具有双重显影特性的多用途单分子树脂化学放大光刻胶

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.240036

摘要/Abstract

摘要：

化学放大光刻胶（CARs）由于其在分辨率和灵敏度方面的出色性能而广泛应用于光刻领域。本文报道了一种基于单分子树脂的多用途化学放大光刻胶SP8-PAG_AN，可同时用于365 nm光刻和电子束光刻。该体系主要由螺二芴结构的单分子树脂主体材料（SP-8Boc）和N-（三氟甲基磺酸酯基）蒽-1，9-二羧酰亚胺非离子型光致产酸剂（PAG_An）组成。测试了产酸剂PAG_AN在365 nm紫外光激发下的光致产酸效率Φ_H+为23%。研究了SP8-PAG_AN光刻胶的365 nm光刻和电子束光刻性能。 365 nm光刻中，分别利用四甲基氢氧化胺（TMAH，质量分数2.38%）水溶液和正己烷作为显影液，可实现1 μm正性和负性光刻图案。电子束光刻中，可实现50 nm Line/Space（L/S）的正性密集线条图案（曝光剂量110 μC/cm²），32 nm L/S的负性密集线条图案（曝光剂量40 μC/cm²）以及19 nm L/3S负性半密集线条图案（曝光剂量96 μC/cm²）。本研究工作提供了一种具有双重显影特性的多用途单分子树脂化学放大光刻胶的新范例。

关键词: 化学放大光刻胶, 双重显影, 单分子树脂, 365 nm光刻, 电子束光刻

Abstract:

Chemically amplified photoresists （CARs） are widely used in photolithography due to their excellent performance in resolution and sensitivity. This paper reports a CAR （SP8-PAG_AN） based on molecule glass of SP8-Boc and photo-acid generator of N-hydroxytrifluoromethylsulfonate anthracene-1，9-dicarboxyimide. The SP8-PAG_AN photoresist can be used for both 365 nm lithography and electron beam lithography （EBL）. The quantum efficiency of acid generation （ $Φ$ _H+） for the PAG_AN is 23% under 365 nm excitation. 1 μm positive and negative lithographic patterns can be achieved with SP8-PAG_AN photoresist by 365 nm lithography using tetramethylammonium hydroxide （TMAH， 2.38%） aqueous and n-hexane as developers， respectively. A positive 50 nm Line/Space （L/S） dense line pattern （dose 110 μC/cm²）， a 32 nm L/S negative dense line pattern （dose 40 μC/cm²）， and a 19 nm L/3S negative semi-dense line pattern （dose 96 μC/cm²） were achieved by EBL. This study provides a new example of a dual-tone CAR for multi-purpose lithography.

Key words: Chemically amplified photoresist, Dual-tone development, Molecular glass, 365 nm lithography, Electron beam lithography

中图分类号:

O664.2

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图/表 13

图1 PAGAN的合成路线图

Fig.1 Synthesis of PAGAN

图2 不同浓度PAGAN在乙腈溶液中的吸收光谱，插入图为PAGAN的乙腈溶液在365 nm处吸光度随浓度变化拟合曲线

Fig.2 Absorption spectra of PAGAN with different concentrations in acetonitrile， the inset shows the fitted curve of absorbance at 365 nm of PAGAN as a function of concentration

图3 罗丹明B乙腈溶液在不同三氟甲磺酸浓度下的吸收曲线；插图为罗丹明B在555 nm处的吸光度随酸浓度变化拟合曲线

Fig.3 Absorption spectra of rhodamine B in acetonitrile with different concentrations of trifluoromethanesulfonic acid； the inset shows the fitted curve of the absorbance at 555 nm of rhodamine B as a function of acid concentration

图4 PAGAN的TGA曲线

Fig.4 TGA curve of PAGAN

图5 SP8-PAGAN光刻胶（质量分数为5.0%PAGAN）薄膜的二维和三维图片

Fig.5 2D and 3D images of SP8-PAGAN photoresist film （a mass fration of 5.0%PAGAN）

图6 SP8-PAGAN光刻胶（5.0%、7.5%、10.0% PAGAN） 365 nm曝光对比度曲线

Fig.6 Contrast curves of SP8-PAGAN （5.0%， 7.5%， 10.0% PAGAN） photoresist exposed by 365 nm

表1 SP8-PAGAN光刻胶（5.0%、7.5%、10.0% PAGAN） 365 nm曝光对比度和灵敏度

Table 1 Contrasts and sensitivities of SP8-PAGAN photoresists （5.0%， 7.5%， 10.0% PAGAN） at 365 nm lithography

	5.0% PAG_AN	7.5% PAG_AN	10.0% PAG_AN
D₀/（mJ·cm^-2）	13.0	11.5	10.2
D₁₀₀/（mJ·cm^-2）	34.1	28.6	23.9
γ	2.38	2.52	2.70

图7 SP8-PAGAN光刻胶（10%PAGAN）在不同后烘和显影条件下的365 nm光刻图案A.post-baking temperature； B.post-baking time； C.development time

Fig.7 365 nm lithography post-processing process conditions screening of SP8-PAGAN photoresist （10%PAGAN）

图8 SP8-PAGAN光刻胶（5%、7.5%、10% PAGAN）的365 nm光刻图案

Fig.8 365 nm lithography patterns of SP8-PAGAN photoresists （5%， 7.5% and 10% PAGAN）

图9 SP8-PAGAN光刻胶（7.5%PAGAN） 365 nm曝光负显影对比度曲线图

Fig.9 Negative-tone development contrast curve of SP8-PAGAN photoresist （7.5%PAGAN） at 365 nm exposure

图10 SP8-PAGAN光刻胶（7.5% PAGAN）在不同后烘条件下形成1 μm光刻图案

Fig.10 SEM images of 1 μm pattern formed by SP8-PAGAN photoresist （7.5% PAGAN） at different post exposure bake conditions

图11 SP8-PAGAN光刻胶形成的50 nm L/S正性图案SEM图A.10%PAGAN； B.10%PAGAN and 5%TOA； C.10%PAGAN and 10%TOA

Fig.11 SEM images of 50 nm line/space patterns for SP8-PAGAN photoresist

图12 SP8-PAGAN光刻胶（7.5% PAGAN + 10% TOA）电子束光刻负性图案的SEM图A.32 nm L/S； B.30 nm L/S； C.19 nm L/3S

Fig.12 SEM image of electron beam lithographic patterns by SP8-PAGAN photoresist （7.5% PAGAN and 10% TOA）

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