瑞紅RZJ-304光刻膠光刻工藝研究

龐夢瑤，程新利*，秦長發(fā)，沈嬌艷，唐運(yùn)海，王冰

（1.蘇州科技學(xué)院數(shù)理學(xué)院，江蘇蘇州215009；2.昆山雙橋傳感器測控技術(shù)有限公司，江蘇昆山215321）

瑞紅RZJ-304光刻膠光刻工藝研究

龐夢瑤1，程新利1*，秦長發(fā)1，沈嬌艷1，唐運(yùn)海1，王冰2

（1.蘇州科技學(xué)院數(shù)理學(xué)院，江蘇蘇州215009；2.昆山雙橋傳感器測控技術(shù)有限公司，江蘇昆山215321）

利用光刻技術(shù)對瑞紅RZJ-304正性光刻膠進(jìn)行光刻工藝研究，用透射式光柵作為掩模版，通過改變光刻步驟中的前烘時間、曝光時間、顯影時間等來研究光刻效果。實驗結(jié)果表明，掩模版圖形被成功地轉(zhuǎn)移到了硅片基底上，顯影后光刻膠厚度均勻，光刻膠線條呈周期性排列，得到了與掩模版尺寸一致的圖形。這說明得到了適合RZJ-304光刻膠的光刻工藝。

RZJ-304光刻膠；光刻技術(shù)；光柵掩模版

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展促使集成電路的性能不斷提高，這與光刻技術(shù)的發(fā)展是分不開的。光刻是指在集成電路制造中利用光化學(xué)反應(yīng)原理和化學(xué)、物理刻蝕方法，將電路圖形傳遞到單晶表面或介質(zhì)層上，形成有效圖形窗口或功能圖形的工藝技術(shù)。在微電子行業(yè)中器件等比例縮小定律和摩爾定律都與光刻技術(shù)密切相關(guān)，光刻技術(shù)已經(jīng)成為集成電路制造的關(guān)鍵技術(shù)[1-4]。光刻技術(shù)的不斷發(fā)展為集成電路技術(shù)的進(jìn)步提供了三方面的保證[5]：其一是大面積均勻曝光，在同一塊硅片上能同時做出大量器件和芯片，保證了批量化的生產(chǎn)水平；其二是圖形線寬不斷縮小，使集成度不斷提高，生產(chǎn)成本持續(xù)下降；其三，由于線寬的縮小，器件的運(yùn)行速度越來越快，從而使集成電路的性能不斷提高。光刻技術(shù)在現(xiàn)代傳感器技術(shù)中也得到了廣泛的應(yīng)用，利用光刻技術(shù)制作的薄膜傳感器可以克服傳統(tǒng)應(yīng)變式傳感器的缺點，如傳統(tǒng)的金屬應(yīng)變片式傳感器無法應(yīng)用于運(yùn)載火箭燃料室的壓力測量、發(fā)動機(jī)燃燒室壓力監(jiān)測、供油壓力、導(dǎo)彈飛行平衡控制以及石油工業(yè)的井下壓力測量等[6-8]。而采用濺射薄膜技術(shù)和光刻技術(shù)相結(jié)合的金屬薄膜電阻應(yīng)變壓力傳感器恰恰可以滿足這些條件。利用光刻工藝可以把濺射技術(shù)制備的薄膜制作成所需的電阻條，薄膜與襯底直接相連，消除了應(yīng)變片式傳感器中粘合劑的影響，改善了傳感器的性能。

在光刻工藝中，光刻膠是影響光刻效果的重要因素。光刻膠分為兩大類：（1）正性光刻膠，受光照部分發(fā)生降解反應(yīng)而能為顯影液所溶解，留下的非曝光部分圖形與掩模版一致。正性光刻膠具有分辨率高、對駐波效應(yīng)不敏感、曝光容限大、針孔密度低和無毒性等優(yōu)點，適合于高集成度器件的生產(chǎn);（2）負(fù)性光刻膠，受光照部分產(chǎn)生交鏈反應(yīng)而成為不溶物，非曝光部分被顯影液溶解，獲得的圖形與掩模版圖形互補(bǔ)。負(fù)性光刻膠的附著力強(qiáng)、靈敏度高、顯影條件要求不嚴(yán)，適于低集成度的器件的生產(chǎn)。不同廠家生產(chǎn)的光刻膠也有性能的差異，筆者對蘇州瑞紅電子化學(xué)品有限公司生產(chǎn)的RZJ-304光刻膠進(jìn)行光刻工藝研究，為傳感器薄膜圖形化探索合適的光刻工藝參數(shù)。光刻技術(shù)一般包括基片清洗烘干、旋轉(zhuǎn)涂膠、前烘、對準(zhǔn)并曝光、顯影、后烘堅膜、腐蝕和去膠等8個步驟[9-10]。筆者選擇前烘、曝光、顯影三個重要步驟進(jìn)行研究，以獲取適合光刻膠的最佳工藝參數(shù)。

