CN111983890B - 一种光刻胶及其光刻工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光刻胶，包括含酚树脂、溶剂和感光剂，其中溶剂为丙二醇甲醚醋酸脂与碳酸丙烯脂的混合溶剂。本发明还提供一种光刻胶的光刻工艺，包括：在基片衬底上喷涂本发明的光刻胶；将喷涂完光刻胶的基底进行真空干燥、烘烤、曝光和显影。本发明的光刻胶可以显著提升光刻胶的流平性，有效减轻光刻胶涂布后边缘堆积，解决基片衬底边缘光刻胶堆积导致的显影残留问题；本发明的光刻工艺能够改善光刻胶内部无规则的溢流，从而解决干燥后基底中间区域光刻胶膜厚均匀性差的问题，从而提升光刻胶的膜厚均匀性，提升芯片产品的性能。
Description
技术领域
本发明属于半导体和微电子领域，尤其涉及一种光刻胶及其光刻工艺。
背景技术
半导体工艺包括清洗、镀膜、光刻、刻蚀等工序，其中光刻工序又包含光刻胶涂布、预烤、曝光、显影等制程。
光刻胶涂布是半导体行业中必不可少的一道工艺，常见的光刻胶涂布方式有旋涂法、狭缝式涂布、喷涂法、滚轮式涂布等。不管用何种方式涂布，由于光刻胶表面张力的原因，光刻胶涂布后的液膜存在向外溢流扩散的趋势，导致基底边缘都会有光刻胶堆积的问题，边缘光刻胶的膜厚偏厚，显影时造成光刻胶残留的问题。针对基底是硅晶圆、大尺寸玻璃等行业，边缘光刻胶堆积在基底边缘的无效区域，如图1所示，可通过后期洗边、或切割等方式来解决，不影响中间的有效功能区；但对于一些特殊基底的行业，如金属基压敏传感器芯片来说影响很大，基底需先加工成小片芯片再进行半导体制程，基底边缘没有无效区，如图2所示，光刻胶堆积造成的显影残留对产品的性能和良品率有致命的影响。
CN103353209A公开的真空干燥工艺在抽真空的同时对基片衬底进行加热，但是挥发干燥速度较慢，需同时对基片衬底加热来提高干燥速度，且该工艺存在膜厚不均匀的问题。
发明内容
本发明要解决的问题是克服现有技术的不足，提供一种新的光刻胶，可以显著提升光刻胶的流平性，有效减轻光刻胶涂布后边缘堆积，解决基片衬底边缘光刻胶堆积导致的显影残留问题；本发明还提供一种基于该光刻胶的光刻工艺，该工艺能够改善光刻胶内部无规则的溢流，从而解决干燥后基底中间区域光刻胶膜厚均匀性差的问题，从而提升光刻胶的膜厚均匀性，提升芯片产品的性能。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种光刻胶，包括含酚树脂、溶剂和感光剂，所述溶剂为丙二醇甲醚醋酸脂与碳酸丙烯脂的混合溶剂。
上述的光刻胶，优选地，所述混合溶剂中，丙二醇甲醚醋酸脂与碳酸丙烯脂的质量比为2～8∶1。
上述的光刻胶，优选地，所述光刻胶还包括添加剂；所述添加剂为表面活性剂、流平剂、消泡剂中的一种或两种以上。
上述的光刻胶，优选地，所述含酚树脂为酚醛树脂。
上述的光刻胶，优选地，所述感光剂为重氮萘醌。
作为一个总的发明构思，本发明还提供一种光刻胶的光刻工艺，包括如下步骤：
在基片衬底上喷涂如前述的光刻胶；
将喷涂完光刻胶的基底进行真空干燥、烘烤、曝光和显影。
上述的光刻工艺，优选地，所述真空干燥的真空度为1～9Pa，抽真空的时间为90～240s；温度为室温。
