光學(xué)投影平版印刷與光致抗蝕劑

27五月2023光學(xué)投影平版印刷與光致抗蝕劑光學(xué)投影平版印刷與光致抗蝕劑引言晶體管引起的技術(shù)革命——集成電路；半導(dǎo)體工業(yè)；信息（IT)產(chǎn)業(yè)超凈高純電子化學(xué)品。。。。光學(xué)投影平版印刷與光致抗蝕劑一、光學(xué)平板印刷術(shù)●集成電路的誕生：1947年——WilliamShockley,JohnBardeen和WalterBrattain（Bell實(shí)驗(yàn)室）；晶體管1956年——諾貝爾獎1959年——JachKilby/RobertNoyce●摩爾（Moore)定律：芯片集成度每18個月翻一番；器件尺寸每3年縮小0.7倍；●摩爾定律的幕后推手：光刻技術(shù)——利用光致抗蝕劑（或稱光刻膠）感光后因光化學(xué)反應(yīng)而形成溶解性不同的特點(diǎn)，將掩模板上的圖形刻制到被加工表面上。光學(xué)投影平版印刷與光致抗蝕劑一、光學(xué)平板印刷術(shù)●光學(xué)投影平版印刷術(shù)原理與工藝平板印刷概念——被印物與底板或非印物同在一個平面上；印刷時，底板以水浸濕，利用油水不沾原理，以油墨將印物印刷；光學(xué)投影平版印刷——將通過掩膜的光圖案，經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)，投影在涂有光致抗蝕劑的晶片上，后者發(fā)生內(nèi)部反應(yīng)后，經(jīng)顯影，刻蝕后，將掩膜圖案留在晶片上一、光學(xué)平板印刷術(shù)光學(xué)投影平版印刷與光致抗蝕劑一、光學(xué)平板印刷術(shù)●光學(xué)投影平版印刷術(shù)原理

光學(xué)投影平版印刷與光致抗蝕劑一、光學(xué)平板印刷術(shù)光學(xué)投影平版印刷術(shù)工藝●利用旋涂工藝將光致抗蝕劑均勻旋涂在底板或硅片上；●套準(zhǔn)曝光——將掩膜套準(zhǔn)已旋涂了光致抗蝕劑的底板或硅片并曝光。●顯影——用顯影液浸泡，光致抗蝕劑的曝光部分被溶解掉；●刻蝕，轉(zhuǎn)移——腐蝕液繼續(xù)作用于顯露出的底板或硅片，將圖形轉(zhuǎn)移到底板或硅片上；●剝?nèi)ノ锤泄獾目刮g基層。光學(xué)投影平版印刷與光致抗蝕劑一、光學(xué)平板印刷術(shù)光學(xué)投影平版印刷術(shù)原理與工藝

學(xué)投影光平版印刷與光致抗蝕劑學(xué)投影光平版印刷與光致抗蝕劑光學(xué)投影平版印刷與光致抗蝕劑一、光學(xué)平板印刷術(shù)光學(xué)投影平版印刷術(shù)材料與功能1、

