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光刻胶与掩模版——从化学组成到图形转移
光刻胶与掩模版——从化学组成到图形转移
文章来源：Jeff的芯片世界 本文介绍了光刻胶与掩模版。 光刻设备为成像提供了硬件基础，但最终在硅片上形成图形的，是光刻胶在曝光和显影过程中的化学响应。光刻胶的性能直接决定了分辨率和工艺窗口，而掩膜版则是图形的源头。 光刻胶的类型与化学组成 光刻胶可以分为正性光刻胶和负性光刻胶。正性光刻胶在给定一定量的曝光之后，在显影液里面的溶解率会显著升高。而负性光刻胶正好相反，在经过曝光之后，变得很难溶解于显影液。在硅片曝光机出现之前，负性光刻胶主导着半导体光刻工艺。但是，由于负性光刻胶通过光化学反应实现小分子的交联，降低在有机溶剂中的溶解度，不可避免地会在显影过程中吸收显影液并且造成膨胀，对于分辨率要求较高的工艺会造成困难。此外，负性光刻胶容易在空气中被氧化，导致了现代工业当中绝大多数光刻胶都是正性光刻胶。 
进入深紫外时代后，由于负性光刻胶在分辨率与灵敏度方面的矛盾，正性光刻胶得到了更广泛的应用。正性光刻胶的高灵敏度比较容易实现，因为它只需要在空间像定义的有光的地方大部分光刻胶被曝光，就可以将整块地方被显影液冲走；而负性光刻胶需要对在空间像定义的有光的地方最大限度地曝光，以形成可以抵御显影的坚固的区域。 光刻胶一般由以下几大组成成分构成：聚合物主链、光敏感成分、刻蚀阻挡基团、保护基团、溶剂等。i线光刻胶主要成分是酚醛树脂和感光化合物，即二氮萘醌的混合物。二氮萘醌的作用是阻止酚醛树脂溶解于碱性的显影液。二氮萘醌受到光照之后会变成一种羧酸，即可因代苯甲酸，这种羧酸的存在会加快酚醛树脂在碱性显影液中的溶解。二氮萘醌的光化学反应结构式清楚地展示了这一过程。 化学放大光刻胶的原理 进入深紫外时代，如248纳米、193纳米，由于感光化合物对此光波段的强烈吸收，使得入射光无法穿透光刻胶，这将严重影响分辨率。由于需要更高的分辨率和灵敏度，化学放大光刻胶概念被伊藤和威尔逊于20世纪80年代初引入，其目的是为了改善光刻胶的分辨率和灵敏度。这是由于传统的i线光刻胶通过吸收光的能量来直接进行溶解率变化反应，这样，当光线从光刻胶顶部向光刻胶底部传播时，会逐渐被吸收。这导致在光刻胶底部的光强不足，会形成梯形的形貌。这种形貌会限制分辨率的进一步提升。而化学放大的光刻胶使用完全不同的原理。它通过使用一种叫做光酸产生剂的有机化合物，在深紫外光的照射下，会产生酸分子，而此光酸分子会在一定的温度下（绝大多数化学放大的光刻胶需要加热，由曝光后烘焙来实现）催化光刻胶被曝光部分的去保护反应。 
化学放大的光刻胶通常含有以下成分：聚合物主链、光酸产生剂、刻蚀阻挡基团、酸根、保护基团、溶剂等。由于光刻胶曝光显影依赖光酸的催化反应，如果工厂里面的空气中含有碱性成分，如氨气、氨水、胺类有机化合物，对光刻胶顶部的渗透中和了一部分光酸，导致顶部局部线宽变大，严重时会导致线条粘连。 光刻胶的关键参数 描述光刻胶的参数主要有迪尔参数A、B、C，显影溶解率对比度参数，光酸扩散系数D或者扩散长度。迪尔的第一系数和第二系数分别叫做也叫迪尔的第一系数和第二系数。其中，A表示可漂白的吸收系数，B表示可被漂白的物质的含量，通常指光敏感化合物。当曝光完成后，光刻胶的吸收就仅仅是B了，所以B又叫作固定的吸收系数。 对于正性光刻胶，一般我们会得到显影溶解率随光照光强的变化图。显影溶解率对比度参数可以写为 
