淺析負性顯影技術

摘 要：負性顯影作為近年來出現(xiàn)的顯影技術，應用于半導體器件制造的光刻工藝中，通過使用特殊的溶劑使得圖像反轉，能夠形成高分辨率的圖案，在納米級器件的制造方面具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：負性顯影，光刻，分辨率

中圖分類號：N04；TN305；TN4 文獻標識碼：A 文章編號：1673-8578（2014）S1-0183-03

On Negative Tone Development

WANG Yan

Abstract：As a technology of developing which appeared in recent years， negative tone development is applied in lithography for fabricating the semiconductor device. It makes the pattern reversal by using special solvents， forms highresolution pattern， and has a wide future in application in the fabrication of nanoscale devices.

Keywords：negative tone development， lithography， resolution

收稿日期：2014-06-14

作者簡介：王妍（1986—），女，碩士，國家知識產權局專利局專利審查協(xié)作北京中心光電技術發(fā)明審查部審查員，審查領域為光化學領域。通信方式：wangyan_8@sipo.gov.cn。

引 言

光刻（lithography）技術是電子器件中電路結構制造的基本工藝，其通過在合適的襯底（例如硅片）上形成光刻膠（resist，也稱為抗蝕劑、光阻等）薄膜，使用紫外線、X射線、電子束等輻射透過具有設計圖形的掩膜對光刻膠薄膜進行曝光、顯影以選擇性地除去部分薄膜而暴露下層的襯底，該部分襯底在后續(xù)的蝕刻過程中被蝕刻，剩余的光刻膠薄膜則作為阻擋層，在蝕刻過程中保護被其覆蓋的襯底，由此在襯底上形成所需的電路圖形。

在顯影工藝中，光刻膠由于暴露于輻射發(fā)生反應而在曝光區(qū)域和非曝光區(qū)域之間產生了溶解性上的差異，針對不同的光刻膠類型，通過選用不同的顯影液，可以達到選擇性地去除光刻膠薄膜從而進行圖案化的目的。

一 負性顯影技術的出現(xiàn)

目前，在半導體制造工業(yè)中通常使用的光刻膠分為正型和負型兩種。曝光后，正型光刻膠的曝光區(qū)域溶解于顯影液中，非曝光區(qū)域保留，得到的圖像成為正性圖像；而負型光刻膠的特性與正型光刻膠相反，其曝光區(qū)域由于發(fā)生交聯(lián)變得不溶于顯影液被保留，非曝光區(qū)域則被顯影液除去，得到的圖像成為負性圖像。

隨著電子技術的發(fā)展，電子元件的尺寸越來越小，提高元件的集成密度，形成具有納米級特征尺寸的結構已逐漸成為半導體器件制造的主流趨勢。傳統(tǒng)的光刻膠組成成分和曝光顯影工藝越來越無法滿足高感光性和分辨率的要求，因此，迫切需要開發(fā)具有高分辨率的光刻膠和光刻工藝。在光刻膠組成成分方面，已經研發(fā)出通過向光刻膠組合物中添加光產酸劑（photo acid generator， PAG），使其在光照時產生酸，在酸的作用下，組合物中所含的堿不溶性基團轉變?yōu)閴A可溶性基團，增強光刻膠薄膜曝光區(qū)域在堿性顯影液中的溶解性，以增大曝光區(qū)域與非曝光區(qū)域在堿性顯影液中的溶解性差異來提高分辨率的化學放大正型光刻膠等[1]；在曝光工藝方面，已經研發(fā)出使用浸液曝光的方式，通過在成像設備與半導體襯底上的光刻膠層之間使用流體來提高分辨率的方法[2]。

近年來，在顯影工藝方面，為了提高顯影的分辨率，出現(xiàn)了針對正型光刻膠的負性顯影（也可稱為負色調顯影，negative tone development， NTD）技術，一些電子及材料領域的知名公司例如羅門哈斯、陶氏、富士、IBM等均已開始致力于該項技術的研究并申請了該技術的相關專利[3-6]。