底板或硅片或稱硅圓片（wafer）；光學(xué)投影平版印刷的承接物——通過刻蝕，在硅片上生成集成電路；光學(xué)投影平版印刷與光致抗蝕劑光學(xué)投影平版印刷與光致抗蝕劑一、光學(xué)平板印刷術(shù)光學(xué)投影平版印刷術(shù)材料與功能2、光致抗蝕劑（photoresist）,又稱光刻膠。它是由一種成膜聚合物與一種光敏化合物（phtosensitivecompound）加溶劑溶解配制而成。在紫外光作用下，光敏化合物與聚合物反應(yīng)或增加其在堿性溶液（顯影液）中的溶解度被洗掉（正型聚合物）；或增加其交聯(lián)度，不能被非極性溶劑溶掉而留下（負(fù)型聚合物），從而將掩膜上的圖案轉(zhuǎn)移到硅片上。光學(xué)投影平版印刷與光致抗蝕劑一、光學(xué)平板印刷術(shù)光學(xué)投影平版印刷術(shù)材料與功能3、掩膜(ph0tomusk)——由透光襯底材料，即石英玻璃和不透光的金屬鉻吸收材料組成。其中鉻被安置成要被轉(zhuǎn)移的半導(dǎo)體圖案(pattern).當(dāng)紫外光照射時，光從透光的石英玻璃穿過，對其下的光抗蝕劑曝光光學(xué)投影平版印刷與光致抗蝕劑一、光學(xué)平板印刷術(shù)光學(xué)投影平版印刷的指標(biāo)要求1、分辨率（resolution）：指光刻系統(tǒng)所能分辨和加工的最小線寬；分辨率越高，則可加工的線寬就越細(xì)；芯片上的晶體管數(shù)目就可能越多；2、焦深（depthoffocus）:指投影光學(xué)系統(tǒng)可清晰成像的尺度或距離；距離越短，則圖案可縮小的倍數(shù)越大，可以把更多的圖案投影、濃縮到晶片上；3、關(guān)鍵尺寸（criticaldimension）的控制：控制精確方可保證集成電路的性能。這與光刻膠材料的組成與性質(zhì)；曝光加工工藝等緊密相關(guān)；光學(xué)投影平版印刷與光致抗蝕劑一、光學(xué)平板印刷術(shù)光學(xué)投影平版印刷的指標(biāo)要求4、對準(zhǔn)和套刻（alignmentandoverlay）精度：即在掩膜上安置鉻金屬圖案時要控制精確；將掩膜套住或罩住硅片時同樣要求十分精確。5、產(chǎn)出（throughout）：集成電路的發(fā)展軌跡就是兩高一低，即高集成度，高產(chǎn)出和低成本。投影曝光工藝占整個硅片制造工藝的制造時間的40%-60%；成本占1/3！因此十分重視高產(chǎn)出。光學(xué)投影平版印刷與光致抗蝕劑二、光致抗蝕劑●光致抗蝕劑——又叫光刻膠；是一種物質(zhì)，經(jīng)過曝光后，曝光部分內(nèi)部發(fā)生反應(yīng)，可被堿性溶液溶去或被非極性溶劑留下的一類物質(zhì)；它由成膜樹脂，光敏化合物和溶劑及添加劑（表面活性劑）組成。它分正型和負(fù)型，正型抗蝕劑在曝光后，曝光部分可被堿液溶去；負(fù)型在曝光后可被非極性溶劑留下，實(shí)現(xiàn)顯影。●對光致抗蝕劑的要求：對曝光光源敏感但不吸收；可顯影；有阻容性（反差或?qū)Ρ榷群茫?。光學(xué)投影平版印刷與光致抗蝕劑光學(xué)投影平版印刷與光致抗蝕劑光學(xué)投影平版印刷與光致抗蝕劑二、光致抗蝕劑●成膜樹脂——對曝光光源波長的光不吸收；可溶于有機(jī)溶劑；可顯影；抗蝕性；高的玻璃化溫度（130-170℃）；與基片有較好的粘結(jié)力。光學(xué)投影平版印刷與光致抗蝕劑光學(xué)投影平版印刷與光致抗蝕劑二、光致抗蝕劑●感光劑——又稱光敏化合物：曝光后能分解產(chǎn)生活性物質(zhì)，該活性物質(zhì)與成膜樹脂發(fā)生反應(yīng)，使其溶解性能發(fā)生變化的物質(zhì)。——在正型抗蝕劑中，在248nm曝光波長之前為酮類，醌類；在248nm曝光波長以下為產(chǎn)酸劑；——在負(fù)型抗蝕劑中，為自由基發(fā)生劑，如疊氮化合物

光學(xué)投影平版印刷與光致抗蝕劑二、光致抗蝕劑●溶劑——常用的有機(jī)溶劑，多見“雙親”溶劑，如乙二醇單乙醚；丙二醇單甲醚/與乙酸酯乙酯（1:1）混合溶劑——對成膜樹脂不產(chǎn)生溶脹效應(yīng)；前烘時，能全部整除?！裉砑觿倪M(jìn)樹脂與基板的粘結(jié)性能或改進(jìn)其溶解性能；如表面活性劑或鍵合劑光學(xué)投影平版印刷與光致抗蝕劑三、化學(xué)增幅抗蝕劑●問題的提出：分辨率不斷提高抗蝕劑對曝光波長的吸收聚羥基苯乙烯樹脂光敏樹脂●1987年IBM公司伊藤：光致產(chǎn)酸劑（photoacidgenerator)光學(xué)投影平版印刷與光致抗蝕劑三、化學(xué)增幅抗蝕劑——反應(yīng)機(jī)理

