Výroba mikrostruktur metodou UV litografie a mechanickým obráběním I. Úvod a. UV fotolitografie Fotolitografie je nejdůležitější částí výroby integrovaných obvodů, je také nejnákladnější. Roste totiž poptávka po stále menších a menších obvodech, což vyžaduje neustálý vývoj nových litografických nástrojů. Fotolitografie (z řeckého fós-světlo, lithos-kámen, grafein-psát, tedy kreslení světlem na kámen) je metoda přenášení vzorů na podložku (substrátu, waferu) pomocí světla (zpravidla UV). Pro přenos vzoru se využívá fotocitlivé látky, tzv. fotorezistu nanesené v tenké vrstvě na povrchu waferu. Fotorezist po expozici světlem mění svoji chemickou strukturu. Pokud při expozici dochází k chemickému zesíťování, je výsledná struktura mnohonásobně chemicky odolnější a jedná se o tzv. negativní fotorezist. V opačném případě vzniká v exponovaných částech látka, která zvyšuje rozpustnost fotorezistu v dané vývojce, takový fotorezist označujeme jako pozitivní. Takto lze poté fotorezist selektivně odstranit (vyvolat), čímž se dokončí přenos vzoru. Obr. 1: Porovnání expozice pozitivního a negativního rezistu, červenou barvou je znázorněn fotorezist. Obr. 2: Ukázka absorpčního spektra rezistu map-1275 dodávaného výrobcem (micro resist technology), svislé čáry znázorňují vlnovou délku spektrálních čar rtuťové výbojky. Vrstvu fotorezistu lze osvětlovat zdrojem světla (rentgen, UV světlo, infračervené světlo) přes tzv. fotomasku, která obsahuje požadovaný vzor a slouží jako stínítko, případně pomocí laseru. Nejčastěji se využívá světla o vlnové délce 350 450 nm. Při vyšších vlnových délkách je většina komerčně dostupných fotorezistů necitlivá na expozici, při nižších vlnových délkách dochází k silné přeexpozici. Osvitové systémy využívající fotomasky se dělí na kontaktní a projekční. V kontaktních systémech je maska v přímém kontaktu s vrstvou fotorezistu. Jeho výhodou je rychlost expozice, maska totiž pokrývá celý wafer. Existuje zde však nemalé riziko poškození fotomasky a waferu, proto se toto uspořádání v průmyslu zpravidla nepoužívá. 1 / 6
V projekčních systémech je maska umístěna v určité výšce nad povrchem fotorezistu. Nehrozí mechanické poškození masky a waferu. Vzor je promítán přes masku na malou část waferu a pomocí sofistikovaného polohovacího systému je vzor opakovaně přenášen po celé ploše waferu. Při použití laseru již není masky zapotřebí, vzor je laserem zapisován přímo do vrstvy fotorezistu, tzv. přímá fotolitografie. Obecně se dá říci, že doba expozice závisí na optických vlastnostech vrstvy fotorezistu, její tloušťce a výkonu zdroje světla. Optické vlastnosti fotorezistu jsou zpravidla předem dány, tloušťku vrstvy fotorezistu si volíme při nanášení (při koupi polotovaru je dána výrobcem). Pro daný zdroj světla tedy musíme experimentálně najít optimální dobu osvitu (Obr. 3), aby nedošlo k přeexponování fotorezistu (příliš dlouhý osvit) nebo podexponování fotorezistu (příliš krátký osvit). Podobná situace může nastat při vyvolávání fotorezistu. Převyvolat lze fotorezisty, jejichž fotocitlivost je založena na rozdílné rozpustnosti osvícené a neosvícené oblasti, rozpustnost se liší zpravidla o několik řádů. Znamená to, že dochází i k velmi velmi pomalému rozpouštění neosvícené části příliš dlouhý pobyt ve vývojce způsobí znehodnocení požadovaného vzoru. Obr. 3: Osvit fotorezistu: příliš dlouhý (a), optimální (b), příliš krátký (c) Rozlišení, tj. jak malé detaily lze přenášet, závisí především na vlnové délce použitého světla a tloušťce fotorezistu. Pro přenos velmi malých detailů je třeba použít světlo o malé vlnové délce (Obr. 4), tj. UV, EUV (extreme UV), rentgen. S klesající vlnovou délkou však rostou náklady na vývoj speciální optiky, která světlo o této vlnové délce nepohlcuje. Obr. 4: Rozlišení v závislosti na vlnové délce světla pro kontaktní expoziční systém pro různé tloušťky vrstvy fotorezistu (z) 2 / 6
