图形反转工艺用于金属层剥离的研究

技术专栏　

Technology Column 　　

doi :10. 3969/j . issn . 1003-353x . 2009. 06. 004

图形反转工艺用于金属层剥离的研究

陈德鹅, 吴志明, 李伟, 王军, 袁凯, 蒋亚东

(电子科技大学光电信息学院电子薄膜与集成器件国家重点实验室, 成都610054)

摘要:研究了AZ -5214胶的正、负转型和形成适用于剥离技术的倒台面图形的工艺技术。用

扫描电镜和台阶仪测试制作出的光刻胶断面呈倒台面, 倾角约为60°, 胶厚1. 4μm 。得到了优化的制作倒台面结构的光刻胶图形的工艺参数:匀胶转速4000r /min , 前烘温度100℃,时间60s , 曝光时间0. 3s , 反转烘温度110℃,时间90s , 泛曝光时间2s , 显影时间50s 。用金相显微镜测试了在优化工艺参数条件下制作的光刻胶图形的分辨率, 同时对图形反转机理进行了讨论。

关键词:光刻; AZ -5214; 剥离工艺; 图形反转; 断面模拟中图分类号:TN305　　文献标识码:A 　　文章编号:1003-353X (2009) 06-0535-04

Image Reverse Technique for Research of Metal Lift -Off

Chen De ' e , Wu Zhiming , Li Wei , Wang Jun , Yuan Kai , Jiang Yadong

(State Key Labo ratory o f Electronic Thin Films and Integ rated Devices , Scho ol of Optoelectronic Info rmation , Univers ity o f Electronic Science and Technolo gy of China , Chengdu 610054, China )

A bstract :Transfor mation of AZ -5214photoresist from positive to negative patterns and the technology of pr oducing reversed -trapezoid shape were studied , which was suitable for exfoliation corrosion technique in manufacturing microelectronics devices . SE M and step profiler tests sho w the reversed -trapezoid shape of photoresist patterns is with 60°obliquity and photoresist thickness is 1. 4μm . Optimum parameters about pr eparation of reversed -trapezoid patterns are :coating r otation speed is 4000r /min , pre -bake is 100℃/60s , exposure time is 0. 3s , reversal bake is 110℃/90s , flood exposure time is 2s , developing time is 50s . Metallosc ope was used to test the resolution of produced photoresist patterns in optimum parameters , also mechanisms of image reverse was discussed .

Key words :optical lithography ; AZ -5214; lift -off technology ; image r everse ; section analog EEAC C :2550C

决

[2]

0　引言

在微电子机械系统(MEMS ) 和集成电路的生

产中, 剥离工艺技术一般用于高密度的多层布线中, 因为采用剥离法形成的金属引线台阶有一定倾斜度, 利于实现层间介质平坦化和提高电路密度。另外有些材料如Au 、Ta 及硅化物等不易用光刻腐

[1]

蚀的方法制备微细图形, 以及多层金属用不同的腐蚀液交替使用时造成边缘不齐, 各层宽度不一以及残留物的处理等问题, 也可采用正胶剥离工艺解

基金项目:教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目(NCET -04-0896) May 　2009

。

剥离工艺技术分为单层光刻胶剥离技术和多层

光刻胶剥离技术, 而多层光刻胶剥离技术必须采用多种光源的光刻胶, 使用常规工艺和设备很难实现。单层光刻胶剥离工艺是指在基片表面涂上一层光刻胶, 经过前烘、曝光、显影形成掩模图形, 要求在不需要金属膜的区域覆有光刻胶, 用镀膜的方法在其表面覆盖一层金属, 这样金属膜只在需要的区域与衬底相接触, 最后浸泡于剥离液中(剥离液不与金属层发生反应) , 随着光刻胶的溶解, 其上的金属也随其一起脱落, 从而留下所需的金属图形

[1, 3]

。剥离工艺的示意图如图1所示。

[4]

一些文献报道的图像反转法、氯苯浸泡法、

Semicondu cto r Technology V ol . 34No . 6　535　

陈德鹅　等:图形反转工艺用于金属层剥离的研究

光的区域不溶, 形成的图形与掩模版上图形相同。负性光刻胶性质相反, 得到的图形与掩模版上图形相反。图形反转工艺是指用正性光刻胶来实现用负性光刻胶得到的图形。

AZ -5214胶一般由光活性物质、成膜剂和溶剂组成。该胶经掩模曝光后, 曝光区胶膜中的重氮萘醌在紫外光的作用下, 分解放出氮, 同时发生分子重排, 形成五元环烯酮, 再经水解形成茆羧酸衍生物, 能溶于碱性水溶液。但非曝光区则没有发生这

图1　剥离工艺示意图

Fig . 1　Schematic diagram of the lift -off technology

一系列的反应, 故难溶于溶液, 而保留下来形成光刻胶图形, 整个反应过程如图2所示

。

负性光刻胶法及多层掩模剥离法[5]也能实现金属层的剥离, 但由于氯苯是有毒的有机化合物, 负性光刻胶存在分辨率不高和溶胀问题, 多层掩模剥离法因为工艺和设备问题限制了它们的应用。因此可以利用AZ -5214胶的图像反转性质, 通过改变反转烘温度得到适合于金属层剥离的倒台面光刻胶图形。

