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 - Class 100 : 100 particles (0.5 m) in ft 3 - Class 1000: 1000 particles - HEPA (High Efficiency Particulate Air) filters (http://clean-rooms.com/) http://isrc.snu.ac.kr/
- 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 Surface : dry & very clean fotorezistu - Aggressive chemical cleaning (acetone, piranha = H 2 SO 4 +H 2 O 2 ) - 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 : +- / NA 2 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/cm 2 Karl Suss: I=6.5 mw/cm 2 Exposure time, t= E/ I=150 mj/cm 2 /13 mw = 11.53 s
Přiložení masky před expozicí Previous pattern Microscope view (split) y Alignment mark wafer q x flat
Mask Aligner : Karl Suss MA6 : Research MA120 : Production www.suss.com
Exposure Energy (typical) Positive (UV): 50-150 mj/cm 2 Negative (UV): 20-30 mj/cm 2 PMMA Poly(methyl methacrylate) (UV): 500-1500 mj/cm 2 PMMA (X-ray): 500-1200 mj/cm 2 PMMA (e-beam): 2*10-4 C/cm 2
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: SiO 2 75 85 % Al 2 O 3 3 6 % Sb 2 O 3 0.3 % Li 2 O 7 11 % Na 2 O 1 2 % Ag 2 O 0.1 % K 2 O 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. III. IV. Osvit: UV ( = 290 330 nm, energie cca 20 J/cm 2 ) Tepelné zpracování dle předepsané teplotní křivky 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 dvojité ozubené kolečko soukolí 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