烘焙工艺条件对厚胶光刻面形的影响

　　收稿日期 :2005203231 ;修订日期 :2005205226 　　基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (60276018) ;中科院光电所微细加工技术国家重点实验室资助课 　　作者简介 :唐雄贵(1974 - ) ,男 ,湖南省邵阳人 ,在读博士 ,目前主要从事衍射光学、厚层光刻技术的研究工作。 文章编号 :100328213 (2005) 0320031205 烘焙工艺条件对厚胶光刻面形的影响 唐雄贵1 ,姚 　欣1 ,郭永康1 ,杜惊雷1 ,温圣林1 ,刘 　波1 ,刘 　倩1 ,董小春2 (11 四川大学 物理科学与技术学院 ,成都 610064 ; 21 中国科学院光电技术研究所 微细加工光学技术国家重点实验室 ,成都 610209) 摘要 :采用厚层正性光刻胶 AZ P4620 进行光刻实验 ,考察了在前烘和坚膜阶段不同 的工艺参数条件下的光刻胶浮雕面形的变化。实验表明 ,完全显影后光刻胶的浮雕 面形受前烘工艺参数的影响很小 ,但其显影速率有一定差别 ;当坚膜烘焙后 ,不同前 烘条件下的浮雕面形差别较大 ;当前烘条件相同时 ,坚膜参数的变化对光刻胶的浮 雕面形影响较大。由此得出 ,在前烘阶段应采取较高温度、较短时间的烘焙 ,而在坚 膜阶段应采取较低温度、较长时间的烘焙 ,这样可提高厚胶光刻面形的质量。 关 　键 　词 :厚胶光刻 ;前烘 ;坚膜 ;光刻面形 中图分类号 : TN30517 　　　文献标识码 :A 1 　引言 与 L IGA 技术相比 ,厚胶光刻具有简单 易行、成本低廉、且与 IC (integrate circuit ) 工 艺兼容等优点 ,但是厚胶光刻是一个复杂的 多参量影响过程 ,多种非线性畸变因素的存 在使得光刻的面形质量受工艺参数的影响很 大。烘焙过程是厚胶光刻过程中不可或缺的 环节 ,它包括前烘 ( soft baking) 、后烘 (post exposure baking)和坚膜 (hard baking) 。前烘 的主要目的是蒸发光刻胶中的有机溶剂以增 强胶膜与基片之间的粘附性 ,但易引起光刻 胶内部的分子浓度分布在深度方向上的不均 匀 ,这将会导致其折射率和曝光参数的变化 , 以致影响光刻胶的显影速率[1 - 4 ] ;后烘是为 了使光敏化合物 ( PAC) 发生热扩散运动 ,以 平滑 PAC 浓度呈驻波分布 ,提高其光刻面形 质量。若光刻胶的厚度大于 5μm ,则驻波效 应的影响可不必考虑[5 - 7 ] ;显影后对光刻胶 进行坚膜是为了提高其抗刻蚀能力。因而 , 为优化厚胶光刻工艺参数 ,提高光刻浮雕面 形质量 ,考察烘焙工艺参数的变化对厚胶光 刻面形的影响是很有必要的。 由于厚胶光刻过程中驻波效应的影响可 忽略 ,因而对于厚层光刻胶不必进行后烘 ,只 须进行前烘和坚膜。基于此 ,本文采用厚层 正性光刻胶 AZ P4620 进行光刻实验 ,考察 了在前烘和坚膜阶段不同的工艺参数条件下 的光刻胶浮雕面形的变化。 2 　实验工艺参数 AZ P4620 是 Clariant 公司生产的一种 广泛用于微系统制作的正性光刻胶 ,属于邻 第 3 期 2005 年 9 月 微细加工技术 MICROFABRICA TION TECHNOLO GY №13 Sep1 ,2005 重氮醌类化合物 ,它是由光敏混合物 PAC、 树脂和有机溶剂组成。光刻胶在进行曝光前 须经过前烘工艺处理 ,目的是蒸发光刻胶中 的有机溶剂 ,以增强胶膜与基片之间的粘附 性 ,但是这将会导致光刻胶内部的分子浓度 分布在深度方向上发生改变 ,引起光刻胶的 折射率和曝光参数的变化。一般来说 ,过高 的前烘温度会造成肌肤效应 ,不利于内部胶 层的溶剂挥发 ,且与基底的粘附力降低 ,感光 度下降 ,并引起聚合物的热交联 , 易产生表 面噪声、出现底膜 ;而过低的烘焙温度将造成 光刻胶的溶剂难以彻底挥发 ,使得接触曝光 时胶层过软 ,易污染掩模版 ,且易使图形变 形。