圖形反轉膠是比較常見的一種紫外光刻膠，它既可以當正膠使用又可以作為負膠使用。相比而言，負膠工藝更被人們所熟知。本文重點介紹其負膠工藝。

應用領域

在反轉工藝下，通過適當?shù)墓に噮?shù)，可以獲得底切的側壁形態(tài)。這種方法的主要應用領域是剝離過程，在剝離過程中，底切的形態(tài)可以防止沉積的材料在光刻膠邊緣和側壁上形成連續(xù)薄膜，有助于獲得干凈的剝離光刻膠結構。

在圖像反轉烘烤步驟中，光刻膠的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性可以得到部分改善。因此，光刻膠在后續(xù)的工藝中如濕法、干法蝕刻以及電鍍中都體現(xiàn)出一定的優(yōu)勢。然而，這些優(yōu)點通常被比較麻煩的圖像反轉處理工藝的缺點所掩蓋。如額外增加的處理步驟和很難或幾乎不可能獲得垂直的光刻膠側壁結構。 因此，圖形反轉膠更多的是被應用于剝離應用中。

工藝步驟

與正膠相比，圖形反轉工藝需要反轉烘烤和泛曝光步驟，這兩個步驟使得第一次曝光的區(qū)域在顯影液中不能溶解，并且使第一步曝光中尚未曝光的區(qū)域能夠被曝光。

沒有這兩個步驟，圖形反轉膠表現(xiàn)為具有于普通正膠相同側壁的側壁結構，只有在圖形反轉工藝下才能獲得底切側壁結構的光刻膠輪廓形態(tài)。

第一次曝光

首先，光刻膠的圖形是在使用掩膜版曝光后確定下來的。因此，與使用于正膠的掩膜版相比，圖形反轉工藝中的掩膜版是相反的圖形。其曝光劑量強烈影響著獲得的光刻膠輪廓形態(tài):

低曝光劑量

與光的穿透深度相比，光刻膠膜厚度越大，曝光劑量在深度方向的分布更為明顯。在低光劑量的情況下，襯底附近的光刻膠接收到的光比光刻膠表面少得多，在隨后的顯影過程中保持較高的可溶性，導致光刻膠的輪廓呈現(xiàn)出更明顯的底切。

如果曝光劑量過低，反轉烘烤步驟甚至不能使曝光區(qū)域表面的光刻膠發(fā)生轉變，這將會增加了顯影液的腐蝕率。因此，在顯影時光刻膠膜很薄很容易剝落，從而削弱了底切。

高曝光劑量

高曝光劑量時，曝光劑量在光刻膠深度方向上沒有變化，均勻曝透，從而在顯影后呈現(xiàn)出陡直側壁。

曝光劑量過高也會通過散射、衍射或反射曝光原本非曝光區(qū)域的光刻膠。因此，顯影后的光刻膠結構較設計值要大得多。在極端情況下，精細結構的顯影將變得越來越困難或不能實現(xiàn)。

圖1 不同曝光劑量下獲得的光刻膠輪廓形態(tài)

圖形反轉烘烤

光刻膠發(fā)生的變化

在圖形反轉烘烤步驟中，即對曝光后的光刻膠襯底進行加熱烘烤。因此，曝光區(qū)域的光刻膠將失去他們的顯影能力，而未曝光的區(qū)域保持光活性。最佳的烘烤參數(shù)取決于光刻膠和所需的輪廓形態(tài)，通常是110 – 130℃，持續(xù)幾分鐘，詳細信息可以在相應產品的技術數(shù)據(jù)表中找到。

烘烤參數(shù)的影響

較低的烘烤溫度(或/和較短的烘烤時間)主要改變了光刻膠表面充分曝光區(qū)域，因而形成明顯的漸變的底切結構。烘烤溫度(-時間) 過低，則會導致即使是在光刻膠表面充分曝光區(qū)域的光刻膠也不能發(fā)生光活性的變化，因此光刻膠在顯影液中強烈腐蝕，從而使光刻膠膜變薄，降低尺寸精度，并可能出現(xiàn)底切現(xiàn)象。

較高的烘烤溫度 (-時間) 也會改變弱曝光(襯底附近)的光刻膠區(qū)域，這會導致在顯影后獲得的光刻膠輪廓不能顯現(xiàn)出底切現(xiàn)象。

過高的烘烤溫度(-時間)會導致光刻膠中上為你曝光的光引發(fā)劑發(fā)生熱分解（如下圖2所示），這意味著在曝光后，光刻膠只能以較慢的速率進行顯影。

光刻膠膜中氣泡的形成

部分圖形反轉膠如AZ5214E圖形反轉膠的光引發(fā)法劑是基于DNQ的，這就導致在曝光的過程中會有氮氣被釋放。如果釋放的氮氣在曝光后沒有足夠的時間擴散出光刻膠膜，則可能會在光刻膠后烘過程中由于光刻膠的軟化而產生氣泡。這些氣泡只有在顯影夠的光刻膠斷面上看到類隕石坑狀的氣泡。