Osvit laserem V laboratoři máte k dispozici CNC Computer Numeric Control) polohovací stůl s možností upnout laser nebo frézovací vřeteno. Základním jazykem pro většinu CNC (strojů je tzv. G-kód. Syntaxe je poměrně jednoduchá, zahrnuje jednopísmenné příkazy následované číselnou hodnotou. Příkladem může být například čtverec o délce strany 1 cm, pokud počáteční bod zvolíme ve středu zamýšleného čtverce. Parametr A zajišťuje, že laser bude svít jen, když kreslí motiv, ne při přejezdech apod. Hodnota A roste během pohybu laseru, pokud nastavíme A u dvou bodů stejně, nebude mezi těmito body laser svítit (viz obrázek). Příklad: A roste o 5 na každý 1 cm trajektorie. T1 F1 povinné S7000 M03 G0 X0.000 Y-5.000 Z-28.000 A0 G1 X0.000 Y-5.000 Z-30.000 A0 G1 X5.000 Y-5.000 Z-30.000 A2.5 G1 X5.000 Y5.000 Z-30.000 A7.5 G1 X-5.000 Y5.000 Z-30.000 A12.5 G1 X-5.000 Y-5.000 Z-30.000 A17.5 G1 X0.000 Y-5.000 Z-30.000 A20 G0 X0.000 Y-5.000 Z-28.000 A20 G4 X10 povinné nástroj 1 rychlost posuvu 1 mm/s otáčky směr otáčení rychlý posuv (G0) na souřadnice [0, -5, -28] posuv rychlostí 1 mm/s na souřadnice [0, -5, -30] posuv rychlostí 1 mm/s na souřadnice [5, -5, -30] rychlý posuv (G0) na souřadnice [0, -5, -10] pauza 10 s Soubor lze jednoduše vytvořit v programu Poznámkový blok, je nutné uložit jej s příponou.nc. b. Mechanické obrábění Při obrábění je vzor přenášen přímo mechanickým odebíráním materiálu (plast, hliník, ocel, grafit, atd.) pomocí ostrého rotujícího nástroje, frézky. Vzor lze přenášen manuálním posuvem frézky po zvoleném substrátu, jedná se o nejjednodušší, ale zároveň o nejméně přesnou variantu. Pokud chceme přenášet komplexní vzory s přesností v řádu jednotek mikrometrů, je nutné řídit pohyb frézky pomocí počítače, tzv. CNC (Computer Numeric Control). Na PC vytvoříme návrh frézovaných objektů, výsledné souřadnice pak přeneseme do frézky. PC [X, Y, Z] CNC frézka Počáteční bod zvolíme ve středu zamýšleného čtverce ve výšce Z ref nad povrchem frézovaného materiálu (Obr. 5) a začínáme frézovat ve středu spodní strany do hloubky H. Příklad: H = 1 mm, Z ref = 12mm, Z = -13. 3 / 6
T1 F3 povinné S7000 M03 G0 X0.000 Y-5.000 Z-10.000 G1 X0.000 Y-5.000 Z-13.000 G1 X5.000 Y-5.000 Z-13.000 G1 X5.000 Y5.000 Z-13.000 G1 X-5.000 Y5.000 Z-13.000 G1 X-5.000 Y-5.000 Z-13.000 G1 X0.000 Y-5.000 Z-13.000 G0 X0.000 Y-5.000 Z-10.000 nástroj 1 rychlost posuvu 1 mm/s otáčky směr otáčení rychlý posuv (G0) na souřadnice [0-5 -10] posuv rychlostí 1 mm/s na souřadnice [0-5 -13] posuv rychlostí 1 mm/s na souřadnice [5-5 -13] rychlý posuv (G0) na souřadnice [0-5 -10] Při frézování je třeba dbát na nastavení otáček frézy a rychlost posuvu. Při příliš velké rychlosti posuvu hrozí zlomení nástroje. Při příliš velkých otáčkách dochází k velké disipaci energie, frézovaný materiál se zahřívá. Při frézování plastů může tak dojít k zatavení nástroje do materiálu. Rozlišení této metody je limitováno velikostí frézky a její mechanickou odolností (prakticky max. 100 µm). Mikroobrábění je v podstatě klasická litografie, kdy dochází k přímému mechanickému přenosu vzoru na podložku. II. Obr. 5: Schéma nastavení souřadnice Z referenčního bodu a správné výsledné souřadnice Z v G-kódu tak, aby byla dosažena požadovaná hloubka frézování. Cíl práce (příklad, aktuální zadání je uvedeno v protokolu) a. Pomocí černého fixu nebo počítačového software a transparentní fólie přeneste libovolný vzor UV osvitkou na fotocuprextit, který obdržíte na začátku práce. b. Pomocí počítačem řízeného polohovacího stolu a laseru nakreslete na fotocuprextit jednoduchý vzor pomocí základních instrukcí pro řízení CNC strojů (G-kód). c. Stejný vzor vyfrézujte pomocí frézovací hlavy na stejném polohovacím stole s využitím stejných instrukcí. 4 / 6