在显影后的坚膜阶段 ,过高的烘焙温度 会造成聚合物的塑性流动而使图形变形 ,同 时会引起聚合物发生一些分解反应 ,所生成 的低分子产物会影响其粘附性能 ;而过低的 烘焙温度会造成溶剂残留在图形中 ,胶层易 过早被破坏 ,且不耐刻蚀 ,导致其抗刻蚀能力 降低[8 - 9 ] 。经反复实验 ,现确定 AZ P4620 光刻胶的光刻工艺参数 ,如表 1 所示。 表 1 　AZ P4620 光刻工艺参数 光刻工序 工艺参数 甩胶 转速 :2 500 r/ min ;时间 :25 s 前烘 温度 :85 ℃～115 ℃;时间 :10 min～40 min 曝光 光强 :216 mW/ cm2 ;时间 :170 s 显影 AZ 400 K(1∶4) ,温度 :20 ℃;时间 :80 s～170 s 漂洗 去离子水 坚膜 温度 :100 ℃～℃120 ℃;时间 :10 min～50 min 3 　结果与讨论 本文根据表 1 所示的光刻工艺参数进行 厚层光刻实验 ,考察了在该烘焙条件下厚层 光刻胶浮雕面形的变化情况。前烘温度分别 为 85 ℃,100 ℃和 115 ℃,其相应的前烘时 间分别为 40 min ,20 min 和 10 min ,前烘后 厚度约为 915μm ,采用 i 线 (365 nm) 接触式 曝光方式。当显影时间为 80 s 时 ,显影还未 完全 ,底部仍残留有不同厚度的光刻胶。实 验发现 ,不同前烘温度下光刻胶的显影速率 略有差别 ,前烘温度低 ,显影速率快。而当显 影时间延长到 150 s 时 ,不同前烘温度下的 光刻胶均完全显影 ,且光刻面形差别很小 ,采 用 alpha step2500 台阶仪对其显影后的轮廓 面形进行测量 ,其结果如图 1 所示。 　　　图 1 　光刻胶在不同前烘条件下完全 显影后的轮廓面形测量结果 　 　　根据厚胶光刻的特点 , 考虑了曝光过程 23 微 细 加 工 技 术 2005 年 中衍射光场在光刻胶表面的反射、透射以及 在非均匀光刻胶内部的衍射 , 利用文献 [10 ] 所建立的分析厚层光刻胶衍射光场的 物理模型和增强 Dill 模型[3 ]来数值计算光刻 胶内 PAC 浓度的分布 , 然后采用 Mack 显 影模型[11 ]对光刻显影后的面形轮廓进行模 拟 , 其模拟参数列于表 2 中 , 模拟结果如图 2 所示。由图 2a , 2b 和 2c 可以看出 , 当显 影时间为 80 s 时 , 分别在 85 ℃, 100 ℃和 115 ℃前烘温度下光刻胶的显影均不完全 , 只是在不同的前烘条件下的留胶量略有不 同 , 这是由于光刻胶在不同的前烘条件下其 曝光参数不同造成的。当显影时间都延长到 150 s 时 , 光刻胶在不同前烘温度下均完全 显影 , 其面形差别很小。通过以上模拟可 知 , 对于在不同前烘条件下的光刻胶而言 , 前烘条件的不同将会引起曝光参数略有变 化 , 并导致其显影速率也略有不同 , 但是若 曝光后的光刻胶显影完全 , 则其光刻后面形 轮廓差别很小 , 其实验结果与图 2d , 2e 和 2f 的模拟结果基本一致。光刻胶在烘焙充 分的前提下 , 前烘温度和时间的变化对显影 速率略有影响 , 但若完全显影 , 则其光刻面 形的差别会很小。 表 2 　AZ P4620 光刻胶模拟参数 曝光剂量 　　　Mack 显影模型参数 　　曝光前后折射率 曝光波长 (exposure dose) / (mJ·cm - 2) R max/ (nm·s - 1) R min/ (nm·s - 1) n M th nunbleached nbleached (wavelength) / nm 216 ×170 120 1 215 - 10 11715 0 11717 3 365 图 2 　光刻胶在不同前烘温度和显影时间下的轮廓面形模拟结果 　 　　光刻胶曝光、显影后 ,一般须进行坚膜 , 其目的是为了提高其抗刻蚀能力 ,但是在该 过程中光刻胶会因受热不均而发生塑性流 动 ,造成图形形变。为了减小光刻胶在坚膜 开始和结束时受温度场变化的影响 ,让光刻 胶由室温上升到烘焙温度再进行烘焙 ,然后 自然冷却到室温才取出。现对图 1 中在不同 前烘温度下得到的光刻面形进行坚膜 ,其坚 33第 3 期 　 唐雄贵等 :烘焙工艺条件对厚胶光刻面形的影响 膜温度和时间分别为 100 ℃和40 min ,坚膜 后的光刻胶轮廓面形的测量结果如图 3 所 示。