光學(xué)投影平版印刷與光致抗蝕劑三、化學(xué)增幅抗蝕劑●成膜樹脂——248nm：聚對羥基苯乙烯及其衍生物；193nm:聚酯環(huán)族丙烯酸酯及其共聚物；改變極性基團(tuán)——提供可粘性光學(xué)投影平版印刷與光致抗蝕劑三、化學(xué)增幅抗蝕劑●成膜樹脂——改變酸敏部分：提供成像能力和抗蝕性光學(xué)投影平版印刷與光致抗蝕劑三、化學(xué)增幅抗蝕劑●成膜樹脂——光學(xué)投影平版印刷與光致抗蝕劑三、化學(xué)增幅抗蝕劑●光致產(chǎn)酸劑——光學(xué)投影平版印刷與光致抗蝕劑三、化學(xué)增幅抗蝕劑●光致產(chǎn)酸劑——苯環(huán)被稠環(huán)替代；產(chǎn)酸效率光學(xué)投影平版印刷與光致抗蝕劑三、化學(xué)增幅抗蝕劑●抗蝕劑的配制工藝配方（1）組成：成膜樹脂100%N-羥基馬來海松酸酰亞胺磺酸酯產(chǎn)酸劑5%乙二醇單乙醚適量制作工藝：將配方量的成膜樹脂和產(chǎn)酸劑加入計(jì)算量的乙二醇單乙醚中，攪拌溶解為溶液。待其充分溶解后，過濾；將適量濾餅離心旋涂于石英片上；將涂敷抗蝕劑的石英片置于100℃烘烤箱中，烘烤2min;膜厚約0.4-0.6μm。用所需紫外曝光光源測定該樹脂模的紫外吸收光譜；光學(xué)投影平版印刷與光致抗蝕劑三、化學(xué)增幅抗蝕劑●抗蝕劑的配制工藝配方（2）組成：酰胺，酰亞胺共聚成膜樹脂：15-20%；2,1,5-磺酰氯產(chǎn)酸劑4.5%-6%；丙二醇單甲醚/與乙酸酯乙酯（1:1）混合溶劑70%-80%制作工藝：在避光條件下，將成膜樹脂和產(chǎn)酸劑溶于混合溶劑中。充分溶解后，用0.25μm聚四氟乙烯超濾膜過濾兩次；0-5℃冰箱密封避光保存。在旋涂轉(zhuǎn)速條件下，將上述光刻膠均勻涂在單晶硅片上；于90℃，前烘4min測膜厚為1μm；光學(xué)投影平版印刷與光致抗蝕劑三、化學(xué)增幅抗蝕劑●抗蝕劑的配置環(huán)境——百級超凈工房；溫度23.0±0.5℃；濕度45±2%的條件中進(jìn)行；產(chǎn)品要密封包裝，避光低溫保存。光學(xué)投影平版印刷與光致抗蝕劑三、化學(xué)增幅抗蝕劑★光致抗?jié)駝┑男阅軝z測——以成膜樹脂為例：●熱穩(wěn)定性與耐熱性：DSC測試；TDA測試玻璃化溫度；●溶解性與堿溶性：顯影功能測試（按上述工藝成膜顯影）；●成膜性與機(jī)械強(qiáng)度：膜厚，粘附力，機(jī)械強(qiáng)度測試；TFA等測厚儀；●微顆粒檢測：0.1μm激光顆粒測定儀；●金屬離子檢測：電感耦合等離子質(zhì)譜；●微量水分：微量水分測定儀光學(xué)投影平版印刷與光致抗蝕劑四、提高分辨率的途徑瑞利方程R=K1λ/NA式中——R；分辨率；K1：工藝因子；λ:曝光波的波長或稱工作波長；NA：光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑。光學(xué)投影平版印刷與光致抗蝕劑四、提高分辨率的途徑——●減小曝光波的波長。這是業(yè)內(nèi)目前采取的主要途徑。例如為了獲得高分辨率，即獲得更細(xì)的電路線寬，已經(jīng)由紫外的g線（436nm）,i線(365nm),到氟化氪（248nm）激光，氟化氬（193nm）激光并向F2準(zhǔn)分子激光推進(jìn)。由于光通過掩膜后，被光學(xué)系統(tǒng)將圖像縮小,例如4倍，因此，實(shí)際成像，以248nm光為例，即為為62nm?！窠档凸に囈蜃覭1.這與各工藝參數(shù)，包括光刻膠，掩膜制作，套準(zhǔn)工藝等密切相關(guān)；●增大數(shù)值孔徑，即改進(jìn)光學(xué)系統(tǒng)的縮小倍數(shù)。光學(xué)投影平版印刷與光致抗蝕劑五、光學(xué)投影曝光波長平板印刷的極限●曝光波長不斷變小出現(xiàn)的問題——更短波長的光源；193nm;153nm;…..新的透鏡材料；難找到對光波不吸收的材料更高數(shù)字孔徑光學(xué)系統(tǒng)：難以加工●光學(xué)投影曝光波長平板印刷的極限：0.07μm——193nm的極限分辨率：0.1μm——157nm的極限分辨率：0.07μm●下一代光刻技術(shù)（nextgenerationlithography):x射線；極紫外；電子束；離子束投影光刻光學(xué)投影平版印刷與光致抗蝕劑結(jié)束語●我們面對著一門龐大的化工產(chǎn)業(yè)：超凈高純電子化學(xué)品它包括——抗蝕劑或光刻膠；各種酸，如鹽酸，硫酸，硝酸，磷酸，氫氟酸……各種堿，如氫氧化鈉，氫氧化鉀……各種氧