上述的光刻工艺，优选地，所述烘烤的加热温度为100～130℃，加热时间为120～300s。
上述的光刻工艺，优选地，所述基片衬底为金属基压敏芯片。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的光刻胶可以调整光刻胶表面张力，显著提升光刻胶的流平性，有效减轻光刻胶涂布后边缘堆积，解决基片衬底边缘光刻胶堆积导致的显影残留问题。以光刻胶干燥后中间有效区膜厚3μm为例，本发明提供的光刻胶和喷胶干燥工艺，可使基底边缘与中间区域光刻胶厚度差≤0.5μm，并且中间电路功能区光刻胶膜厚均匀性≤6％。
2、本发明通过在光刻胶涂布和烘干工序之间增加室温真空干燥的工序，并且通过改进真空干燥工艺条件，能进一步改善光刻胶边缘堆积和提升光刻胶膜厚均匀性。
附图说明
图1为硅片、平板显示玻璃等基片衬底的光刻胶堆积示意图。
图2为金属基压敏芯片基片衬底的光刻胶堆积示意图。
图3为光刻胶边缘堆积厚度测试曲线的示意图。
图4为光刻胶膜厚均匀性测试曲线的示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
基础实施方式：
本发明提供一种光刻胶，可以减少基底边缘光刻胶堆积的厚度，该光刻胶包含酚树脂、溶剂、感光剂和添加剂，经过前期测试优选丙二醇甲醚醋酸酯和碳酸丙烯酯两种溶剂混合，光刻胶中溶剂的总质量含量为55～75％，其中丙二醇甲醚醋酸酯和碳酸丙烯酯的质量比为2～8∶1；感光剂为重氮萘醌(DNQ)，含量为2～15％，该重氮萘醌含有重氮基，曝光时重氮基吸收紫外光发生反应，可溶于水释放出N2并生成羧酸，可与碱性的显影液发生中和反应被去除；树脂为酚醛树脂，含量为10～35％，在光刻胶中起胶黏作用，使光刻胶烘烤固化后具有足够的附着力和抗蚀刻能力；添加剂为本领域常规的表面活性剂、流平剂、消泡剂中的一种或多种组合，总含量为0.01～1％。
本发明还提供一种光刻胶的光刻工艺，包括如下步骤：
以金属基压敏芯片为例，该压敏芯片包括基底、绝缘层和功能膜，该基底材质为不锈钢，基底需进行工艺的表面尺寸为直径7mm的圆；绝缘层为二氧化硅层，二氧化硅薄膜的厚度为5～10μm；功能膜为磁控溅射沉积的金属导电膜，功能膜的厚度为0.1～0.5μm。
后续在上述功能膜上进行光刻工艺，所述光刻工艺包括光刻胶涂布、真空干燥、烘烤、曝光、显影工序，具体包括：
1)所述光刻胶涂布工序采用该发明提供的光刻胶，所述光刻胶中丙二醇甲醚醋酸酯和碳酸丙烯酯的质量比为2～8∶1，光刻胶中间区域厚度为3μm左右；喷胶的具体过程为：在室温条件下光刻胶被喷头内部的超声发生器雾化后用氮气引流喷涂到基底表面，上述喷头的超声波频率为40～100kHz，引流氮气压力为0.5～1MPa，基底不加热，采用自流平的方式使光刻胶液膜逐渐平整。
2)上述光刻胶喷涂完后采用真空设备进行干燥，真空度为1Pa～9Pa，抽真空时间90s～240s，温度为室温；现有的工艺光刻胶涂布完后直接进行加热烘干，由于光刻胶此时还处于液体状态，直接加热光刻胶表面张力随温度升高而发生剧烈变化，导致光刻胶内部无规则的溢流，干燥后基底中间区域光刻胶膜厚均匀性差，且边缘堆积更加严重。该发明在光刻胶加热烘干前增加了室温真空干燥这一过程，并精确控制真空干燥的工艺参数，使光刻胶在干燥过程中其内部不会出现无规则的剧烈流动，干燥完成后光刻胶已基本固化，再进行加热固化光刻胶的形貌已不再受到影响，可以很好地解决基底中间区域光刻胶膜厚均匀性差和边缘堆积严重的问题。