1 實驗

使用中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所的URE-2000/25型紫外光刻機(jī)曝光，曝光波長為365 nm紫外線；利用中國科學(xué)院微電子研究所KW-4A型臺式勻膠機(jī)勻膠；烘烤使用上海新高醫(yī)療器械制造有限公司制造的DHG-9143BS-Ⅲ干燥箱；使用的光刻膠為蘇州瑞紅電子化學(xué)品有限公司生產(chǎn)的RZJ-304正性光刻膠，粘度為10 MPa·s，顯影液為該公司生產(chǎn)的RZX-3038正膠顯影液；光刻后圖形利用CMM-40E型金相顯微鏡進(jìn)行觀察，利用Dektak XT型臺階儀測量光刻膠和掩模版厚度。所用樣品基片為2英寸單面拋光的P型單晶硅片。在實驗過程中，根據(jù)光刻膠的性質(zhì)，按照光刻工藝步驟進(jìn)行整個流程，初步獲得合適的工藝參數(shù)，然后進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化實驗，以獲得最佳工藝參數(shù)。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 前烘時間對光刻質(zhì)量的影響

前烘的目的是除去光刻膠中的有機(jī)溶劑，增強(qiáng)黏附性，釋放光刻膠膜內(nèi)的應(yīng)力，防止光刻膠玷污設(shè)備等。如果前烘過度將會減小光刻膠中感光成分的活性，前烘不足會導(dǎo)致光刻膠中的溶劑不能完全蒸發(fā)掉，這將阻礙光對光刻膠的作用并且影響到其在顯影液中的溶解度。只有干燥的光刻膠才能充分進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)并保持相應(yīng)完整性，在顯影時不易脫落。

前烘時間不同，顯影漂洗后光刻膠的表面完整度就可能不同，因此，通過觀察不同前烘時間的基片在顯影后的完整情況來判斷前烘時間是否合適，通過實驗數(shù)據(jù)分析得到合適的前烘時間。實驗中所用掩模版光柵如圖1所示，光柵常數(shù)為50 μm，透光部分寬度為30 μm，遮光部分寬度為20 μm。

硅片清洗干燥后，用滴管滴入適量的光刻膠后進(jìn)行勻膠。勻膠時首先低速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為450 r·min-1，時間為9 s，然后高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為4 000 r·min-1，時間為30 s，烘烤溫度100℃，滴膠量約為0.6 mL，曝光時間為3.2 s，顯影時間為60 s。在100℃時前烘時間為3-5 min。用4組樣品A、B、C、D做了相關(guān)實驗，前烘時間分別為3、3.5、4和4.5 min，經(jīng)過后期顯影后得到的結(jié)果如圖2所示。

圖1 掩模版照片

圖2 不同前烘時間對光刻膠圖形的影響

從圖2中可以看出，在經(jīng)過光刻流程后，都得到了與原來光柵類似的圖形，圖片中用箭頭標(biāo)記出的部分為沒有經(jīng)過曝光的光刻膠，經(jīng)過顯影后保留下來的，對應(yīng)于光柵中不透光部分。從圖2中還可以看出在不同前烘時間中，得到的圖形是有明顯差異的，圖2（A）顯示光刻膠在顯影后部分被溶解掉，造成光刻膠線條不連續(xù)，說明光刻膠與基底結(jié)合不牢固，這是由于前烘不足造成的，有機(jī)溶劑沒有完全揮發(fā)掉，光刻膠粘連程度不夠；圖2（B）顯示隨著烘烤時間增加，光刻膠圖形完整度有所提高，但是仍有少量光刻膠在顯影漂洗后缺失；圖2（C）和2（D）顯示樣品中光刻膠圖形保持完整，并且線條均勻，說明經(jīng)過充分前烘過程后，光刻膠已經(jīng)滿足實驗過程的需要。由此可見，光刻膠前烘時間從4 min至4.5 min都能得到較好的實驗結(jié)果。

