浅析负性显影技术

摘 要：负性显影作为近年来出现的显影技术，应用于半导体器件制造的光刻工艺中，通过使用特殊的溶剂使得图像反转，能够形成高分辨率的图案，在纳米级器件的制造方面具有广阔的应用前景。

关键词：负性显影，光刻，分辨率

中图分类号：N04；TN305；TN4 文献标识码：A 文章编号：1673-8578（2014）S1-0183-03

On Negative Tone Development

WANG Yan

Abstract：As a technology of developing which appeared in recent years， negative tone development is applied in lithography for fabricating the semiconductor device. It makes the pattern reversal by using special solvents， forms highresolution pattern， and has a wide future in application in the fabrication of nanoscale devices.

Keywords：negative tone development， lithography， resolution

收稿日期：2014-06-14

作者简介：王妍（1986—），女，硕士，国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心光电技术发明审查部审查员，审查领域为光化学领域。通信方式：wangyan_8@sipo.gov.cn。

引 言

光刻（lithography）技术是电子器件中电路结构制造的基本工艺，其通过在合适的衬底（例如硅片）上形成光刻胶（resist，也称为抗蚀剂、光阻等）薄膜，使用紫外线、X射线、电子束等辐射透过具有设计图形的掩膜对光刻胶薄膜进行曝光、显影以选择性地除去部分薄膜而暴露下层的衬底，该部分衬底在后续的蚀刻过程中被蚀刻，剩余的光刻胶薄膜则作为阻挡层，在蚀刻过程中保护被其覆盖的衬底，由此在衬底上形成所需的电路图形。

在显影工艺中，光刻胶由于暴露于辐射发生反应而在曝光区域和非曝光区域之间产生了溶解性上的差异，针对不同的光刻胶类型，通过选用不同的显影液，可以达到选择性地去除光刻胶薄膜从而进行图案化的目的。

一 负性显影技术的出现

目前，在半导体制造工业中通常使用的光刻胶分为正型和负型两种。曝光后，正型光刻胶的曝光区域溶解于显影液中，非曝光区域保留，得到的图像成为正性图像；而负型光刻胶的特性与正型光刻胶相反，其曝光区域由于发生交联变得不溶于显影液被保留，非曝光区域则被显影液除去，得到的图像成为负性图像。

随着电子技术的发展，电子元件的尺寸越来越小，提高元件的集成密度，形成具有纳米级特征尺寸的结构已逐渐成为半导体器件制造的主流趋势。传统的光刻胶组成成分和曝光显影工艺越来越无法满足高感光性和分辨率的要求，因此，迫切需要开发具有高分辨率的光刻胶和光刻工艺。在光刻胶组成成分方面，已经研发出通过向光刻胶组合物中添加光产酸剂（photo acid generator， PAG），使其在光照时产生酸，在酸的作用下，组合物中所含的碱不溶性基团转变为碱可溶性基团，增强光刻胶薄膜曝光区域在碱性显影液中的溶解性，以增大曝光区域与非曝光区域在碱性显影液中的溶解性差异来提高分辨率的化学放大正型光刻胶等[1]；在曝光工艺方面，已经研发出使用浸液曝光的方式，通过在成像设备与半导体衬底上的光刻胶层之间使用流体来提高分辨率的方法[2]。

近年来，在显影工艺方面，为了提高显影的分辨率，出现了针对正型光刻胶的负性显影（也可称为负色调显影，negative tone development， NTD）技术，一些电子及材料领域的知名公司例如罗门哈斯、陶氏、富士、IBM等均已开始致力于该项技术的研究并申请了该技术的相关专利[3-6]。