3)真空干燥完成后再用烤胶机进行加热干燥，如用烘箱进行加热干燥，加热温度为100～130℃，加热时间为120～300s，使光刻胶完全干燥；
光刻胶干燥后采用小坂ET150微小形状测定机(台阶仪)测试光刻胶表面形貌，测试方法是探针贯穿整个基底表面的光刻胶，分别在中间平坦区和边缘最高位置取点，确定边缘与中间光刻胶的厚度差异，基底边缘与中间区域光刻胶厚度差具体为指中间区域膜厚平均值与边缘最高位置膜厚的差值；
在光刻胶喷涂、真空干燥、加热烘干完成后即可进行后续曝光、显影等工艺：
4)再通过曝光、显影工序，将光刻胶制成线路，继续用小坂ET150微小形状测定机测试中间区域光刻胶膜厚的均匀性，评估方法是在中间区域随机取5个点测试光刻胶膜厚，均匀性＝(最大值-最小值)/(最大值+最小值)*100％。
实施例1：
一种本实施例的光刻胶，其成分为64％的溶剂、28.6％的酚醛树脂、7.2％的感光剂和0.2％的添加剂：其中溶剂为丙二醇甲醚醋酸酯和碳酸丙烯酯，且丙二醇甲醚醋酸酯与碳酸丙烯酯的质量比为2∶1；其中感光剂的成分是重氮萘醌；其中添加剂包含常规的表面活性剂、流平剂和消泡剂，各添加剂组分的质量比为1∶2∶1。
一种本实施例的光刻工艺，以上述完成绝缘层和功能膜的金属基压敏芯片为基片衬底进行光刻工艺，包括如下步骤：
1)将样品置于喷胶设备内进行喷胶工艺，喷头离基底距离为30cm，光刻胶的两种溶剂丙二醇甲醚醋酸酯和碳酸丙烯酯的质量比为2∶1，开启喷胶机进行喷胶工序；
2)将上述喷涂完的基底放置在真空干燥箱中，真空度设定5Pa，抽真空时间180s，温度为室温，启动设备开始真空干燥；
3)真空干燥结束后将样品取出放置在烤胶机上，设定温度120℃，加热时间150s，开始计时烘烤；样品烘烤完成后采用小坂ET150微小形状测定机测试光刻胶表面形貌；
4)样品进行曝光、显影工序将光刻胶制成线路，再测试光刻胶的膜厚均匀性。
实施例2：
本实施例的光刻胶与实施例1的区别仅在于，丙二醇甲醚醋酸酯与碳酸丙烯酯的质量比为4∶1。
一种本实施例的光刻工艺，以上述完成绝缘层和功能膜的金属基压敏芯片为基片衬底进行光刻工艺，包括如下步骤：
1)将样品置于喷胶设备内进行喷胶工艺，喷头离基底距离为30cm，光刻胶的两种溶剂丙二醇甲醚醋酸酯和碳酸丙烯酯的质量比为4∶1，开启喷胶机进行喷胶工序；
2)将上述喷涂完的基底放置在真空干燥箱中，真空度设定5Pa，抽真空时间180s，温度为室温，启动设备开始真空干燥；
3)真空干燥结束后将样品取出放置在烤胶机上，设定温度120℃，加热时间150s，开始计时烘烤；样品烘烤完成后采用小坂ET150微小形状测定机测试光刻胶表面形貌；
4)样品进行曝光、显影工序将光刻胶制成线路，再测试光刻胶的膜厚均匀性。
实施例3：
本实施例的光刻胶与实施例1的区别仅在于，丙二醇甲醚醋酸酯与碳酸丙烯酯的质量比为6∶1。
一种本实施例的光刻工艺，以上述完成绝缘层和功能膜的金属基压敏芯片为基片衬底进行光刻工艺，包括如下步骤：