二 負性顯影原理及與傳統(tǒng)顯影技術對比

負性顯影技術是一種圖像反轉的顯影技術，它與傳統(tǒng)的顯影技術相反，通過使用特殊的有機溶劑顯影可以借由傳統(tǒng)的正型光刻膠來得到負性的圖像。該技術中所使用的光刻膠組合物含有樹脂和光產酸劑，其中，樹脂結構具有酸不穩(wěn)定或者酸可裂解的有機基團，在曝光后的烘焙中，曝光區(qū)域在光產酸劑受到光照所產生的酸的作用下，樹脂中的酸不穩(wěn)定基團或酸可裂解基團斷裂，由疏水性轉變?yōu)橛H水性，從而使得其在有機溶劑中的溶解度降低，而未曝光部分仍保持在有機溶劑中溶解度高的性質，因而在顯影過程中能夠被有機溶劑制成的顯影液除去。因此，與傳統(tǒng)正型光刻膠顯影過程中曝光部分被溶解相反，該技術使得正型光刻膠在顯影時非曝光部分被溶解，曝光部分得到保留。

傳統(tǒng)的正型光刻膠顯影所使用的顯影液為堿性水溶液，常用的堿性物質有氫氧化鈉、氫氧化鉀、碳酸鈉等堿金屬的無機堿，以及四甲基氫氧化銨（俗稱TMAH）、四乙基氫氧化銨等銨類有機堿。與傳統(tǒng)的正型光刻膠顯影所使用的顯影液不同，負性顯影技術所使用的顯影液由有機溶劑制成，常用的溶劑主要有酮類、醚類、酯類、醇類、烴類或酰胺類溶劑。

在酮類溶劑中，可以使用的有2-庚酮、4-庚酮、2-己酮、5-甲基-2-己酮、2-辛酮、2-壬酮、丙酮、環(huán)己酮、甲基環(huán)己酮、苯乙酮、乙?；⒓谆一?、甲基異丁酮等。

在醚類溶劑中，可以使用的有乙二醇單甲醚、乙二醇單乙醚、二乙二醇單甲醚、三乙二醇單甲醚、三乙二醇單乙醚、二口惡烷、四氫呋喃等。

在酯類溶劑中，可以使用的有甲酸甲酯、甲酸乙酯、甲酸丙酯、甲酸丁酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸異丙酯、乙酸丁酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯、丙二醇單甲醚乙酸酯、乙二醇單乙醚乙酸酯、二乙二醇單乙醚乙酸酯、乳酸乙酯、乳酸丙酯、乳酸丁酯等。

在醇類溶劑中，可以使用的有甲醇、乙醇、丙醇、異丙醇、丁醇、異丁醇、正己醇、正庚醇、4-甲基-2-戊醇、乙二醇、二乙二醇、三乙二醇等。

在烴類溶劑中，可以使用的有戊烷、己烷、辛烷、甲苯、二甲苯等。

在酰胺類溶劑中，可以使用的有N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮等[4-6]。

上面所列舉的有機溶劑可以選擇單獨使用或從中選擇兩種或兩種以上混合來進行顯影。此外，為了提高光刻膠的顯影效果，也可以向顯影液中加入少量的表面活性劑。

目前，負性顯影技術可應用于干法或浸液光刻工藝中，相對于傳統(tǒng)的顯影技術來說，能夠形成高分辨率的精細圖案，顯影過程可以在室溫下進行，不需要復雜的工藝條件，并且，由于使用有機溶劑進行顯影，有機溶劑對基板表面的有機物有良好的溶解性，使得顯影后基板表面潔凈度高，有機殘留物少。

三 結 語

目前，由于光刻膠的材料選擇等因素，負性顯影技術在使用中還存在諸如顯影后光刻膠厚度損耗較大、某些光刻膠可能出現(xiàn)圖形橋接缺陷等缺點。通過優(yōu)化顯影條件、改進光刻膠組分等，負性顯影技術將能夠更廣泛地應用于半導體器件的制造過程中，在納米級尺寸元件的制作方面具有更加廣闊的發(fā)展前景，促進電子器件的小型化、集成化。

參考文獻

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