由图可以看出 ,光刻胶轮廓面形的变化 程度差别较大 ,这是由于前烘条件的不同使 得光刻胶内部有机溶剂的空间浓度分布不 同 ,导致光刻胶热塑性变形程度不同。由实 验所测得的光刻胶浮雕面形可知 ,前烘阶段 应选择较高的烘焙温度、较短的烘焙时间 ,以 降低坚膜阶段对光刻胶面形所造成的塑性 形变。 图 3 　光刻胶在 100 ℃和 40 min 坚膜烘焙后的轮廓面形测量对应结果 　 　　现考察相同的前烘温度、不同的坚膜烘 焙温度对光刻胶面形的影响。前烘温度和时 间分别为 115 ℃和 10 min , 坚膜烘焙温度分 别为 100 ℃, 110 ℃和 120 ℃, 其相应的烘 焙时间分别为 50 min , 25 min 和 10 min , 其烘焙后光刻胶面形的测量结果如图 4 所 示。结果表明 , 坚膜烘焙温度越高 , 其光刻 胶浮雕面形的形变就越大。反之 , 烘焙温度 较低 , 则对光刻胶浮雕面形的影响较小。所 以 , 为提高厚胶光刻面形的质量 , 前烘阶段 应采取高温、短时间烘焙 , 而坚膜阶段应采 取低温、长时间烘焙。另外 , 本文的实验所 得轮廓面形均是采用 alpha step2500 台阶仪 进行测量的。 图 4 　光刻胶显影后在不同坚膜烘焙条件下的轮廓面形测量结果 　 4 　结论 厚胶光刻技术具有广泛的应用前景 ,但 它易受多种非线性畸变因素的影响 ,使得光 刻面形的质量差别较大。为考察烘焙工艺参 数对厚胶光刻面形的影响 ,本文在实验上考 察了前烘与坚膜工艺参数对其光刻面形的影 响。实验表明 ,在烘焙充分的条件下 ,不同前 烘参数对光刻胶完全显影后的轮廓面形影响 较小 ,且与模拟结果基本一致 ;但是坚膜烘焙 后 ,不同前烘条件下的浮雕面形差别较大 ;若 前烘条件相同 ,坚膜烘焙参数的变化对光刻 胶面形的形变影响较大。为提高厚胶光刻面 形质量 ,前烘阶段应采取高温、短时间烘焙 ; 43 微 细 加 工 技 术 2005 年 而坚膜阶段应采取低温、长时间烘焙。通过 考察烘焙工艺条件对光刻面形的影响 ,可为 制作大深度微光学元件工艺参数的优化提供 一定的指导。 参考文献 : [1 ] 　Ficner S , Dammel R R , Perez Y , et al1 Refrac2 tive indices in thick photoresist films as a func2 tion of bake conditions and film exposure [J ] 1 SPIE , 1997 , 3049 : 838 - 8491 [2 ] 　Burns S D , Gardiner A B , Krukonis V J , et al1 Understanding nonlinear dissolution rates in pho2 toresists[J ]1 SPIE , 2001 , 4345 : 37 - 491 [3 ] 　Liu Chi , Du Jinglei , Liu Shijie , et al1 Extrac2 tion of exposure modeling parameters of thick re2 sist [J ]1 SPIE , 2004 , 5641 : 333 - 3431 [4 ] 　Lehar O P , Sagan J P , Zhang Lizhong , et al1 Solvent content of thick photoresist films [ J ] 1 SPIE ,2000 , 3999 : 442 - 4511 [5 ] 　Xiao Xiao , Yang Jing , Du Jinglei , et al1 Simu2 lation of optical lithography process for fabricat2ing diffractive optics [ J ] 1 SPIE , 2002 , 4924 :221 - 2271[6 ] 　刘世杰 ,杜惊雷 ,肖啸 ,等 1 光刻中驻波效应的影响分析 [J ] 1 微纳电子技术 , 2004 , 41 (2) :41 - 451[7 ] 　Dill F H1 Optical Lithography[J ]1 IEEE TransElectron Devices , 1975 , Ed22 (7) : 440 - 4441[8 ] 　中国科学院化学研究所光致抗蚀剂组 1 光致抗蚀剂 : 光刻胶 [ M ] 1 北京 : 科学出版社 ,1977189 - 911[9 ] 　蒋荣欣 1 微细加工技术 [ M ]1 北京 :电子工业出版社 ,1990158 - 601[10 ] 　唐雄贵 ,郭永康 ,杜惊雷 , 等 1 基于角谱理论的厚层光刻胶衍射光场研究 [J ] 1 光学学报 ,2004 , 24 (12) : 1691 - 16961[11 ] 　Arthurand Graham , Martin Brian1 Enhancingthe development rate model in optical lithographysimulation of ultra2thick films for applicationssuck as MEMS and L IGA [J ] 1 SPIE , 2001 ,4404 :372 - 3791 Effect of Baking Process Conditions on Surface Prof ile of Lithography for Thick Film Resists TAN G Xiong2gui1 , YAO Xin1 , GUO Yong2kang1 , DU Jing2lei1 , WEN Sheng2lin1 , L IU Bo1 , L IU Qian1 , DON G Xiao2chun2 (11Department of Physics , Sichuan University , Chengdu 610064 , China ; 21State Key Laboratory of Optical Technology for Microfabrication , Institute of Optics and Electronics , Chinese Academy of Sciences , Chengdu 610209 , China) Abstract :Clariant Corporation AZ P4620 positive photoresist is used for this investigation1 Effect of baking process conditions on surface profile of thick film resists is investigated , and the simulat2 ed photoresist profiles were compared with patterns obtained from experiment1 Results show that soft baking and hard baking have different impact on surface profile of thick film resists1 In order to obtain surface profile with high quality , the higher temperature and shorter time should be adopted during soft baking , while lower temperature and longer time should be preferable during hard baking1 Key words :lithography for thick film resists ; soft baking ; hard baking ; surface profile of lithog2 raphy 53第 3 期 　 唐雄贵等 :烘焙工艺条件对厚胶光刻面形的影响