1)将样品置于喷胶设备内进行喷胶工艺，喷头离基底距离为30cm，光刻胶的两种溶剂丙二醇甲醚醋酸酯和碳酸丙烯酯的质量比为6∶1，开启喷胶机进行喷胶工序；
2)将上述喷涂完的基底放置在真空干燥箱中，真空度设定5Pa，抽真空时间180s，温度为室温，启动设备开始真空干燥；
3)真空干燥结束后将样品取出放置在烤胶机上，设定温度120℃，加热时间150s，开始计时烘烤；样品烘烤完成后采用小坂ET150微小形状测定机测试光刻胶表面形貌；
4)样品进行曝光、显影工序将光刻胶制成线路，再测试光刻胶的膜厚均匀性。
实施例4：
本实施例的光刻胶与实施例1的区别仅在于，丙二醇甲醚醋酸酯与碳酸丙烯酯的质量比为8∶1。
一种本实施例的光刻工艺，以上述完成绝缘层和功能膜的金属基压敏芯片为基片衬底进行光刻工艺，包括如下步骤：
1)将样品置于喷胶设备内进行喷胶工艺，喷头离基底距离为30cm，光刻胶的两种溶剂丙二醇甲醚醋酸酯和碳酸丙烯酯的质量比为8∶1，开启喷胶机进行喷胶工序；
2)将上述喷涂完的基底放置在真空干燥箱中，真空度设定5Pa，抽真空时间180s，温度为室温，启动设备开始真空干燥；
3)真空干燥结束后将样品取出放置在烤胶机上，设定温度120℃，加热时间150s，开始计时烘烤；样品烘烤完成后采用小坂ET150微小形状测定机测试光刻胶表面形貌；
4)样品进行曝光、显影工序将光刻胶制成线路，再测试光刻胶的膜厚均匀性。
实施例5：
一种本实施例的光刻工艺，以上述完成绝缘层和功能膜的金属基压敏芯片为基片衬底进行光刻工艺，包括如下步骤：
1)将样品置于喷胶设备内进行喷胶工艺，喷头离基底距离为30cm，采用的光刻胶与实施例3成分相同，开启喷胶机进行喷胶工序；
2)将上述喷涂完的基底放置在真空干燥箱中，真空度设定3Pa，抽真空时间150s，温度为室温，启动设备开始真空干燥；
3)真空干燥结束后将样品取出放置在烤胶机上，设定温度120℃，加热时间150s，开始计时烘烤；样品烘烤完成后采用小坂ET150微小形状测定机测试光刻胶表面形貌；
4)样品进行曝光、显影工序将光刻胶制成线路，再测试光刻胶的膜厚均匀性。
实施例6：
一种本实施例的光刻工艺，以上述完成绝缘层和功能膜的金属基压敏芯片为基片衬底进行光刻工艺，包括如下步骤：
1)将样品置于喷胶设备内进行喷胶工艺，喷头离基底距离为30cm，采用的光刻胶与实施例3相同，开启喷胶机进行喷胶工序；
2)将上述喷涂完的基底放置在真空干燥箱中，真空度设定1Pa，抽真空时间90s，温度为室温，启动设备开始真空干燥；
3)真空干燥结束后将样品取出放置在烤胶机上，设定温度120℃，加热时间150s，开始计时烘烤；样品烘烤完成后采用小坂ET150微小形状测定机测试光刻胶表面形貌；
4)样品进行曝光、显影工序将光刻胶制成线路，再测试光刻胶的膜厚均匀性。
实施例7：
一种本实施例的光刻工艺，以上述完成绝缘层和功能膜的金属基压敏芯片为基片衬底进行光刻工艺，包括如下步骤：
1)将样品置于喷胶设备内进行喷胶工艺，喷头离基底距离为30cm，采用的光刻胶与实施例3相同，开启喷胶机进行喷胶工序；
2)将上述喷涂完的基底放置在真空干燥箱中，真空度设定7Pa，抽真空时间210s，温度为室温，启动设备开始真空干燥；
3)真空干燥结束后将样品取出放置在烤胶机上，设定温度120℃，加热时间150s，开始计时烘烤；样品烘烤完成后采用小坂ET150微小形状测定机测试光刻胶表面形貌；