III. Popis zařízení Generátor modulačního signálu Řídicí elektronika pro frézu Ovládání vřetena Hlavní spínač Polohovací stůl Řídicí elektronika laseru Zámek Hlavní spínač stolu Hlavní spínač UV osvitová jednotka START Nastavení času (s) 5 / 6
IV. Postup a. Na transparentní fólii nakreslete fixem libovolný vzor, tak aby se celý vešel na plochu cuprextitové destičky, kterou obdržíte na začátku práce. Sejměte z destičky modrou krycí fólii a přiložte fólii s nakresleným motivem a vložte do UV osvitové jednotky (pozn. světlo vychází ze spodní strany). Nastavte dobu osvitu dle protokolu, který jste obdrželi na začátku práce a přivolejte asistenta. Zapněte osvit. Vložte exponovaný cuprextit do vývojky (1,5% roztok NaOH) a vyvolávejte, dokud se bude viditelně rozpouštět fotorezist z exponovaných částí. Poté vložte cuprextit do již připravené leptací lázně (50 ml (NH4) 2S 2O 8, 10 ml H 2SO 4). Acetonem pak odstraňte zbylý fotorezist. Postup zopakujte s dodanou fotomaskou. b. V textovém editoru vytvořte příslušný G-kód pro laser/frézu, dodržujte souřadnici Z (tj. hloubku) podle protokolu. Spínačem (červená páčka) zapněte polohovací stůl a přeneste kód do ovládacího programu (Armote). Umístěte cuprextit na polohovací stůl. Zvolte si počáteční (referenční) bod, tak aby se na cuprextitovou destičku vešel vámi zvolený motiv a sejměte modrou krycí fólii. Pod dohledem asistenta zapněte generátor modulačního signálu. Zapněte laser červeným spínačem. Spusťte v ovládacím programu váš kód a zapněte modulační signál. Jakmile se laser vrátí do počáteční pozice, vypněte modulační signál a řídicí elektroniku pro laser. Poté postupujte stejně jako v předchozím bodě. c. Za dozoru asistenta vyměňte laser za frézovací vřeteno. Pro frézování použijte stejný G-kód, případně jej modifikujte. Parametry frézování jsou uvedeny v protokolu. Umístěte na polohovací stůl kolečko z PMMA, které dostanete na začátku práce. Nastavte referenční bod tak, abyste dodrželi hloubku frézování uvedenou v protokolu. Pod dohledem asistenta zapněte řídicí elektroniku frézy, zapněte vřeteno a nastavte otáčky dle protokolu. Spusťte frézování. Po dokončení frézování vypněte řídicí elektroniku frézy, AŽ POTÉ vyjměte PMMA kolečko z polohovacího stolu. Po skončení práce zavřete program Armote a vypněte polohovací stůl V TOMTO POŘADÍ. V. Bezpečnostní pokyny VI. VII. Při práci používejte ochranné pomůcky. Pracujete se zdrojem UV záření, které způsobuje poškození zraku, nedívejte se proto přímo do zdroje světla a používejte ochranné brýle. Zapnutí zdrojů UV světla provádějte POUZE pod dohledem asistenta! Pokud je zapnuté frézovací vřeteno, nesahejte do prostoru polohovacího stolu! Zpracování dat Všechny čtyři destičky přiložte k protokolu a protokol odevzdejte, nebo vyfoťte a protokol zašlete po dohodě asistentovi e-mailem. Zhodnoťte jednotlivé způsoby přenosu vzoru z hlediska přesnosti, rozlišení, složitosti, apod. Kontrolní otázky 1) Co je to fotolitografie? 2) Jaké je základní dělení fotorezistů a na jakém principu fungují? 3) Lze pro osvit daného fotorezistu použít libovolný zdroj světla? 4) K čemu se používá fotomaska? 5) Jaké typy projekčních systémů využívajících fotomasky znáte? 6) Lze přenášet vzory do fotorezistu i bez použití fotomasky? 7) Je nutné dodržet dobu osvitu fotocitlivé vrstvy? 8) Je nutné dodržet dobu vyvolávání fotocitlivé vrstvy? 9) Na čem závisí rozlišení mikroobrábění? 10) Na co je třeba dávat pozor při frézování plastů? 6 / 6