光刻胶的性能指标

光刻胶(Photoresist)又称光致抗蚀剂，是指通过紫外光、电子束、离子束、X射线等的照射或辐射，其溶解度发生变化的耐蚀剂刻薄膜材料。由感光树脂、增感剂和溶剂3种主要成分组成的对光敏感的混合液体。在光刻工艺过程中，用作抗腐蚀涂层材料。半导体材料在表面加工时，若采用适当的有选择性的光刻胶，可在表面上得到所需的图像。光刻胶按其形成的图像分类有正性、负性两大类。在光刻胶工艺过程中，涂层曝光、显影后，曝光部分被溶解，未曝光部分留下来，该涂层材料为正性光刻胶。如果曝光部分被保留下来，而未曝光被溶解，该涂层材料为负性光刻胶。按曝光光源和辐射源的不同，又分为紫外光刻胶(包括紫外正、负性光刻胶)、深紫外光刻胶、X-射线胶、电子束胶、离子束胶等。光刻胶主要应用于显示面板、集成电路和半导体分立器件等细微图形加工作业 [6] 。光刻胶生产技术较为复杂，品种规格较多，在电子工业集成电路的制造中，对所使用光刻胶有严格的要求。

灵敏度灵敏度(Sensitivity)即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/平方厘米或mJ/cm2。光刻胶的敏感性对于波长更短的深紫外光(DUV)、极深紫外光(EUV)等尤为重要 [5] 。负胶通常需5~15 s时间曝光，正胶较慢，其曝光时间为负胶的3~4倍 [41] 。灵敏度反映了光刻胶材料对某种波长的光的反应程度。不同的光刻胶对于不同的波长的光是有选择性的。比如248 nm波长光刻胶的成膜树脂中存在苯环结构，对193 nm波长的光具有很强的吸收作用，即对193 nm波长的光是不透明的，因此193 nm光刻胶必须改变树脂主体。同时，高的产出要求短的曝光时间，对光刻胶的灵敏度要求也越来越高。通常以曝光剂量作为衡量光刻胶灵敏度的指标，曝光剂量值越小，代表光刻胶的灵敏度越高。i线光刻胶材料曝光剂量在数百mJ/cm2左右，而KrF和ArF的光刻胶材料，其曝光剂量则在30和20 mJ/cm2左右 [4] 。灵敏度可以体现于光刻胶的对比度曲线上。

式中，DL为所有光刻胶被去掉所需的最低能量剂量，即灵敏度(也称为曝光阈值);D0为光刻胶开始进行光化学反应作用的最低能量。对比度可以被认为是光刻胶区分掩膜版上亮区和暗区能力的衡量标准，且辐照强度在光刻胶线条和间距的边缘附近平滑变化。光刻胶的对比度越大，线条边缘越陡，典型的光刻胶对比度为2~4。对于理想光刻胶来说，如果受到该阈值以上的曝光剂量，则光刻胶完全感光;反之，则完全不感光。实际上，光刻胶的曝光阈值存在一个分布，该分布范围越窄，光刻胶的性能越好 。显影薄膜的厚度与曝光能量的关系通常它是由如下方法测定的：将一已知厚度的光刻胶薄膜旋转涂布于硅晶片之上，再软烤除去多余的溶剂;然后，将此薄膜在不同能量的光源下曝光，再按一般程序显影。测量不同曝光能量的光刻胶薄膜厚度，再对曝光能量作图，即可由曲线线性部分的斜率求得对比度。如图所示，γp和γn分别为正光刻胶和负光刻胶材料的对比度。同时，也可以得到该光刻胶的灵敏度(图中的DL为灵敏度) [4] 。

分辨率分辨率(resolution，R)即光刻工艺中所能形成最小尺寸的有用图像。是区别硅片表面相邻图形特征的能力。一般用关键尺寸(CD，Critical Dimension)来衡量分辨率。形成的关键尺寸越小，光刻胶的分辨率越好 [5] 。此性质深受光刻胶材质本身物理化学性质的影响，必须避免光刻胶材料在显影过程中收缩或在硬烤中流动。因此，若要使光刻材料拥有良好的分辨能力，需谨慎选择高分子基材及所用的显影剂 。分辨率和焦深都是光刻中图像质量的关键因素。在光刻中既要获得更好的分辨率来形成关键尺寸图形，又要保持合适的焦深是非常矛盾的。虽然分辨率非常依赖于曝光设备，但是高性能的曝光工具需要与之相配套的高性能的光刻胶才能真正获得高分辨率的加工能力 。