4)样品进行曝光、显影工序将光刻胶制成线路，再测试光刻胶的膜厚均匀性。
实施例8：
一种本实施例的光刻工艺，以上述完成绝缘层和功能膜的金属基压敏芯片为基片衬底进行光刻工艺，包括如下步骤：
1)将样品置于喷胶设备内进行喷胶工艺，喷头离基底距离为30cm，采用的光刻胶与实施例3相同，开启喷胶机进行喷胶工序；
2)将上述喷涂完的基底放置在真空干燥箱中，真空度设定9Pa，抽真空时间240s，温度为室温，启动设备开始真空干燥；
3)真空干燥结束后将样品取出放置在烤胶机上，设定温度120℃，加热时间150s，开始计时烘烤；样品烘烤完成后采用小坂ET150微小形状测定机测试光刻胶表面形貌；
4)样品进行曝光、显影工序将光刻胶制成线路，再测试光刻胶的膜厚均匀性。
对比例1：
一种光刻胶，其与实施例1的光刻胶成分的区别仅在于，溶剂的组成不同，本实施例中溶剂仅为丙二醇甲醚醋酸酯。
一种光刻胶的光刻工艺，以上述完成绝缘层和功能膜的金属基压敏芯片为基片衬底进行光刻工艺，包括如下步骤：
1)将样品置于喷胶设备内进行喷胶工艺，喷头离基底距离为30cm，光刻胶的溶剂只有丙二醇甲醚醋酸酯(即丙二醇甲醚醋酸酯和碳酸丙烯酯的质量比为1∶0)，开启喷胶机进行喷胶工序；
2)上述喷涂完的基底不进行真空干燥，直接取出放置在烤胶机上，设定温度120℃，加热时间150s，开始计时烘烤；样品烘烤完成后采用小坂ET150微小形状测定机测试光刻胶表面形貌；
3)样品进行曝光、显影工序将光刻胶制成线路，再测试光刻胶的膜厚均匀性。
对比例2：
一种光刻胶的光刻工艺，以上述完成绝缘层和功能膜的金属基压敏芯片为基片衬底进行光刻工艺，包括如下步骤：
1)将样品置于喷胶设备内进行喷胶工艺，喷头离基底距离为30cm，采用的光刻胶与实施例3相同，开启喷胶机进行喷胶工序；
2)上述喷涂完的基底不进行真空干燥，直接取出放置在烤胶机上，设定温度120℃，加热时间150s，开始计时烘烤；样品烘烤完成后采用小坂ET150微小形状测定机测试光刻胶表面形貌；
3)样品进行曝光、显影工序将光刻胶制成线路，再测试光刻胶的膜厚均匀性。
对比例3：
一种光刻胶的光刻工艺，以上述完成绝缘层和功能膜的金属基压敏芯片为基片衬底进行光刻工艺，包括如下步骤：
1)将样品置于喷胶设备内进行喷胶工艺，喷头离基底距离为30cm，本对比例采用的光刻胶与对比例1相同，光刻胶的溶剂只有丙二醇甲醚醋酸酯(即丙二醇甲醚醋酸酯和碳酸丙烯酯的质量比为1∶0)，开启喷胶机进行喷胶工序；
2)将上述喷涂完的基底放置在真空干燥箱中，真空度设定3Pa，抽真空时间150s，温度为室温，启动设备开始真空干燥；
3)真空干燥结束后将样品取出放置在烤胶机上，设定温度120℃，加热时间150s，开始计时烘烤；样品烘烤完成后采用小坂ET150微小形状测定机测试光刻胶表面形貌；
4)样品进行曝光、显影工序将光刻胶制成线路，再测试光刻胶的膜厚均匀性。
结果测试1：边缘堆积厚度测试
用小坂ET150微小形状测定机测试各实施例和对比例制备样品的表面光刻胶的形貌，通过在曲线上取点测得光刻胶中间和边缘的厚度差，光刻胶边缘堆积厚度测试的测试曲线示意图如图1所示。其中基底边缘与中间区域光刻胶厚度差是指中间区域膜厚平均值与边缘最高位置膜厚的差值。