圖2 圖形反轉膠后烘溫度和時間對光引發(fā)劑的破壞情況

因此，在反轉烘烤步驟之前，讓曝光過程中形成的氮排出是非常重要的。這里所需的時間取決于光刻膠的種類和膠的厚度，一般來說在幾分鐘內(大約1到2um厚的光刻膠)到小時(>10um厚的光刻膠)的范圍內。正是由于這個原因，導致厚膠應用通常會考慮使用負膠來替代，因為有些負膠厚膠并不會在光刻過程中釋放氣體產生氣泡，也不需要花時間等待。

襯底和設備的影響

對于穩(wěn)定的反轉膠工藝，反轉烘烤溫度應保持在±1 – 2℃并保持規(guī)定時間。當在依靠熱對流的烘箱中烘烤時，這一條件是很難得到保證的，這就是為什么強烈建議后烘的過程需要用熱板完成。

當使用熱板時，在襯底表面(光刻膠膜底層)獲得的溫度分布對襯底的性質相關度很高。因此，當使用大批量或導熱性差的襯底時或者襯底與熱板之間有間隙時，應針對實際條件分別優(yōu)化圖形反轉烘烤的參數(shù)。

泛曝光

泛曝光的目的和建議的最小劑量

泛曝光過沉是在不使用掩膜的曝光過程，會對未暴露的光刻膠區(qū)域進行曝光，從而可以在后續(xù)的顯影過程被溶解顯影。

為了使光刻膠輪廓延伸到襯底，(襯底附近)光刻膠區(qū)域也應獲得足夠的曝光劑量。泛曝光的劑量過大并不會影響后續(xù)的工藝過程，因為第一次曝光的區(qū)域的光刻膠猶豫反轉烘烤已經不再感光。因此，我們建議泛曝光的劑量至少是在正膠工藝模式下曝光相同厚度的光刻膠膠膜所需要劑量的兩到三倍 。

圖3 光刻膠輪廓隨顯影時間的變化情況

特別是在厚膠的情況下(>3um膠厚)，在泛曝光時下面這些情況也要考慮同樣的事情，這也與后正膠的曝光相關:

由于光刻膠在反轉烘烤步驟后是不含水份，而DNQ基光刻膠的曝光過程是需要水的，因此在泛曝光前光刻膠也需時間進行再吸水過程。

由于泛曝光的曝光劑量較大，曝光過程中氮的釋放可能導致氣泡或裂紋的形成。

顯影

顯影速度

顯影速率主要取決于使用的光刻膠和反轉烘烤步驟的時間和溫度。

反轉烘烤的溫度越高、時間越長，光引發(fā)劑的熱分解率就越高。

在常規(guī)顯影液中，顯影速率 >1um/min是比較常見的，但并不是每款膠都是這樣的。

底切結構的形成

過顯的程度(光刻膠開始顯影到顯影完成的時間)對底切結構的形成有顯著地影響。如圖3所示，在充分顯影后，隨著顯影時間的延長，底切的程度會表現(xiàn)的更明顯。

對于實際應用中，建議30%的過顯是個比較合適的節(jié)點：在高深寬比的應用中，必須注意，過度的底切結構有可能會導致光刻膠漂膠。

足夠的光刻膠厚度

在使用方向性比較好的鍍膜方式中，鍍膜材料的厚度甚至可以大于光刻膠的厚度。因為，蒸發(fā)的材料在空隙區(qū)域上緩慢地生長在一起，從而襯底上生長的材料形成一個下面大上面小的梯形截面結構(圖4所示)。

圖4 圖形反轉膠在不同鍍膜厚度下的結構形態(tài)示意圖

然而，為了使剝離更加簡單，剝離后結構更加干凈，建議保持光刻膠的厚度遠高于所需蒸發(fā)的材料厚度。這對沒有方向性的濺射鍍膜更加適用，因為在濺射鍍膜中光刻膠的側壁總會被濺射上鍍膜材料，從而導致剝離困難。

當然，光刻膠厚度的上限往往是由所需的分辨率以及厚膠的工藝難度等因素共同決定的。

圖形反轉或者負膠？

與圖形反轉膠相比，負膠只能作為負膠來用。他不需要通過泛曝光的工藝，這會簡化光刻工藝。負膠的強交聯(lián)性也使得負膠在結構、熱以及化學穩(wěn)定性上比圖形反轉膠更加穩(wěn)定。圖形反轉膠在顯影液中是惰性的，而且在金屬化過程中是適度交聯(lián)的，這可以防止鍍膜的過程中光刻膠結構邊緣變圓。由于交聯(lián)特性，負膠也更難以剝離，特別是當前序工藝溫度超過130-140°C時。

常見圖形反轉膠

AZ 5124E

AZ5214E是一款高分辨率的圖形反轉薄膠，光刻膠厚度為1 – 2 μm。可通過稀釋獲得更薄的光刻膠層，但底切結構的獲得會變得困難：因為光會很容易穿透光刻膠層，光刻膠縱深方向的曝光劑量充分從而很難獲得底切結構。

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