抗蚀性抗蚀性(Anti-etching; Etching resistance)即光刻胶材料在刻蚀过程中的抵抗力。在图形从光刻胶转移到晶片的过程中，光刻胶材料必须能够抵抗高能和高温(>150℃)而不改变其原有特性 。在后续的刻蚀工序中保护衬底表面。耐热稳定性、抗刻蚀能力和抗离子轰击能力 。在湿法刻蚀中，印有电路图形的光刻胶需要连同硅片一同置入化学刻蚀液中，进行很多次的湿法腐蚀。只有光刻胶具有很强的抗蚀性，才能保证刻蚀液按照所希望的选择比刻蚀出曝光所得图形，更好体现器件性能。在干法刻蚀中，例如集成电路工艺中在进行阱区和源漏区离子注入时，需要有较好的保护电路图形的能力，否则光刻胶会因为在注入环境中挥发而影响到注入腔的真空度。此时注入的离子将不会起到其在电路制造工艺中应起到的作用，器件的电路性能受阻。

纯度纯度(Purity)指光刻胶必须在微粒含量、钠和微量金属杂质及水含量方面达到严格的标准要求 。集成电路工艺对光刻胶的纯度要求是非常严格的，尤其是金属离子的含量。如由g线光刻胶发展到i线光刻胶材料时，金属Na、Fe和K离子的含量由10-7降低到了10-8 。

黏附性黏附性(Adherence)是表征光刻胶黏着于衬底的强度。主要衡量光刻胶抗湿法腐蚀能力。它不仅与光刻胶本身的性质有关，而且与衬底的性质和其表面情况等有密切关系 。作为刻蚀阻挡层，光刻胶层必须和晶圆表面黏结得很好，才能够忠实地把光刻层图形转移到晶圆表面层，光刻胶的黏附性不足会导致硅片表面的图形变形。光刻胶的黏附性必须经受住后续工艺(刻蚀、离子注入等) [5] 。通常负胶比正胶有更强的黏结能力 。

黏度黏滞性/黏度(Viscosity)是衡量光刻胶流动特性的参数。黏滞性随着光刻胶中的溶剂的减少而增加;高的黏滞性会产生厚的光刻胶;越小的黏滞性，就有越均匀的光刻胶厚度。光刻胶的比重(SG，Specific Gravity)是衡量光刻胶的密度的指标。它与光刻胶中的固体含量有关。较大的比重意味着光刻胶中含有更多的固体，黏滞性更高、流动性更差。黏度的单位：泊(P，1 P=10-1 Pa·s)，光刻胶一般用厘泊(cP，1 cP=10-2 P)来度量。百分泊即厘泊为绝对黏滞率;运动黏滞率定义为：运动黏滞率=绝对黏滞率/比重。 单位：百分斯托克斯(cst)=1 mm2/s 。大多数光刻胶生产商用在光刻胶中转动风向标的方法测量黏度 。

表面张力表面张力(surface tension)指液体中将表面分子拉向液体主内的分子间吸引力。光刻胶应该具有比较小的表面张力，使光刻胶具有良好的流动性和覆盖 。

针孔针孔是光刻胶层尺寸非常小的空穴。针孔是有害的，因为它可以允许刻蚀剂渗过光刻胶层进而在晶圆表面层刻蚀出小孔，针孔是在涂胶工艺中有环境中的微粒污染物造成的，或者由光刻胶层结构上的空穴造成的。光刻胶层越厚，针孔越少，但它却降低了分辨力，光刻胶厚度选择过程中需权衡这两个因素的影响。正胶的纵横比更高，所以正胶可以用更厚的光刻胶膜达到想要的图形尺寸，而且针孔更少。

热流程光刻工艺过程中有两个加热的过程：软烘焙和硬烘焙。工艺师通过高温烘焙，尽可能使光刻胶黏结能力达到最大化。但光刻胶作为像塑料一样的物质，加热会变软和流动，对最终的图形尺寸有重要影响，在工艺设计中必须考虑到热流程带来的尺寸变化。热流程越稳定，对工艺流程越有利。

其他在实际的工艺中光刻胶的选择还必须考虑硅片表面的薄膜种类与性质(反射率、亲水性或疏水性)和产品图形所需的解析度