1　实验

衬底为6英寸(152. 4mm ) 的单晶硅衬底, 光刻胶为AZ -5214胶, 显影液为RZX -3038, 匀胶、显影在D NA700涂胶显影轨道系统中进行, 光刻机为NSR2005i9C 。首先对已清洗干净的单晶硅衬底基板200℃脱水烘烤20min , 然后HMDS 处理, 再接着是涂胶, 涂胶采用的是静态滴胶的方法。在涂胶过程之前, 热板之后通常采用冷板来保证涂胶时温度的可重复性并避免接收片盒对圆片的玷污。而后用热板进行前烘, 烘烤后用光刻机加掩模进行曝光, 曝光后在D NA700涂胶显影轨道系统中继续用热板加热曝过光的基板, 此过程称为反转烘, 然后进行泛曝光, 最后经过显影和清洗即可完成倒台面光刻胶图形的制作。制作好的图形用HI TACHIS -530扫描电镜进行断面测试, α-STEP500型台阶仪测量胶厚以及用OLYMPUS -B X41M 金相显微镜观察图形的分辨率。

烯酮是一类活性很高的化合物, 易与水、醇、胺发生反应生成相应的羧酸、酯和酸胺。咪唑可以看作是一种活性较低的仲胺, 在较高反转烘温度(110℃) 下, 咪唑中仲胺氮原子成为亲核中心, 而与掩模曝光时产生的烯酮发生亲核加成反应, 生成不溶于碱液的酰胺类化合物。这样掩模版下的曝光区就成为难溶解区了, 经泛曝光后, 原来掩模版

下的非曝光区, 这时在光作用下, 发生由重氮萘醌转变为烯酮的光化学反应, 在碱性水溶液中, 该区就成为可溶区而被溶解了。2. 2　光刻胶断面模拟

研究光刻胶的曝光过程, 主要侧重于讨论曝光过程中胶内的光强度变化和光敏化合物(photo active c ompound , PAC ) 浓度的变化, 以建立曝光响

2009年6月

2　结果与讨论

2. 1　图形反转与机理分析

正性光刻胶经紫外线照射后发生光化学反应, 化学键断裂重组, 曝光的区域会溶于显影液, 未曝536　　半导体技术第34卷第6期

陈德鹅　等:图形反转工艺用于金属层剥离的研究

应模型, 并最终确定显影后的光刻胶轮廓模型[5]。根据Lambert 经验定律和光化学反应动力学原理, F . H . Dill 曾对光刻胶曝光过程进行了描述, 建立了曝光模型

=-I (z , t ) α z

(1)

m 1(z , t )

=-m 1(z , t ) I (z , t ) C t

式中:I 为内部光强; m 1为PAC 浓度分布; C 为光刻胶中PAC 的分解常数;α为光刻胶的光吸收系数。根据Beer 定律, 对于较薄光刻胶, α与其组成成分的浓度近似成线性关系

α=αz , t ) +αz , t ) +αz , t ) +1m 1(2m 2(3m 3(

αz , t ) (2) 4m 4(式中:αAC 、树脂、反应1、α2、α3、α4分别为P

生成物及溶剂的摩尔吸收常数; m 1(z , t ) 、m 2(z , t ) 、m 3(z , t ) 、m 4(z , t ) 分别为t 时刻光刻胶表面下z 处的PAC 、树脂、反应生成物及溶剂的浓度。由于树脂、溶剂在曝光过程中浓度不变, 即m 2(z , t ) =m 20, m 4(z , t ) =m 40, 且实验表明1mol 抑制剂PAC 光化学反应分解生成1mol 生成物, 即m 3(z , t ) =m 10-m 1(z , t ) , 所以吸收系数α可改写成

α=AM +B (3) 式中:A =(αm 10; B =α1-α3) 2m 20+α3m 10+αM (z , t ) =m 1(z , t ) /m 10, 是归一化PAC 浓4m 40;

度值。在光刻胶曝光前, M (z , 0) =1; 充分曝光后, PAC 完全分解, M (z , t ) =0。

确定了A 、B 、C 曝光参数的值, 再结合初始条件就能准确计算分析薄层光刻胶曝光后其内部的光场分布和PAC 浓度分布。

显影过程中部分表面保护限制显影的进行,

[7]

Mack 提出的显影速度模型

n

(a +1) (1-m 1)

R (m 1) =R max +R min n

a +(1-m 1) [6]

n

a 1-m t h ) (5)

(n -1)

式中:m 1为PAC 的相对浓度; R max 为最大显影速度(光刻胶完全曝光) ; R min 为最小显影速度(光刻胶未曝光) ; n 为显影选择系数(对应胶表面的反应状态) ; a 为简化常数; m th 为初始的PAC 浓度。当a 取值较大时, 上式可以简化为

