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光刻膠的作用

光刻膠是壹大類具有光敏化學作用(或對電子能量敏感)的高分子聚合物材料,是轉移紫外曝光或電子束曝照圖案的媒介。光刻膠的英文名為resist,又翻譯為抗蝕劑、光阻等。光刻膠的作用就是作為抗刻蝕層保護襯底表面。光刻膠只是壹種形象的說法,因為光刻膠從外觀上呈現為膠狀液體。

光刻膠通常是以薄膜形式均勻覆蓋於基材表面。當紫外光或電子束的照射時,光刻膠材料本身的特性會發生改變,經過顯影液顯影後,曝光的負性光刻膠或未曝光的正性光刻膠將會留在襯底表面,這樣就將設計的微納結構轉移到了光刻膠上,而後續的刻蝕、沈積等工藝,就可進壹步將此圖案轉移到光刻膠下面的襯底上,最後再使用除膠劑將光刻膠除去就可以了。

2. 光刻膠應用範圍

光刻膠廣泛應用於集成電路(IC),封裝(Packaging),微機電系統(MEMS),光電子器件光子器件(Optoelectronics/Photonics),平板顯示器(LED,LCD,OLED),太陽能光伏(Solar PV)等領域。

3.光刻膠分類及類型

光刻膠按其形成圖形的極性可以分為:正性光刻膠和負性光刻膠。

正膠指的是聚合物的長鏈分子因光照而截斷成短鏈分子;負膠指的是聚合物的短鏈分子因光照而交鏈長鏈分子。 短鏈分子聚合物可以被顯影液溶解掉,因此正膠的曝光部分被去掉,而負膠的曝光部分被保留。

①.紫外光刻膠(Photoresist):

各種工藝:噴塗專用膠,化學放大膠,lift-off膠,圖形反轉膠,高分辨率膠,LIGA用膠等。

各種波長: 深紫外(Deep UV)、I線(i-line)、G線(g-line)、長波(longwave)曝光用光刻膠。

各種厚度: 光刻膠厚度可從幾十納米到上百微米。

②. 電子束光刻膠(電子束抗蝕劑)(E-beam resist)

電子束正膠:PMMA膠,PMMA/MA聚合物, LIGA用膠等。

電子束負膠:高分辨率電子束負膠,化學放大膠(高靈敏度電子束膠)等。

③. 特殊工藝用光刻膠(Special manufacture/experimental sample)

電子束曝光導電膠,耐酸堿保護膠,全息光刻用膠,聚酰亞胺膠(耐高溫保護膠)等特殊工藝用膠。

④.配套試劑(Process chemicals)

顯影液、去膠液、稀釋劑、增附劑(粘附劑)、定影液等。

4.光刻膠成分

光刻膠壹般由4部分組成:樹脂型聚合物(resin/polymer),溶劑(solvent),光活性物質(photoactive compound,PAC),添加劑(Additive)。 其中,樹脂型聚合物是光刻膠的主體,它使光刻膠具有耐刻蝕性能;溶劑使光刻膠處於液體狀態,便於塗覆;光活性物質是控制光刻膠對某壹特定波長光/電子束/離子束/X射線等感光,並發生相應的化學反應;添加劑是用以改變光刻膠的某些特性,如控制膠的光吸收率/溶解度等。

5.光刻膠的主要技術參數

5.1.靈敏度(Sensitivity)

靈敏度是衡量光刻膠曝光速度的指標。光刻膠的靈敏度越高,所需的曝光劑量越小。單位:毫焦/平方厘米或mJ/cm2。

5.2.分辨率(resolution)

區別矽片表面相鄰圖形特征的能力。壹般用關鍵尺寸(CD,Critical Dimension)來衡量分辨率。形成的關鍵尺寸越小,光刻膠的分辨率越好。

光刻膠的分辨率是壹個綜合指標,影響該指標的因素通常有如下3個方面:

(1) 曝光系統的分辨率。

(2) 光刻膠的對比度、膠厚、相對分子質量等。壹般薄膠容易得到高分辨率圖形。

(3) 前烘、曝光、顯影、後烘等工藝都會影響光刻膠的分辨率。

5.3.對比度(Contrast)

對比度指光刻膠從曝光區到非曝光區過渡的陡度。 對比度越好,越容易形成側壁陡直的圖形和較高的寬高比。

5.4.粘滯性/黏度 (Viscosity)

衡量光刻膠流動特性的參數。黏度通常可以使用光刻膠中聚合物的固體含量來控制。同壹種光刻膠根據濃度不同可以有不同的黏度,而不同的黏度決定了該膠的不同的塗膠厚度。

5.5.抗蝕性(Anti-etching)

光刻膠必須保持它的粘附性,在後續的刻蝕工序中保護襯底表面。耐熱穩定性、抗刻蝕能力和抗離子轟擊能力。

5.6.工藝寬容度(Process latitude)

光刻膠的的前後烘溫度、曝光工藝、顯影液濃度、顯影時間等都會對最後的光刻膠圖形產生影響。每壹套工藝都有相應的最佳的工藝條件,當實際工藝條件偏離最佳值時要求光刻膠的性能變化盡量小,即有較大的工藝寬容度。 這樣的光刻膠對工藝條件的控制就有壹定的寬容性。

6.特殊光刻膠介紹

6.1. 化學放大光刻膠(CAR,Chemical Amplified Resist)

化學放大膠中含有壹種叫做"光酸酵母"(PAG, Photo Acid Generator)的物質。在光刻膠曝光過程中,PAG分解,首先產生少量的光酸。在曝光後與顯影前經過適當溫度的烘烤,即後烘(PEB, Post Exposure Baking)這些光酸分子又發連鎖反應,產生更多的光酸分子。大量的光酸使光刻膠的曝光部分變成可溶(正膠)或不可溶(負膠)。 主要的化學反應是在後烘過程中發生的,只需要較低的曝光能量來產生初始的光酸,因此化學放大膠通常有很高的靈敏度。

6.2.灰度曝光(Grey Scale Lithography)

灰度曝光可以產生曲面的光刻膠剖面,是制作三維浮雕結構的光學曝光技術之壹。灰度曝光的關鍵在於灰度掩膜板的制作、灰度光刻膠工藝與光刻膠浮雕圖形向襯底材料的轉移。傳統掩膜板只有透光區和不透光區,而灰度掩膜板的透光率則是以灰度等級來表示的。實現灰度掩膜板的方法是改變掩膜的透光點密度。