2.2 顯影時間對光刻質(zhì)量的影響

在顯影過程中，要準(zhǔn)確控制顯影時間，防止顯影液可能會與基片上要刻蝕的薄膜進(jìn)行反應(yīng)。實驗?zāi)繕?biāo)是保證光刻膠完全顯影，不要在樣品表面曝光處殘留光刻膠，同時又不能顯影過度，防止要保留的光刻膠被腐蝕。實驗中只改變顯影時間一個變量，樣品A、B、C、D、E、F的顯影時間分別為40、45、50、55、60、70 s，其他工藝參數(shù)如下：勻膠時低速轉(zhuǎn)速為450 r·min-1，時間為9 s，高速轉(zhuǎn)速為4 000 r·min-1，時間為30 s，前烘溫度100℃，時間4.5 min，曝光時間3.1 s。不同時間顯影后的實驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 顯影時間對光刻質(zhì)量的影響

從圖3可以看出，經(jīng)過不同時間顯影后，得到的光刻膠圖形有明顯的差異。圖3（A）沒能顯示出圖形，這是由于顯影不夠，即曝光的光刻膠沒有充分反應(yīng)，仍然大面積殘留在硅片表面，導(dǎo)致不能顯示出掩模版的圖形；圖3（B）雖能看到圖形，但仍不很清晰，這也是由于顯影時間不足造成的，仍有未去除的多余光刻膠；圖3（C）和圖3（D）顯示得到的圖形條紋較為清晰，在本組實驗中顯影效果較好，說明這兩樣品的顯影時間是合適的，仔細(xì)分析可以發(fā)現(xiàn)光刻膠圖形尺寸與掩模版對應(yīng)尺寸稍有差別，這是由于光刻過程中多個步驟還不是完全匹配造成的，可以通過改進(jìn)其他工藝參數(shù)改善圖形質(zhì)量；圖3（E）也顯示了光柵圖樣，清晰度有所下降，說明顯影時間稍長而造成了顯影過度，靠近表面的光刻膠被顯影液過度溶解，造成圖形不清晰；圖3（F）顯示照片不清晰，這也是由于顯影過度造成的，導(dǎo)致膠被溶掉過多。由以上分析可知光刻的最佳顯影時間為50-55 s。

2.3 曝光時間對光刻質(zhì)量的影響

曝光過度與曝光不足都會使得到的圖形無法與預(yù)期目標(biāo)圖形相同，因此，選擇合適的曝光時間在光刻過程中尤為重要。選擇A、B、C、D、E、F 6個樣品用不同曝光時間進(jìn)行實驗，時間分別為2.5、3.0、3.1、3.2、3.3、3.8 s。其他實驗參數(shù)如下：勻膠時低速轉(zhuǎn)速為450 r·min-1，時間為9 s，高速轉(zhuǎn)速為4 000 r·min-1，時間為30 s，前烘溫度100℃，時間4.5 min，顯影時間為50 s，顯影后的表面如圖4所示。

圖4 曝光時間對光刻膠圖形的影響

從圖4可見，經(jīng)過不同的曝光時間后，得到的光刻膠圖形具有明顯差異。圖4（A）顯示，經(jīng)過2.5 s曝光再顯影后，得到光刻膠圖像不是很清楚，說明曝光時間不夠，透光部分沒能充分發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，在顯影的時候，被溶掉的光刻膠較少，不能顯示出清楚的圖形。圖4（B）顯示經(jīng)過曝光3.0 s后樣品，光刻膠圖形與樣品A類似，圖形也不是很明顯。圖4（C）是曝光3.1 s后的樣品照片，可以看出，隨著曝光時間增加，所得的曝光部分與未曝光部分的顏色相差變大，得到較為明顯的光刻膠圖案，條紋變得清晰，說明曝光時間較佳，光刻膠較為充分的進(jìn)行了光化學(xué)反應(yīng)，因此，光刻質(zhì)量變好。圖4（D）和4（E）分別是曝光3.2 s和3.3 s后的樣品照片，從圖中可以看出光刻膠條紋非常清晰，說明經(jīng)過3.2 s和3.3 s時間曝光后，光刻膠能夠充分發(fā)生反應(yīng)，在顯影后保留了完整的圖形。對比圖4（D）和4（E），可以看出圖E中保留的光刻膠寬度與原來掩模版遮光部分尺寸更為接近，說明樣品E的光刻效果更好。圖4（F）是曝光時間3.8 s后的樣品照片，此圖說明樣品曝光過度，使被掩模版遮住的部分也曝光了，這是由于掩模版和光刻膠接觸位置有微小的空隙，進(jìn)行曝光的紫外線經(jīng)過較長時間的衍射，使遮光部分的光刻膠也部分發(fā)生了光化學(xué)反應(yīng)，因此，在顯影過程中也被溶解了。從以上6個樣品的分析可以看出，如果曝光時間不足，光刻膠中感光活性成分未能進(jìn)行或充分進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)，則刻出的圖形會不清晰或不存在圖形。但是如果曝光過度，會使不該曝光的光刻膠也發(fā)生了曝光，也得不到好的實驗結(jié)果。實驗中較好結(jié)果是在3.1 s、3.2 s、和3.3 s得到的，三個時間參數(shù)相差很小，但是曝光效果明顯不同，說明對光刻膠發(fā)生反應(yīng)的時間點應(yīng)該很好的控制。實驗結(jié)果認(rèn)為光刻的最佳曝光時間為3.3 s。

