圖形反轉(zhuǎn)膠是比較常見(jiàn)的一種紫外光刻膠，它既可以當(dāng)正膠使用又可以作為負(fù)膠使用。相比而言，負(fù)膠工藝更被人們所熟知。本文重點(diǎn)介紹其負(fù)膠工藝。
應(yīng)用領(lǐng)域
在反轉(zhuǎn)工藝下，通過(guò)適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)，可以獲得底切的側(cè)壁形態(tài)。這種方法的主要應(yīng)用領(lǐng)域是剝離過(guò)程，在剝離過(guò)程中，底切的形態(tài)可以防止沉積的材料在光刻膠邊緣和側(cè)壁上形成連續(xù)薄膜，有助于獲得干凈的剝離光刻膠結(jié)構(gòu)。
在圖像反轉(zhuǎn)烘烤步驟中，光刻膠的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性可以得到部分改善。因此，光刻膠在后續(xù)的工藝中如濕法、干法蝕刻以及電鍍中都體現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì)。然而，這些優(yōu)點(diǎn)通常被比較麻煩的圖像反轉(zhuǎn)處理工藝的缺點(diǎn)所掩蓋。如額外增加的處理步驟和很難或幾乎不可能獲得垂直的光刻膠側(cè)壁結(jié)構(gòu)。 因此，圖形反轉(zhuǎn)膠更多的是被應(yīng)用于剝離應(yīng)用中。
工藝步驟
與正膠相比，圖形反轉(zhuǎn)工藝需要反轉(zhuǎn)烘烤和泛曝光步驟，這兩個(gè)步驟使得第一次曝光的區(qū)域在顯影液中不能溶解，并且使第一步曝光中尚未曝光的區(qū)域能夠被曝光。
沒(méi)有這兩個(gè)步驟，圖形反轉(zhuǎn)膠表現(xiàn)為具有于普通正膠相同側(cè)壁的側(cè)壁結(jié)構(gòu)，只有在圖形反轉(zhuǎn)工藝下才能獲得底切側(cè)壁結(jié)構(gòu)的光刻膠輪廓形態(tài)。
第一次曝光
首先，光刻膠的圖形是在使用掩膜版曝光后確定下來(lái)的。因此，與使用于正膠的掩膜版相比，圖形反轉(zhuǎn)工藝中的掩膜版是相反的圖形。其曝光劑量強(qiáng)烈影響著獲得的光刻膠輪廓形態(tài):
低曝光劑量
與光的穿透深度相比，光刻膠膜厚度越大，曝光劑量在深度方向的分布更為明顯。在低光劑量的情況下，襯底附近的光刻膠接收到的光比光刻膠表面少得多，在隨后的顯影過(guò)程中保持較高的可溶性，導(dǎo)致光刻膠的輪廓呈現(xiàn)出更明顯的底切。
如果曝光劑量過(guò)低，反轉(zhuǎn)烘烤步驟甚至不能使曝光區(qū)域表面的光刻膠發(fā)生轉(zhuǎn)變，這將會(huì)增加了顯影液的腐蝕率。因此，在顯影時(shí)光刻膠膜很薄很容易剝落，從而削弱了底切。
高曝光劑量
高曝光劑量時(shí)，曝光劑量在光刻膠深度方向上沒(méi)有變化，均勻曝透，從而在顯影后呈現(xiàn)出陡直側(cè)壁。
曝光劑量過(guò)高也會(huì)通過(guò)散射、衍射或反射曝光原本非曝光區(qū)域的光刻膠。因此，顯影后的光刻膠結(jié)構(gòu)較設(shè)計(jì)值要大得多。在極端情況下，精細(xì)結(jié)構(gòu)的顯影將變得越來(lái)越困難或不能實(shí)現(xiàn)。

圖1 不同曝光劑量下獲得的光刻膠輪廓形態(tài)
圖形反轉(zhuǎn)烘烤
光刻膠發(fā)生的變化
在圖形反轉(zhuǎn)烘烤步驟中，即對(duì)曝光后的光刻膠襯底進(jìn)行加熱烘烤。因此，曝光區(qū)域的光刻膠將失去他們的顯影能力，而未曝光的區(qū)域保持光活性。最佳的烘烤參數(shù)取決于光刻膠和所需的輪廓形態(tài)，通常是110 – 130℃，持續(xù)幾分鐘，詳細(xì)信息可以在相應(yīng)產(chǎn)品的技術(shù)數(shù)據(jù)表中找到。
