Přednáška 7

FOTOLITOGRAFIE
Slovo litografie
Lithos = kámen
Grafein = psát
1678 - Alois Senefelder
vápenec, olejový obraz, kyselina
jako leptací prostředek
Hydrofóbní a hydrofilní části:
- hydrofóbní: originální obraz (voskem)
- hydrofilní: acidická arabská guma (penetruje vápenec)
narozen v Praze
Inkoust: na hydrofóbní části
- Prostorová (pseudo-2D) selektivita dána rozdílnými fyzikálními vlastnostmi
Fotolitografie (optická litografie, UV litografie)
- Využívá světla k přenosu obrazu z masky do fotocitlivého materiálu
(světlo mění vlastnosti fotocitlivého materiálu po expozici)
- Vyvolání: exponovaná a neexponovaná různé rozpustnosti v některých
rozpouštědlech
Fotocitlivé materiály, které se používají ve fotolitografii se nazývají
fotorezisty.
- Různě viskózní kapaliny, pevné fólie
Fotorezisty – základní materiály pro fotolitografii
materiály citlivé na některé druhy elektromagnetického záření
Pozitivní rezisty – exponované části se odleptají (ozářením
dochází k porušení vazeb polymerních řetězců)
» některé polymery na bázi DNQ-Novolak či polyimidové
Negativní rezisty – exponované části zůstávají (fotochemickou
reakcí dochází k zesíťování a vytvrzení)
» rezisty na bázi epoxidů, DNQ-Novolak, některé polyimidové
U některých rezistů může též během záření dojít ke změně
polarity jeho komponent:
hydrofilní molekuly
hydrofobní molekuly
Positive or negative?
Positive PR
Light breaks chemical bonds
Exposed area dissolved out
Negative PR
Light toughens chemical bonds
Exposed area remains
Image Reversal (only for
specific positive PRs)
Overdose of light + temp
process causes chemical bonds
to toughen
Introduction to Microelectronic
Fabrication (Jaeger)
Funkce fotorezistu: dočasná (chránící)
trvalá (součást zařízení)
Materiály pro mikrotechnologie – fotorezisty
Negativní fotorezist
(např. SU8)
Pozitivní fotorezist
(např. FOTURAN)
Positive Tone : Novolaks
http://www.chem.rochester.edu/~chem421/
•“Workhorse" photoresists of the modern microelectronic revolution
•Phenol-formaldehyde type polymers
•Soluble in aqueous base (slow)
•Novolak polymer (condensation product of cresol isomers and
formaldehyde = easily dissolved in basic solution) + diazonaphthaquinone
•Diazonaphthaquinone: photochemical Wolf rearrangement
•Produces a carboxylic acid
•The presence of carboxylic acid increases the dissolution rate by orders
of magnitude
Pozitivní fotorezist:
- Polymetylmetakrylát (X-rays, e-beam): štěpení polymerních
řetězců následkem expozice
Negative Tone
•Bisazide crosslinking
- "cyclized rubber" + additive (two azide groups)
- photocrosslinking
http://www.chem.rochester.edu/~chem421/
Negative Tone
•Poly(vinyl cinnamate)
- Cinnamate groups
- [2+2] cycloaddition by irradiation
- crosslinked polymer
http://www.chem.rochester.edu/~chem421/
- Chemical amplification
- Produkce katalyzátoru (iniciátoru) během osvitu
- Vlastní reakce během zahřátí
SU8: během osvitu vzniká lewisova báze,
ta katalyzuje polymeraci
při zahřívání
Proces fotolitografie
Technologie vytváření mikrostruktur
Fotolitografie
» klíčový proces při vytváření mikrostruktur
