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光刻胶成分及用途

1.光刻胶定义

光刻胶是一大类具有光敏化学作用(或对电子能量敏感)的高分子聚合物材料,是转移紫外曝光或电子束曝照图案的媒介。光刻胶的英文名为resist,又翻译为抗蚀剂、光阻等。光刻胶的作用就是作为抗刻蚀层保护衬底表面。光刻胶只是一种形象的说法,因为光刻胶从外观上呈现为胶状液体。

光刻胶通常是以薄膜形式均匀覆盖于基材表面。当紫外光或电子束的照射时,光刻胶材料本身的特性会发生改变,经过显影液显影后,曝光的负性光刻胶或未曝光的正性光刻胶将会留在衬底表面,这样就将设计的微纳结构转移到了光刻胶上,而后续的刻蚀、沉积等工艺,就可进一步将此图案转移到光刻胶下面的衬底上,最后再使用除胶剂将光刻胶除去就可以了。

2. 光刻胶应用范围

光刻胶广泛应用于集成电路(IC),封装(Packaging),微机电系统(MEMS),光电子器件光子器件(Optoelectronics/Photonics),平板显示器(LED,LCD,OLED),太阳能光伏(Solar PV)等领域。

3.光刻胶分类及类型

光刻胶按其形成图形的极性可以分为:正性光刻胶和负性光刻胶。

正胶指的是聚合物的长链分子因光照而截断成短链分子;负胶指的是聚合物的短链分子因光照而交链长链分子。 短链分子聚合物可以被显影液溶解掉,因此正胶的曝光部分被去掉,而负胶的曝光部分被保留。

①.紫外光刻胶(Photoresist)

各种工艺:喷涂专用胶,化学放大胶,lift-off胶,图形反转胶,高分辨率胶,LIGA用胶等。

各种波长: 深紫外(Deep UV)、I线(i-line)、G线(g-line)、长波(longwave)曝光用光刻胶。

各种厚度: 光刻胶厚度可从几十纳米到上百微米。

. 电子束光刻胶(电子束抗蚀剂)(E-beam resist)

电子束正胶:PMMA胶,PMMA/MA聚合物, LIGA用胶等。

电子束负胶:高分辨率电子束负胶,化学放大胶(高灵敏度电子束胶)等。

. 特殊工艺用光刻胶(Special manufacture/experimental sample)

电子束曝光导电胶,耐酸碱保护胶,全息光刻用胶,聚酰亚胺胶(耐高温保护胶)等特殊工艺用胶。

④.配套试剂(Process chemicals)

显影液、去胶液、稀释剂、增附剂(粘附剂)、定影液等。

4.光刻胶成分

光刻胶一般由4部分组成:树脂型聚合物(resin/polymer),溶剂(solvent),光活性物质(photoactive compound,PAC),添加剂(Additive)。 其中,树脂型聚合物是光刻胶的主体,它使光刻胶具有耐刻蚀性能;溶剂使光刻胶处于液体状态,便于涂覆;光活性物质是控制光刻胶对某一特定波长光/电子束/离子束/X射线等感光,并发生相应的化学反应;添加剂是用以改变光刻胶的某些特性,如控制胶的光吸收率/溶解度等。

5.光刻胶的主要技术参数

5.1.灵敏度(Sensitivity)

灵敏度是衡量光刻胶曝光速度的指标。光刻胶的灵敏度越高,所需的曝光剂量越小。单位:毫焦/平方厘米或mJ/cm2。

5.2.分辨率(resolution)

区别硅片表面相邻图形特征的能力。一般用关键尺寸(CD,Critical Dimension)来衡量分辨率。形成的关键尺寸越小,光刻胶的分辨率越好。

光刻胶的分辨率是一个综合指标,影响该指标的因素通常有如下3个方面:

(1) 曝光系统的分辨率。

(2) 光刻胶的对比度、胶厚、相对分子质量等。一般薄胶容易得到高分辨率图形。

(3) 前烘、曝光、显影、后烘等工艺都会影响光刻胶的分辨率。

5.3.对比度(Contrast)