烘烤參數(shù)的影響
較低的烘烤溫度(或/和較短的烘烤時(shí)間)主要改變了光刻膠表面充分曝光區(qū)域，因而形成明顯的漸變的底切結(jié)構(gòu)。烘烤溫度(-時(shí)間) 過(guò)低，則會(huì)導(dǎo)致即使是在光刻膠表面充分曝光區(qū)域的光刻膠也不能發(fā)生光活性的變化，因此光刻膠在顯影液中強(qiáng)烈腐蝕，從而使光刻膠膜變薄，降低尺寸精度，并可能出現(xiàn)底切現(xiàn)象。
較高的烘烤溫度 (-時(shí)間) 也會(huì)改變?nèi)跗毓?襯底附近)的光刻膠區(qū)域，這會(huì)導(dǎo)致在顯影后獲得的光刻膠輪廓不能顯現(xiàn)出底切現(xiàn)象。
過(guò)高的烘烤溫度(-時(shí)間)會(huì)導(dǎo)致光刻膠中上為你曝光的光引發(fā)劑發(fā)生熱分解（如下圖2所示），這意味著在曝光后，光刻膠只能以較慢的速率進(jìn)行顯影。
光刻膠膜中氣泡的形成
部分圖形反轉(zhuǎn)膠如AZ5214E圖形反轉(zhuǎn)膠的光引發(fā)法劑是基于DNQ的，這就導(dǎo)致在曝光的過(guò)程中會(huì)有氮?dú)獗会尫拧Ｈ绻尫诺牡獨(dú)庠谄毓夂鬀](méi)有足夠的時(shí)間擴(kuò)散出光刻膠膜，則可能會(huì)在光刻膠后烘過(guò)程中由于光刻膠的軟化而產(chǎn)生氣泡。這些氣泡只有在顯影夠的光刻膠斷面上看到類(lèi)隕石坑狀的氣泡。

圖2 圖形反轉(zhuǎn)膠后烘溫度和時(shí)間對(duì)光引發(fā)劑的破壞情況
因此，在反轉(zhuǎn)烘烤步驟之前，讓曝光過(guò)程中形成的氮排出是非常重要的。這里所需的時(shí)間取決于光刻膠的種類(lèi)和膠的厚度，一般來(lái)說(shuō)在幾分鐘內(nèi)(大約1到2um厚的光刻膠)到小時(shí)(>10um厚的光刻膠)的范圍內(nèi)。正是由于這個(gè)原因，導(dǎo)致厚膠應(yīng)用通常會(huì)考慮使用負(fù)膠來(lái)替代，因?yàn)橛行┴?fù)膠厚膠并不會(huì)在光刻過(guò)程中釋放氣體產(chǎn)生氣泡，也不需要花時(shí)間等待。
襯底和設(shè)備的影響
對(duì)于穩(wěn)定的反轉(zhuǎn)膠工藝，反轉(zhuǎn)烘烤溫度應(yīng)保持在±1 – 2℃并保持規(guī)定時(shí)間。當(dāng)在依靠熱對(duì)流的烘箱中烘烤時(shí)，這一條件是很難得到保證的，這就是為什么強(qiáng)烈建議后烘的過(guò)程需要用熱板完成。
當(dāng)使用熱板時(shí)，在襯底表面(光刻膠膜底層)獲得的溫度分布對(duì)襯底的性質(zhì)相關(guān)度很高。因此，當(dāng)使用大批量或?qū)嵝圆畹囊r底時(shí)或者襯底與熱板之間有間隙時(shí)，應(yīng)針對(duì)實(shí)際條件分別優(yōu)化圖形反轉(zhuǎn)烘烤的參數(shù)。
泛曝光
泛曝光的目的和建議的最小劑量
泛曝光過(guò)沉是在不使用掩膜的曝光過(guò)程，會(huì)對(duì)未暴露的光刻膠區(qū)域進(jìn)行曝光，從而可以在后續(xù)的顯影過(guò)程被溶解顯影。
為了使光刻膠輪廓延伸到襯底，(襯底附近)光刻膠區(qū)域也應(yīng)獲得足夠的曝光劑量。泛曝光的劑量過(guò)大并不會(huì)影響后續(xù)的工藝過(guò)程，因?yàn)榈谝淮纹毓獾膮^(qū)域的光刻膠猶豫反轉(zhuǎn)烘烤已經(jīng)不再感光。因此，我們建議泛曝光的劑量至少是在正膠工藝模式下曝光相同厚度的光刻膠膠膜所需要?jiǎng)┝康膬傻饺?。