2.4 光刻后光刻膠圖形縱深比分析

利用臺階儀對光刻后樣品表面光刻膠圖形進(jìn)行測量分析，實驗中同時測量了掩模版圖像透光和遮光部分，結(jié)果如圖5所示。

圖5清楚顯示了掩模版和光刻工藝后光刻膠在樣品表面分布情況。從圖5（A）可以看出掩模版中透光部分和遮光部分寬度分別為30 μm和20 μm，呈現(xiàn)周期性排列，遮光部分厚度約為220 nm，邊緣陡峭。圖5（B）是光刻工藝后光刻膠的分布曲線，可以看出掩模版上透光部分和遮光部分圖形已經(jīng)轉(zhuǎn)移到硅片基底上了，光刻膠對應(yīng)圖形呈現(xiàn)周期性排列，光刻膠寬度與掩模版上對應(yīng)部分尺寸接近，光刻膠厚度約為130 nm，光刻膠邊緣不如掩模版的陡峭，這是由于化學(xué)濕法顯影造成的?？傊?，通過上述實驗得到了較好的光刻效果，成功的把掩模版圖形轉(zhuǎn)移到硅片襯底上了，說明選擇的光刻工藝參數(shù)是合適的。

圖5 掩模版和光刻膠表面圖形測量曲線

3 結(jié)語

選擇了瑞紅RZJ-304正性光刻膠進(jìn)行光刻工藝實驗，得到了較好光刻效果的工藝參數(shù)：勻膠時低速旋轉(zhuǎn)速度為450 r·min-1，時間為9 s，高速旋轉(zhuǎn)速度為4 000 r·min-1，時間為30 s；前烘溫度為100℃，烘烤時間為4-4.5 min；曝光時間為3.1-3.3 s；顯影時間為50-55 s。在此工藝參數(shù)下得到的光刻膠圖案呈現(xiàn)周期性排列，尺寸與掩模版對應(yīng)部分相同，成功地實現(xiàn)了掩模版光柵圖形的轉(zhuǎn)移，為后續(xù)薄膜刻蝕奠定了基礎(chǔ)。

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A study on lithography process for the Ruihong RZJ-304 photoresist

PANG Mengyao1，CHENG Xinli1，QIN Changfa1，SHEN Jiaoyan1，TANG Yunhai1，WANG Bing2
（1.School of Mathematics and Physics，SUST，Suzhou 215009，China；2.Kunshan Shuangqiao Sensor Measurement Controlling Co.，Ltd，Kunshan 215321，China）

Lithography is a very important step in fabrication of semiconductor devices.In this paper，lithography process was studied to obtain the suitable parameters by using Ruihong RZJ-304 positive photoresist.This project was done by controlling exposure time，developing time，soft-baking time and so on.The optical grating was used as a mask.The result shows that mask shape was transferred to surface of silicon successfully.The photoresist lines were periodic array and almost the same as the optical grating mask.The thickness of the photoresist lines was uniform.The proper lithography process for RZJ-304 photoresist was achieved successfully.

RZJ-304 photoresist；lithography；optical grating mask

TN305.7；O484.8

A

1672－0687（2015）03－0020－05

責(zé)任編輯：李文杰

2013－12－16

江蘇省產(chǎn)學(xué)研前瞻性聯(lián)合研究項目（BY2011133；BY2014061）；住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)項目（2014-K8-051）；蘇州市科技發(fā)展計劃（納米專項）項目（ZXG2013041）；江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生實踐創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目

龐夢瑤（1990－），女，山西陽泉人。

*通信聯(lián)系人：程新利（1976－），男，副教授，博士，E-mail：xlcheng@mail.usts.edu.cn。