R (m ) =R max (1-m ) +R min (6) 曝光模型和显影模型通过PAC 的相对浓度m 1联系到一起, 最终确定显影后的光刻胶轮廓模型。模拟结果显示具有反转特性的AZ -5214胶经曝光显影的实验过程, 侧壁呈向内倾的趋势, 能够实现金属层的剥离。

2. 3　断面影响因素分析

光刻工艺的优化是一项很重要且具挑战性的任务。对制作的光刻胶图形有影响的主要因素是光刻胶的厚度、前烘、曝光、后烘(或反转烘) 、显影、驻波等因素。在此实验之前确定了较优的光刻胶厚度, 匀胶转速为4000r /min , 通过α-STEP500型台阶仪测量得胶厚为1. 4μm , 前烘温度、时间分别为100℃、60s , 加掩模曝光时间为0. 3s , 泛曝光时间为2s , 显影液为RZX -3038, 显影时间为50s 。至于曝光过程中产生的驻波图形可以应用抗反射剂来消除, 对于好的光刻胶处理工艺, 光刻胶边缘驻波的横向幅度小于500nm , 相对于光刻胶厚度1. 4μm 而言, 驻波不是一个主要问题, 所以在这个实验中主要是考虑了反转烘温度对制作的光刻胶断面形状的影响。

从上述的分析可以知道, 在众多的因素中反转烘温度对图形断面的形状影响是最大的, 实验证明也是这种情况。因此, 固定了其他的实验工艺参数, 只是改变了反转烘的温度。具体的实验工艺参数如表1所示。

[8]

n

(4)

表1　倒台面图形制作的工艺参数

Tab . 1　Parameters about preparati on of reversed -trapezoid patterns

样品编号1#2#

υr ·min -1) coating /(

4000

θ/℃pr e bake

100

t pr ebake /s 60

t ex p /s 0. 3

θ/℃rev -bake 　105　　110　

t r ev -bake /s 90

t f -exp /s 2

t dev /s 50

　　表1中υcoating 、θpreba ke 、t prebake 、t exp 、θrev -bake 、t re v -bake 、t f -exp 和t dev 分别代表匀胶转速、前烘温度、前烘时间、曝光时间、反转烘温度、反转烘时间、泛曝光时间和显影时间。1#、2#两样品, 用的都

May 　2009

是6英寸(152. 4mm ) 的单晶硅衬底。当紫外线照射到光刻胶膜上时, 从膜的表面到膜深处其吸收的能量逐渐减少, 从而发生的光化学反应逐渐减弱, 当掩模曝光时, 光刻胶表面产生的酸类物质较多,

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陈德鹅　等:图形反转工艺用于金属层剥离的研究

在反转烘时产生的难溶物质较多, 从而在显影时形成了倒台面的光刻胶侧壁。图3是由表1中的工艺参数制作的光刻胶图形的断面扫描电镜图

。

3　结语

光刻胶图形呈倒台面形, 是使剥离工艺成为微细加工或电路加工工艺的有效手段。利用AZ -5214胶制备倒台面图形, 比较了在不同反转烘温度下光刻胶图形的断面图形, 得到了AZ -5214胶作为负胶时所需的较优的反转工艺参数:匀胶转速4000r /min , 前烘温度100℃,时间60s , 曝光时

(a ) 反转烘温度为105

℃

间0. 3s , 反转烘温度110℃,时间90s , 泛曝光时间2s , 显影时间50s 。对形成倒台面图形的机理以及光刻胶的断面模拟进行了分析和讨论。参考文献:

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(收稿日期:2008-12-16

)

作者简介:

(b ) 反转烘温度为110℃

图3　AZ -5214胶光刻图形的扫描电镜图

Fig . 3　Micrograph of pattern formed b y AZ -5214res ist

图3(a ) 中可以观察到反转烘温度为105℃制作的光刻胶图形内倾约45°, 但光刻胶有明显的钻蚀现象, 使光刻胶与衬底结合的不牢固, 不利于后续器件的制作; 图3(b ) 中可以清晰地观察到, 反转烘温度为110℃制作的光刻胶断面图形内倾且呈约60°的角度, 光刻胶与衬底结合牢固, 能够用于金属层的剥离。

本实验还用金相显微镜观察了在反转烘温度为110℃时的光刻胶图形的分辨率, 如图4所示

。

图4　AZ -5214胶的金相显微图

Fig . 4　Metallographic micrograp h of AZ -5214resist

陈德鹅(1983—), 男, 浙江温州人, 硕士研究生, 主要从事光刻工艺和敏感薄膜材料方面的研究;

图形的分辨率指的是光刻胶产生图形时所能达到的最小特征尺寸, 对光刻胶而言是个很重要的指标参数。图4所示的图形是AZ -5214光刻胶图形, 从左至右三列图形的分辨率分别为2、1、0. 5μm , 从图中可以观察到2、1、0. 5μm 的图形清晰可辨。

吴志明(1964—), 男, 四川夹江人, 教授, 博士生导师, 主要从事非制冷红外焦平面读出电路方面的研究。

538　　半导体技术第34卷第6期

2009年6月