紫外曝光 – 光反应过程

前面文章中我们介绍了好多关于涂胶的相关信息,这是曝光前的必要准备工作。曝光是整个光刻环节中最重要的环节,这个环节接直决定了后续获得图形的质量。在接下来的几篇文章中,我们将分别讨论与曝光有关的光反应、光刻技术、曝光剂量、波长和光刻胶与掩膜版的距离对分辨率的影响、掩膜版和衬底的影响因素、激光光刻、灰度光刻、曝光环节中氮气的形成等部分逐一介绍。本节我们介绍曝光过程中的光反应。

曝光:在光刻胶膜中发生的化学过程导致其在显影液中溶解度的增加(正胶)或减少(负胶),从而可以产生出特定结构光刻胶膜。

基于DNQ-基光引发剂的正胶和图形反转胶

下图1中展示了光反应的基本步骤,即光刻胶中的光引发剂在曝光时所需的化学反应:在光辐照下光引发剂结合水分子并释放氮气后转化为茚羧酸(indene carboxylic acid)。

图1 光引发剂在吸收光子后发生的光化学反应

SO2-R基团的结合位点决定了光刻胶是对h-线和i-线敏感(结合位点在碳环 “右”侧)还是对g-线敏感(结合位点在碳环 “左” 侧)。为了增加其在光刻胶中的热稳定性和溶解度以及增强其作为“抑制剂”(减少暗蚀)的性能,可以将几个DNQ-磺酸盐分子与一个所谓的主链分子结合。
光反应的量子效率定义的光刻胶膜中吸收的每光子光反应数量。充分吸水后DNQ-基光引发法剂的透明树脂,在对应的波长(g、h、i线取决于DNQ)下曝光,可达到20 – 30%的量子效率。
如果在光刻胶膜中只有少量的水(再吸水不足,见光刻胶再吸水),酮(图1,中图)可能会发生各种不需要的二次反应(例如与树脂酯化或与CO2裂解聚合)。在这两种情况下,没有形成茚羧酸,显影的速度只能通过降低抑制剂DNQ的浓度而增加。

非DNQ-基紫外正胶

在特殊化学放大光刻胶中,曝光的过程中不会形成茚羧酸,而是形成磺酸(sulphonic acid)。光化学反应不需要水分参与,也不会释放氮气,这使得这种光刻胶的处理比基于DNQ-基的光刻胶更简单快速,即使是在非常厚的厚胶情况下也是如此。

紫外负胶交联反应

在一些负胶中,如AZ®nLOF 2000系列或AZ®15nxt,曝光会激活三聚氰胺 (melamine) 交联剂,在随后的烘烤步骤(曝光后烘)中导致短酚醛树脂单元(phenolic resin units)与长链连接。
部分负胶产品,在曝光开始过程中光聚合丙烯酸单体已经在室温下形成。因此这种光刻胶不需要曝光后烘过程。

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