» přenesení dané struktury na povrch strukturovaného substrátu
Princip
» selektivní ozáření fotorezistu naneseného na povrch substrátu
» následné odstranění a odleptání exponovaných (PR), nebo
neexponovaných (NR) částí fotorezistu
Zařízení
» yellow room
» zařízení na nanášení tenkých vrstev
fotorezistu na substrát (spin coater)
»zařízení na vyrovnání masek (mask
aligner)
» chemický mokrý pracovní stůl
» pec
» cena 250 000 euro (ručně ovládané)
až 850 000 euro (plně automatizované)
yellow room
Cleanroom
http://isrc.snu.ac.kr/
- Class 100 : 100 particles (0.5m) in ft3
- Class 1000: 1000 particles
- HEPA (High Efficiency Particulate Air) filters
(http://clean-rooms.com/)
- V kubickém metru
Technologie vytváření mikrostruktur
Fotolitografie – hlavní kroky
1. čištění substrátu – odstranit veškeré nečistoty z povrchu substrátu (RCA
proces – tři po sobě jdoucí chemického čištění)
2. nanesení rezistu – nanesení fotosenzitivního polymeru na substrát (spin
coater)
3. expozice – vlastní ozáření fotosenzitivního polymeru: a) vytvoření primární
masky, b) osvit fotorezistu přes již připravenou masku s požadovaným vzorem
4. vývoj fotorezistu – odstranění nebo odleptání (chemické = odleptání,
fyzikální = vypařování, použití plasmy)
zařízení na čištění
substrátu
zařízení na vývoj
fotorezistu
zařízení na nanášení
vrstev fotorezistu
zařízení na seřizování
masek (mask aligner)
Photolithography process - example
1. Coat photo-sensitive polymer (photo resist: film) on Si (spin coating),
prebake to evaporate solvent
2. Align wafer to mask patterns in “mask aligner” (camera)
3. Expose photoresist to UV light through the mask
Pattern Transfer
Si substrate
Si substrate
4. Remove exposed PR in developer: Positive Photoresist (more popular)
Remove unexposed PR: Negative PR
5. Post bake, further hardness PR
http://specchem-apps.alliedsignal.com/prodcat/Pdfs/FLO/MSDS/hfaq49.pdf
Čištění substrátu a nanesení
fotorezistu
Surface : dry & very clean
- Aggressive chemical cleaning (acetone, piranha = H2SO4+H2O2)
- Dehydration baking (140C, 10 min)
Spin-coating
Pre-baking
- drying solvent after spin coating
- Softbaking: 1- 10 min @ 100-120 C < polymerization temp
(acetone removable)
Vytváření masek na generátoru
obrazců
Technologie vytváření mikrostruktur
Fotolitografie – generátor obrazců
Technologie vytváření mikrostruktur
Fotolitografie – vytváření primární masky
Generátor obrazců – pětiosý mikrolitograf
Technologie vytváření mikrostruktur
Fotolitografie – kopírování primární masky na
odolnější materiál (chromové masky)
Inverzní kopie masky – pozitivní rezist
Použití masek pro přenos
struktur do fotocitlivého materiálu
Optics Configurations
Resolution = k  / N.A. (state of the art = ~ 0.13 m, sometimes
below 50 nm)
k: production value (typically 0.4)
 : wave length
N.A. = the numerical aperture (NA) of an optical system is a
dimensionless number that characterizes the range of angles over
which the system can accept or emit light (sin(q)).
fast
slow
diffraction
Focal depth : +-  / NA2
The focal depth of focus restricts the thickness of the photoresist
and the depth of the topography on the wafer.