各实施例样品边缘光刻胶堆积厚度值如下表，其中每个实施例测试5片样品厚度差再取平均值。
表1：
根据表1的检测结果可以看出，本发明实施例3、5、6制备的样品光刻胶堆积厚度最小(＜0.5μm)，明显优于其他条件，说明调整溶剂的比例会影响到光刻胶的表面张力和流平性，并且改变真空干燥的压力值亦可影响到边缘堆积厚度，从而改变光刻胶表面形貌。
对比例1和对比例3未添加碳酸丙烯酯溶剂，边缘堆积厚度明显增大。
对比例2采用最优溶剂比6∶1，但未采用真空干燥工序，光刻胶边缘堆积厚度明显降低，但仍高于有真空干燥工序的实施例。
实施例1、2中碳酸丙烯酯溶剂的含量继续升高，边缘堆积厚度增加，光刻胶流平效果反而恶化。
结果测试2：光刻胶膜厚均匀性测试
将样品通过曝光、显影工序制成线路后，再用微小形状测定机测试光刻胶膜厚，计算膜厚均匀性，测试曲线示意图如图4所示。
中间电路功能区光刻胶膜厚均匀性是指中间区域取五个点测试膜厚，各实施例每片样品在中间区域取五个点测试膜厚，计算公式：均匀性＝(最大值-最小值)/(最大值+最小值)*100％，各实施例测试结果如下：
表2：
根据表2的检测结果可以看出，本发明实施例3、6制备的样品光刻胶膜厚均匀性最佳(＜5％)，明显优于其他条件，说明调整真空干燥压力和时间可以改善光刻胶的流平效果。
对比例1和对比例3未使用真空干燥工艺，光刻胶膜厚均匀性明显变差(＞10％)，原因是光刻胶喷胶后直接烘烤，光刻胶内部会出现无规则的剧烈流动，且随着光刻胶的逐渐固化，流动造成的不均匀无法再继续流平，导致光刻胶膜厚均匀性变差。而真空干燥的目的是在室温下使光刻胶固化，再进行加热烘烤时光刻胶不再流动，从而很好地解决了刻胶膜厚均匀性差的问题。
对比例3溶剂中未添加碳酸丙烯酯，与实施例5对比可以看出，添加一定比例碳酸丙烯酯可以进一步提升光刻胶的流平效果，改善光刻胶膜厚均匀性。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (6)
1.一种光刻胶，包括含酚树脂、溶剂和感光剂，其特征在于，所述溶剂为丙二醇甲醚醋酸脂与碳酸丙烯脂的混合溶剂；所述混合溶剂中，丙二醇甲醚醋酸脂与碳酸丙烯脂的质量比为6～8∶1；光刻胶中溶剂的总质量含量为55～75％；
所述含酚树脂为酚醛树脂，含量为10～35％；
所述感光剂为重氮萘醌，含量为2～15％。
2.如权利要求1所述的光刻胶，其特征在于，所述光刻胶还包括添加剂；所述添加剂为表面活性剂、流平剂、消泡剂中的一种或两种以上。
3.一种光刻胶的光刻工艺，其特征在于，包括如下步骤：
在基片衬底上喷涂如权利要求1或2所述的光刻胶；
将喷涂完光刻胶的基底进行真空干燥、烘烤、曝光和显影。
4.如权利要求3所述的光刻工艺，其特征在于，所述真空干燥的真空度为1～9Pa，抽真空的时间为90～240s；温度为室温。
5.如权利要求3所述的光刻工艺，其特征在于，所述烘烤的加热温度为100～130℃，加热时间为120～300s。
6.如权利要求3所述的光刻工艺，其特征在于，所述基片衬底为金属基压敏芯片。
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