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光刻胶技术参数、分类及工艺流程剖析

编辑:chinafpd2017-10-31 08:28 浏览评论 评论0 赞    来源: 互联网

  光刻胶由光引发剂、树脂、溶剂等基础组分组成,又被称为光致抗蚀剂,这是一种对光非常敏感的化合物。此外,光刻胶中还会添加光增感剂、光致产酸剂等成分来达到提高光引发效率、优化线路图形精密度的目的。在受到紫外光曝光后,它在显影液中的溶解度会发生变化。

  分类

  根据光刻胶按照如何响应紫外光的特性可以分为两类。

  正胶(Positive Photo Resist)

  曝光前对显影液不可溶,而曝光后变成了可溶的,能得到与掩模板遮光区相同的图形。

  优点:分辨率高、对比度好。

  缺点:粘附性差、抗刻蚀能力差、高成本。

  灵敏度:曝光区域光刻胶完全溶解时所需的能量

  负胶(Negative Photo Resist)

  与正胶反之。

  优点: 良好的粘附能力和抗刻蚀能力、感光速度快。

  缺点: 显影时发生变形和膨胀,导致其分辨率。

  灵敏度:保留曝光区域光刻胶原始厚度的50%所需的能量。

  按感光树脂的化学结构,光刻胶可分为光聚合型光刻胶、光分解型光刻胶和光交联型光刻胶。在应用中,采用不同单体可以形成正、负图案,并可在光刻过程中改变材料溶解性、抗蚀性等。

  光聚合型光刻胶

  烯类,在光作用下生成自由基,自由基再进一步引发单体聚合。

  光分解型光刻胶

  叠氮醌类化合物,经光照后,会发生光分解反应,由油溶性变为水溶性。

  光交联型光刻胶

  聚乙烯醇月桂酸酯,在光的作用下,分子中的双键打开,链与链之间发生交联,形成一种不溶性的网状结构从而起到抗蚀作用。

  按曝光波长,光刻胶可分为紫外(300~450 nm)光刻胶、深紫外(160~280 nm)光刻胶、极紫外(EUV,13.5 nm)光刻胶、电子束光刻胶、离子束光刻胶、X 射线光刻胶等。

  按应用领域,光刻胶可分为PCB 光刻胶、LCD 光刻胶、半导体光刻胶等。PCB 光刻胶技术壁垒相对其他两类较低,而半导体光刻胶代表着光刻胶技术最先进的水平。

  PCB 光刻胶

  主要分为干膜光刻胶、湿膜光刻胶(又称为抗蚀刻/线路油墨)、光成像阻焊油墨等。PCB 光刻胶技术壁垒相对较低,主要是中低端产品。

  LCD 光刻胶

  包含彩色滤光片用彩色光刻胶及黑色光刻胶、LCD 触摸屏用光刻胶、TFT-LCD 正性光刻胶等产品。

  彩色滤光片是LCD 实现彩色显示的关键器件,占面板成本的14%~16%;在彩色滤光片中,彩色光刻胶和黑色光刻胶是核心材料,占其成本的27%左右,其中黑色光刻胶占彩色滤光片材料成本的6%~8%。

  半导体光刻胶

  包括g 线光刻胶、i 线光刻胶、KrF 光刻胶、ArF 光刻胶、聚酰亚胺光刻胶、掩膜板光刻胶等。

  光刻胶组分及功能

  光引发剂

  光引发剂吸收光能(辐射能)后经激发生成活性中间体,并进一步引发聚合反应或其他化学反应,是光刻胶的关键组分,对光刻胶的感光度、分辨率等起决定性作用。

  树脂

  光刻胶的基本骨架,是其中占比最大的组分,主要决定曝光后光刻胶的基本性能,包括硬度、柔韧性、附着力、曝光前后对溶剂溶解度的变化程度、光学性能、耐老化性、耐蚀刻性、热稳定性等。