二 负性显影原理及与传统显影技术对比

负性显影技术是一种图像反转的显影技术，它与传统的显影技术相反，通过使用特殊的有机溶剂显影可以借由传统的正型光刻胶来得到负性的图像。该技术中所使用的光刻胶组合物含有树脂和光产酸剂，其中，树脂结构具有酸不稳定或者酸可裂解的有机基团，在曝光后的烘焙中，曝光区域在光产酸剂受到光照所产生的酸的作用下，树脂中的酸不稳定基团或酸可裂解基团断裂，由疏水性转变为亲水性，从而使得其在有机溶剂中的溶解度降低，而未曝光部分仍保持在有机溶剂中溶解度高的性质，因而在显影过程中能够被有机溶剂制成的显影液除去。因此，与传统正型光刻胶显影过程中曝光部分被溶解相反，该技术使得正型光刻胶在显影时非曝光部分被溶解，曝光部分得到保留。

传统的正型光刻胶显影所使用的显影液为碱性水溶液，常用的碱性物质有氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠等碱金属的无机碱，以及四甲基氢氧化铵（俗称TMAH）、四乙基氢氧化铵等铵类有机碱。与传统的正型光刻胶显影所使用的显影液不同，负性显影技术所使用的显影液由有机溶剂制成，常用的溶剂主要有酮类、醚类、酯类、醇类、烃类或酰胺类溶剂。

在酮类溶剂中，可以使用的有2-庚酮、4-庚酮、2-己酮、5-甲基-2-己酮、2-辛酮、2-壬酮、丙酮、环己酮、甲基环己酮、苯乙酮、乙酰基丙酮、甲基乙基酮、甲基异丁酮等。

在醚类溶剂中，可以使用的有乙二醇单甲醚、乙二醇单乙醚、二乙二醇单甲醚、三乙二醇单甲醚、三乙二醇单乙醚、二口恶烷、四氢呋喃等。

在酯类溶剂中，可以使用的有甲酸甲酯、甲酸乙酯、甲酸丙酯、甲酸丁酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸异丙酯、乙酸丁酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯、丙二醇单甲醚乙酸酯、乙二醇单乙醚乙酸酯、二乙二醇单乙醚乙酸酯、乳酸乙酯、乳酸丙酯、乳酸丁酯等。

在醇类溶剂中，可以使用的有甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇、异丁醇、正己醇、正庚醇、4-甲基-2-戊醇、乙二醇、二乙二醇、三乙二醇等。

在烃类溶剂中，可以使用的有戊烷、己烷、辛烷、甲苯、二甲苯等。

在酰胺类溶剂中，可以使用的有N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮等[4-6]。

上面所列举的有机溶剂可以选择单独使用或从中选择两种或两种以上混合来进行显影。此外，为了提高光刻胶的显影效果，也可以向显影液中加入少量的表面活性剂。

目前，负性显影技术可应用于干法或浸液光刻工艺中，相对于传统的显影技术来说，能够形成高分辨率的精细图案，显影过程可以在室温下进行，不需要复杂的工艺条件，并且，由于使用有机溶剂进行显影，有机溶剂对基板表面的有机物有良好的溶解性，使得显影后基板表面洁净度高，有机残留物少。

三 结 语

目前，由于光刻胶的材料选择等因素，负性显影技术在使用中还存在诸如显影后光刻胶厚度损耗较大、某些光刻胶可能出现图形桥接缺陷等缺点。通过优化显影条件、改进光刻胶组分等，负性显影技术将能够更广泛地应用于半导体器件的制造过程中，在纳米级尺寸元件的制作方面具有更加广阔的发展前景，促进电子器件的小型化、集成化。

参考文献

[1] 王春伟，李弘，朱晓夏.化学放大光刻胶高分子材料研究进展[J].高分子通报，2005（02）：70—80.

[2] 井科学.浸没系统环境控制和表面处理的研究[D].浙江大学.2007

[3] 国际商业机器公司.采用193nm沉浸式光刻的定向自组装方法以及由此形成的分层结构：中国，102656111A[P].2012-09-05.

[4] 罗门哈斯电子材料有限公司.光致抗蚀剂组合物以及形成光刻图案的方法.中国，102346371A[P].2012-02-08.

[5] 罗门哈斯电子材料有限公司， 陶氏环球技术有限公司.光刻胶组合物和形成光刻图案的方法.中国，102445848A[P].2012-12-26.

[6] 富士胶片株式会社.图案形成方法及抗蚀剂组成物.中国，102844710A[P].2012-12-26.