圖3 光刻膠輪廓隨顯影時(shí)間的變化情況
特別是在厚膠的情況下(>3um膠厚)，在泛曝光時(shí)下面這些情況也要考慮同樣的事情，這也與后正膠的曝光相關(guān):
由于光刻膠在反轉(zhuǎn)烘烤步驟后是不含水份，而DNQ基光刻膠的曝光過(guò)程是需要水的，因此在泛曝光前光刻膠也需時(shí)間進(jìn)行再吸水過(guò)程。
由于泛曝光的曝光劑量較大，曝光過(guò)程中氮的釋放可能導(dǎo)致氣泡或裂紋的形成。
顯影
顯影速度
顯影速率主要取決于使用的光刻膠和反轉(zhuǎn)烘烤步驟的時(shí)間和溫度。
反轉(zhuǎn)烘烤的溫度越高、時(shí)間越長(zhǎng)，光引發(fā)劑的熱分解率就越高。
在常規(guī)顯影液中，顯影速率 >1um/min是比較常見(jiàn)的，但并不是每款膠都是這樣的。
底切結(jié)構(gòu)的形成
過(guò)顯的程度(光刻膠開(kāi)始顯影到顯影完成的時(shí)間)對(duì)底切結(jié)構(gòu)的形成有顯著地影響。如圖3所示，在充分顯影后，隨著顯影時(shí)間的延長(zhǎng)，底切的程度會(huì)表現(xiàn)的更明顯。
對(duì)于實(shí)際應(yīng)用中，建議30%的過(guò)顯是個(gè)比較合適的節(jié)點(diǎn)：在高深寬比的應(yīng)用中，必須注意，過(guò)度的底切結(jié)構(gòu)有可能會(huì)導(dǎo)致光刻膠漂膠。
足夠的光刻膠厚度
在使用方向性比較好的鍍膜方式中，鍍膜材料的厚度甚至可以大于光刻膠的厚度。因?yàn)椋舭l(fā)的材料在空隙區(qū)域上緩慢地生長(zhǎng)在一起，從而襯底上生長(zhǎng)的材料形成一個(gè)下面大上面小的梯形截面結(jié)構(gòu)(圖4所示)。

圖4 圖形反轉(zhuǎn)膠在不同鍍膜厚度下的結(jié)構(gòu)形態(tài)示意圖
然而，為了使剝離更加簡(jiǎn)單，剝離后結(jié)構(gòu)更加干凈，建議保持光刻膠的厚度遠(yuǎn)高于所需蒸發(fā)的材料厚度。這對(duì)沒(méi)有方向性的濺射鍍膜更加適用，因?yàn)樵跒R射鍍膜中光刻膠的側(cè)壁總會(huì)被濺射上鍍膜材料，從而導(dǎo)致剝離困難。
當(dāng)然，光刻膠厚度的上限往往是由所需的分辨率以及厚膠的工藝難度等因素共同決定的。
圖形反轉(zhuǎn)或者負(fù)膠？
與圖形反轉(zhuǎn)膠相比，負(fù)膠只能作為負(fù)膠來(lái)用。他不需要通過(guò)泛曝光的工藝，這會(huì)簡(jiǎn)化光刻工藝。負(fù)膠的強(qiáng)交聯(lián)性也使得負(fù)膠在結(jié)構(gòu)、熱以及化學(xué)穩(wěn)定性上比圖形反轉(zhuǎn)膠更加穩(wěn)定。圖形反轉(zhuǎn)膠在顯影液中是惰性的，而且在金屬化過(guò)程中是適度交聯(lián)的，這可以防止鍍膜的過(guò)程中光刻膠結(jié)構(gòu)邊緣變圓。由于交聯(lián)特性，負(fù)膠也更難以剝離，特別是當(dāng)前序工藝溫度超過(guò)130-140°C時(shí)。
常見(jiàn)圖形反轉(zhuǎn)膠
AZ 5124E
AZ5214E是一款高分辨率的圖形反轉(zhuǎn)薄膠，光刻膠厚度為1 – 2 μm。可通過(guò)稀釋獲得更薄的光刻膠層，但底切結(jié)構(gòu)的獲得會(huì)變得困難：因?yàn)楣鈺?huì)很容易穿透光刻膠層，光刻膠縱深方向的曝光劑量充分從而很難獲得底切結(jié)構(gòu)。
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審核編輯 黃宇