Hg Arc Lamp
g: 436 nm
h: 405 nm
i : 365 nm
Deep UV: 248 nm (KrF, HgXe)
krypton fluoride laser at 248 nm
argon fluoride laser at 193 nm
wavelength
Immerzní litografie
Intensity & Dose: machine dependent
Quintel: I=13 mW/cm2
Karl Suss: I=6.5 mW/cm2
Exposure time, t= E/ I=150 mJ/cm2/13 mW = 11.53 s
Přiložení masky před expozicí
Previous
pattern
Microscope view (split)
Alignment
mark
y
wafer
q
x
flat
Mask Aligner : Karl Suss
MA6 : Research
MA120 : Production
www.suss.com
Exposure Energy (typical)
Positive (UV): 50-150 mJ/cm2
Negative (UV): 20-30 mJ/cm2
PMMA Poly(methyl methacrylate) (UV): 500-1500 mJ/cm2
PMMA (X-ray): 500-1200 mJ/cm2
PMMA (e-beam): 2*10-4 C/cm2
Činnosti po osvitu
- Developing (photoresist removal – chemical or physical)
- Postbaking
~ 10 min @ 140 C > polymerization temp
Photoresist process : Typical recipe (AZ5214)
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Cleaning : Piranha, 10 min @ 90 deg C, blow dry
Wafer prebake : 20 min @ 140 degC, hotplate
Primer : HMDS vapor 3 min
Spin coating : 1 min @ 4000 rpm ~ 1.2 um
Softbake : 45 s @ 100 degC, hotplate
Exposure : I-line, 10-20 s, Karl Suss
Developer : AZ 400 K : DI water = 1:4, 30-50 s, stir
Rinse : > 10 min static water, > 1 min flowing water
Descum : 20s, Oxygen plasma @ 150 mmHg, 150 mW
Hardbake : 10 min @ 135 degC
Kombinované technologie
Technologie vytváření mikrostruktur
Kombinované technologie – Foturan
Foturan je fotocitlivé sklo (výrobce: Schott AG, http://www.schott.com);
speciální typ lithno-draselné skloviny s příměsí malého množství oxidů Ag a Ce:
SiO2 75–85 %
Al2O3 3–6 %
Sb2O3 0.3 %
Li2O 7–11 %
Na2O 1–2 %
Ag2O 0.1 %
K2O 3–6 %
ZnO 0–2 %
CeO 0.015 %
jejich přítomnost způsobuje,
že po ozáření a zahřátí sklo
změní svou strukturu
na částečně krystalickou
Foturan umožňuje vytváření mikrostruktur v několika krocích:
• návrh a výroba masky
• osvit UV zářením
• tepelné zpracování
• broušení a leštění
• leptání
• spojování
příklad masky (ø 10 cm)
detail testovacích
obrazců (1×1 cm)
Technologie vytváření mikrostruktur
Foturan – vytváření
mikrostruktur
I.
Maska: Cr na křemenném skle
II.
Osvit: UV ( = 290–330 nm,
energie cca 20 J/cm2)
III.
Tepelné zpracování dle
předepsané teplotní křivky
IV.
Broušení a leštění
V.
Leptání roztokem HF v ultrazvukové lázni (10%-ní HF,
exponované části se odleptávají cca 20× rychleji)
VI.
Spojování – např. tepelné
slinování (výhoda: výsledné
mikrozařízení je monoblok
s vlastnostmi skla)
Závislost transmisivity (T) Foturanu na vln. délce záření ()
600
t (°C)
400
200
0
0
5
10
t (hod)
15
Předepsaná teplotní křivka pro zpracování po UV expozici
Technologie vytváření mikrostruktur
Foturan – vytváření mikrostruktur
Technologie vytváření mikrostruktur
Foturan – příklady vyrobených mikrostruktur
Kanálek, šířka 500 m
Testovací struktura,
velikost 1 × 1 cm, průměr
nejmenších otvorů 50 m
Přepážka, tloušťka stěny 250 m
Technologie vytváření mikrostruktur
Kombinované technologie – LIGA
Kombinace několika dílčích technologických procesů:
» LI = Litographie
(litografie)
» G = Galvanoformung (pokovování)
» A = Abformung
otisk (replikace mikrostruktur v polymerech
pomocí kovové matrice)
Technologie vytváření mikrostruktur
Kombinované technologie – LIGA
Litografie, elektrodepozice a vtlačování zatepla
Technologie vytváření mikrostruktur
Mikrostruktury vytvořené procesem LIGA
systém pro připojení optického vlákna
soukolí
dvojité ozubené kolečko
testovací struktura
Technologie vytváření mikrostruktur
Kombinované technologie
Litografie (negativní rezist SU8) a odlévání
Beyond UV…
IEEE Spectrum (Jul. 1999)
Technologie vytváření mikrostruktur
RTG litografie (X-ray Lithography)
» rezist senzitivní na rentgenové záření je vystaven tomuto záření
přes masku s požadovaným vzorem
» nutnost kolineárního svazku paprsků RTG záření  synchrotron
» výhoda: nižší vlnová délka RTG záření  vyšší rozlišení
Synchrotron – zdroj rentgenového záření
Mikrostruktury vyrobené pomocí RTG litografie
X-Rays