  溶剂

  溶解各组分,是后续聚合反应的介质,另外可调节成膜。

  单体

  含有可聚合官能团的小分子,也称之为活性稀释剂,一般参加光固化反应,可降低光固化体系粘度并调节光固化材料的各种性能。

  光增感剂

  是引发助剂,能吸收光能并转移给光引发剂,或本身不吸收光能但协同参与光化学反应,起到提高引发效率的作用。

  光致产酸剂

  吸收光能生成酸性物质并使曝光区域发生酸解反应,用于化学增幅型光刻胶。

  助剂

  根据不同的用途添加的颜料、固化剂、分散剂等调节性能的添加剂。

  主要技术参数

  分辨率(resolution)

  是指光刻胶可再现图形的最小尺寸。一般用关键尺寸来(CD,CriticalDimension)衡量分辨率。

  对比度(Contrast)

  指光刻胶从曝光区到非曝光区过渡的陡度。

  敏感度(Sensitivity)

  光刻胶上产生一个良好的图形所需一定波长光的最小能量值(或最小曝光量)。单位:毫焦/平方厘mJ/cm2。

  粘滞性/黏度 (Viscosity)

  衡量光刻胶流动特性的参数。光刻胶中的溶剂挥发会使粘滞性增加。

  粘附性(Adherence)

  是指光刻胶与晶圆之间的粘着强度。

  抗蚀性(Anti-etching)

  光刻胶黏膜必须保持它的粘附性,并在后续的湿刻和干刻中保护衬体表面,这种性质被称为抗蚀性。

  表面张力(SurfaceTension)

  液体中将表面分子拉向液体主体内的分子间的吸引力。

  光刻工艺流程

1前处理

  微粒清除:

  wafer表面的杂质微粒会影响光刻胶的粘附,且会损坏光刻的图形,造成成品率的下降,所以必须要清洁掉表面的杂质颗粒、表面沾污以及自然氧化层等。

  微粒清除方法:

  高压氮气吹除,化学湿法清洗,旋转刷刷洗,高压水喷溅等。

  烘干:

  经过清洁处理后的晶圆表面会含有一定的水分(亲水性表面),所以必须将其表面烘烤干燥(干燥的表面为憎水性表面),以便增加光刻胶和晶圆表面的粘附能力。

  保持憎水性表面的方法:

  一种是把室内湿度保持在50%以下,并且在晶园完成前一步工艺之后尽可能快地对晶园进行涂胶。另一种是把晶园储存在用干燥且干净的氮气净化过的干燥器中。

  此外,一个加热的操作也可以使晶圆表面恢复到憎水性表面。

  有三种温度范围:150℃-200℃(低温),此时晶圆表面会被蒸发;到了400℃(中温)时,与晶圆表面结合较松的水分子会离开;当超过750℃(高温)时,晶圆表面从化学性质上将恢复到了憎水性条件。通常采用低温烘烤,原因是操作简单。

  增粘处理:

  增粘的作用是增强wafer与光刻胶之间的粘着力。

  原因是绝大多数光刻胶所含的高分子聚合物是疏水的,而氧化物表面的羟基是亲水的,两者表面粘附性不好。

  通常用的增粘剂:

  HMDS(六甲基二硅胺烷)。亲水的带羟基的硅烷醇→疏水的硅氧烷结构,既易与晶圆表面结合,又易与光刻胶粘合。

  方法有:

  沉浸式,旋涂法和蒸汽法

  2涂胶

  涂胶工艺的目的就是在晶园表面建立薄的、均匀的、并且没有缺陷的光刻胶膜。一般来说,光刻胶膜厚从0.5um到1.5um不等,而且它的均匀性必须达到只有正负0.01um的误差。

  光刻胶的涂覆常用方法是旋转涂胶法:

  静态旋转和动态喷洒

  静态涂胶:

  首先把光刻胶通过管道堆积在晶圆的中心,然后低速旋转使光刻胶铺开,再高速旋转甩掉多余的光刻胶,高速旋转时光刻胶中的溶剂会挥发一部分。

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