对比度指光刻胶从曝光区到非曝光区过渡的陡度。 对比度越好,越容易形成侧壁陡直的图形和较高的宽高比。

5.4.粘滞性/黏度 (Viscosity)

衡量光刻胶流动特性的参数。黏度通常可以使用光刻胶中聚合物的固体含量来控制。同一种光刻胶根据浓度不同可以有不同的黏度,而不同的黏度决定了该胶的不同的涂胶厚度。

5.5.抗蚀性(Anti-etching)

光刻胶必须保持它的粘附性,在后续的刻蚀工序中保护衬底表面。耐热稳定性、抗刻蚀能力和抗离子轰击能力。

5.6.工艺宽容度(Process latitude)

光刻胶的的前后烘温度、曝光工艺、显影液浓度、显影时间等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的工艺条件,当实际工艺条件偏离最佳值时要求光刻胶的性能变化尽量小,即有较大的工艺宽容度。 这样的光刻胶对工艺条件的控制就有一定的宽容性。

6.特殊光刻胶介绍

6.1. 化学放大光刻胶(CAR,Chemical Amplified Resist)

化学放大胶中含有一种叫做"光酸酵母"(PAG, Photo Acid Generator)的物质。在光刻胶曝光过程中,PAG分解,首先产生少量的光酸。在曝光后与显影前经过适当温度的烘烤,即后烘(PEB, Post Exposure Baking)这些光酸分子又发连锁反应,产生更多的光酸分子。大量的光酸使光刻胶的曝光部分变成可溶(正胶)或不可溶(负胶)。 主要的化学反应是在后烘过程中发生的,只需要较低的曝光能量来产生初始的光酸,因此化学放大胶通常有很高的灵敏度。

6.2.灰度曝光(Grey Scale Lithography)

灰度曝光可以产生曲面的光刻胶剖面,是制作三维浮雕结构的光学曝光技术之一。灰度曝光的关键在于灰度掩膜板的制作、灰度光刻胶工艺与光刻胶浮雕图形向衬底材料的转移。传统掩膜板只有透光区和不透光区,而灰度掩膜板的透光率则是以灰度等级来表示的。实现灰度掩膜板的方法是改变掩膜的透光点密度。

灰度曝光用胶的特点:

·光刻胶要有较大的黏度。

·光刻胶要有比较低的对比度。

·光刻胶的抗刻蚀比尽量和衬底材料的接近。

6.3. LIGA技术

由厚胶曝光形成深结构的目的是进行电铸,使之转化为金属深结构,因为只有金属结构才是为系统器件所需要的功能结构。这种技术又称为LIGA技术。LIGA是德文Lithographie(LI) Galvanoformung(G) Abformung(A),即"光刻、电镀、注塑复制"的缩写。

6.4. lift-off工艺

溶脱剥离法(lift-off)是微纳加工中应用到的最普遍的图形转移技术之一。其基本原理是由光学或电子束曝光首先形成光刻胶的图形,在薄膜沉积之后将光刻胶用除胶剂等溶解清除,凡是没有被光刻胶覆盖的区域都留下了金属薄膜,实现了由光刻胶图形向金属薄膜图形的转移。

6.5. 电镀法(electroplating)

电镀法是转移较厚的金属结构时使用到的一种转移技术。其过程一般为3个步骤:首先,在衬底材料上制作一层金属导电薄膜作为电镀的起始衬底,然后通过光刻或电子束曝光形成光刻胶或抗蚀剂掩膜; 第二步是将制作有光刻胶图形的基片放在电镀液中与被镀金属电极连接成电流通路,金属电极在电解液作用下释放金属离子并在电场驱动下沉积到基片表面暴露的金属层上; 最后,将光刻胶去除,并腐蚀清除衬底表面其余的金属膜,便得到金属微结构图形。

7.光刻胶如何选择

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