下光的穿透能力限制光刻胶接受光的程度从表面致深度方向逐渐递减,控制曝光剂量可以获得所需的undercut轮廓结构。

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