其中R为显影速率，E为曝光能量。其中E0为完全显影对应的能量，也就是把一定厚度的光刻胶，对一个给定的烘焙和显影程序完全溶解和清洗干净所需要的曝光能量。通常这个能量比曝光能量要低一些。在光刻工艺仿真上，由于当今的深紫外化学增幅的光刻胶的对比度都很高，我们可以近似将图中的曲线近似为阶跃函数，也就是光刻仿真中的阈值模型。当然，我们还需要对空间像做高阶扩散，或者卷积，进行进一步描述。 掩模版的制作 掩模版的制作使用电子束和激光曝光的方式。由于现代光刻机一般使用4:1的缩小倍率，掩模版的尺寸是硅片尺寸的4倍。但是由于日益增加的光刻工艺的掩模版误差因子以及对于亚衍射散射条的需求，掩模版的制造也愈发具有挑战性。比如，对于32纳米工艺，对掩模版线宽的要求已经达到了2纳米（3倍标准偏差）以内。对于线宽，由于使用了亚衍射散射条，其最小线宽已经达到了70至80纳米。 无论是电子束曝光也好，激光曝光也好，由于曝光方式是扫描式的，无论掩模版上的图形如何复杂，或者线宽如何多样化，电子束、激光束走过的路径和所经过的格点都是一样的。只是在不同的格点处使用的扫描曝光次数不一样。而且，为了提高扫描式曝光方法的速度，通过使用较大光斑的电子束加不同的曝光次数来实现空间像边缘位置的移动。比如，光斑的直径是实际掩模版格点的4倍，一次扫描可以提高16倍速度；为了表达在实际格点处的边缘，只要将边缘的亮点位置逐次减少曝光次数，以达到匹配边缘的目的。 
掩模版数据有以下集中格式：具有等级分别的GDSII，最早由美国通用电气的Calma部门开发，现在法律归属权由Cadence设计系统公司所有。在掩模版扫描曝光机上，GDSII的使用不方便，机器希望连续和“平坦”的数据流。GDSII具有等级分别，重复的数据在存储上只有一个非重复的单元，虽然节省空间，但是对于掩模版光刻机来讲需要增加几何和逻辑计算时间。所以，等级分别必须去掉。不仅如此，设计图样当中的任意大小多边形也必须分解为一些原始的图形，如长方形和三角形。最终，将平坦化的掩模版数据再分解为光刻头的分区的数据流，叫做分解。电子束曝光的优点是分辨率较高，当前先进的光刻机使用的电压为50千伏。但是，由于高能电子在掩模版上的散射，会再次将掩模版表面的光刻胶曝光。造成所谓的邻近效应。在有邻近效应的掩模版光刻工艺当中，会出现图形分布不均匀的现象。解决邻近效应的方法有很多，如使用补偿曝光方式，在有邻近效应的地方对曝光进行补偿。 电子束曝光的优点是分辨率较高，当前先进的光刻机使用的电压为50千伏。但是，由于高能电子在掩模版上的散射，会再次将掩模版表面的光刻胶曝光，造成所谓的邻近效应。在有邻近效应的掩膜版光刻工艺当中，会出现图形分布不均匀的现象。解决邻近效应的方法有很多，如使用补偿曝光方式，在有邻近效应的地方对曝光进行补偿。 电子束曝光速度受电子束电流的限制，以及电子束曝光会有电子散射的问题。对分辨率要求不是那么高的层次，可以使用激光曝光的方法。例如，应用材料公司的ALTA3500最小可制造的线宽为500纳米（在硅片上为125纳米）。曝光使用的波长一般可以从绿光（514纳米）到紫外（250至300纳米）。激光曝光机的速度通常比电子束曝光机快接近一个数量级。一片掩模版通常也就1至2小时，而电子束机器需要8至12小时以上。 光刻胶的化学响应决定了图形能否精确转移，而掩模版的制作精度则决定了图形的源头质量。从光刻胶的组成设计到掩膜版的电子束曝光，每一步都对最终的光刻结果产生影响。
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原文作者：Jeff的芯片世界
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编辑：小帅
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