Fotorezyst - Photoresist

Fotorezystu (znany również jako po prostu opierać ) jest materiał światłoczuły stosowany w różnych procesach, takich jak fotolitografia i fotochemigrafia , w celu utworzenia powłoki ukształtowaną na powierzchni. Ten proces ma kluczowe znaczenie w przemyśle elektronicznym .

Proces rozpoczyna się od pokrycia podłoża światłoczułym materiałem organicznym. Następnie na powierzchnię nakładana jest wzorzysta maska, aby blokować światło, tak aby tylko niezamaskowane obszary materiału były wystawione na działanie światła. Następnie na powierzchnię nakłada się rozpuszczalnik zwany wywoływaczem. W przypadku pozytywowej fotorezystu materiał światłoczuły jest degradowany przez światło, a wywoływacz rozpuszcza obszary, które były wystawione na działanie światła, pozostawiając powłokę, w której została umieszczona maska. W przypadku negatywu fotorezystu światłoczuły materiał jest wzmacniany (spolimeryzowany lub usieciowany) światłem, a wywoływacz rozpuszcza tylko te obszary, które nie były wystawione na działanie światła, pozostawiając powłokę w miejscach, w których maska ​​była nie umieszczony.

Fotorezyst fotolitografii

Powłoka BARC (Bottom Anti-Reflectant Coating) może być nałożona przed nałożeniem fotorezystu, aby uniknąć odbić pod fotorezystem i poprawić działanie fotorezystu w mniejszych węzłach półprzewodnikowych.

Definicje

Pozytywny fotorezyst

Pozytywny przykład fotorezystu, którego rozpuszczalność zmieniłaby się pod wpływem fotogenerowanego kwasu. Kwas odbezpiecza tert -butoksykarbonyl (t-BOC), indukując odporność z nierozpuszczalnych zasad na rozpuszczalne w alkaliach. Był to pierwszy rezystor wzmacniany chemicznie stosowany w przemyśle półprzewodników, wynaleziony przez Ito, Willsona i Frecheta w 1982 roku.
Przykład fotomaski jednoskładnikowej pozytywnej

Dodatni fotorezystu jest typu fotorezystu, w którym część maski fotolitograficznej, która jest narażona na światło staje się rozpuszczalna wywoływacza fotorezystu. Nienaświetlona część fotorezystu pozostaje nierozpuszczalna dla wywoływacza fotorezystu.

Negatywna fotorezyst

Negatywne fotomaski jest typu fotorezystu, w którym część maski fotolitograficznej, która jest narażona na światło staje się nierozpuszczalny w wywoływacza fotorezystu. Nienaświetlona część fotorezystu jest rozpuszczana przez wywoływacz fotorezystu.

Sieciowanie kauczuku poliizoprenowego za pomocą fotoreaktywnego dwuzydu jako negatywowej fotorezystu
Rodnikowa polimeryzacja i sieciowanie monomeru akrylanu jako fotorezystu negatywowego

Różnice między pozytywną i negatywną odpornością

Poniższa tabela jest oparta na uogólnieniach, które są ogólnie akceptowane w przemyśle wytwarzania systemów mikroelektromechanicznych (MEMS) .

Charakterystyka Pozytywny Negatywny
Przyczepność do krzemu Targi Doskonały
Względny koszt Droższe Tańszy
Baza programistów Wodny Organiczny
Rozpuszczalność w wywoływaczu Odsłonięty obszar jest rozpuszczalny Odsłonięty obszar jest nierozpuszczalny
Minimalna funkcja 0,5 µm 2 µm
Pokrycie kroku Lepszy Niższy
Odporność chemiczna na mokro Targi Doskonały

Rodzaje

W oparciu o budowę chemiczną fotorezystów można je podzielić na trzy typy: fotopolimeryczne, fotoskładowe, fotosieciowane fotorezyst.

Fotopolimerowy fotorezyst to rodzaj fotorezystu, zwykle monomer allilowy, który może wytwarzać wolne rodniki po wystawieniu na działanie światła, a następnie inicjuje fotopolimeryzację monomeru w celu wytworzenia polimeru. Fotopolimerowe fotorezysty są zwykle stosowane jako negatywowe fotorezysty, np. Metakrylan metylu.

Fotopolimeryzacja monomerów metakrylanu metylu pod wpływem promieniowania UV prowadząca do polimeru

Fotorezyst rozkładający się na światło to rodzaj fotorezystu, który pod wpływem światła wytwarza hydrofilowe produkty. Fotoodkładające się fotorezysty są zwykle używane do pozytywowej fotorezystu. Typowym przykładem jest azydek chinon, np. Diazonaftachinon (DQ).

Fotoliza dizonaftochinonu, która prowadzi do znacznie bardziej polarnego środowiska, które pozwala wodnej bazie na rozpuszczenie polimeru typu bakelitu.

Fotorezyst fotosieciowany to rodzaj fotorezystu, który może sieciować łańcuch po łańcuchu pod wpływem światła, tworząc nierozpuszczalną sieć. Fotorezyst fotosieciowany jest zwykle używany do fotorezystu negatywowego.

Struktura chemiczna SU-8 (pojedyncza cząsteczka zawiera 8 grup epoksydowych)
Mechanizm SU-8 do negatywowego fotorezystu

Polimery pozatechiometryczne tioloenowe (OSTE)

W przypadku samoorganizującej się jednowarstwowej fotorezystu SAM najpierw SAM jest formowany na podłożu przez samoorganizację . Następnie ta powierzchnia pokryta SAM jest naświetlana przez maskę, podobną do innych fotorezystów, która generuje próbkę z fotokomórką w napromieniowanych obszarach. I na koniec do usunięcia zaprojektowanej części używany jest wywoływacz (może być stosowany zarówno jako fotorezyst pozytywny, jak i negatywowy).

Źródła światła

Absorpcja przy UV i krótszych długościach fal

W litografii najbardziej efektywnym sposobem uzyskania wyższej rozdzielczości jest zmniejszenie długości fali źródła światła. Fotomaski są najczęściej stosowane przy długościach fal w widmie ultrafioletowym lub krótszych (<400 nm). Na przykład diazonaftochinon (DNQ) silnie absorbuje od około 300 nm do 450 nm. Pasma absorpcji można przypisać przejściom n-π * (S0 – S1) i π-π * (S1 – S2) w cząsteczce DNQ. W widmie głębokiego ultrafioletu (DUV) przejście elektronowe π-π * w chromoforach z wiązaniem podwójnym benzenu lub węgla pojawia się przy około 200 nm. Ze względu na pojawienie się większej liczby możliwych przejść absorpcji obejmujących większe różnice energii, absorpcja ma tendencję do wzrostu wraz z krótszą długością fali lub większą energią fotonu . Fotony o energiach przekraczających potencjał jonizacji fotorezystu (w roztworach skondensowanych może wynosić nawet 5 eV) mogą również uwalniać elektrony, które są zdolne do dodatkowej ekspozycji fotorezystu. W zakresie od około 5 eV do około 20 eV głównym mechanizmem absorpcji jest fotojonizacja elektronów z zewnętrznego „ pasma walencyjnego ”. Powyżej 20 eV wewnętrzna jonizacja elektronów i przejścia Augera stają się ważniejsze. Absorpcja fotonów zaczyna się zmniejszać, gdy zbliżamy się do obszaru promieniowania rentgenowskiego, ponieważ mniej przejść Augera między głębokimi poziomami atomowymi jest dozwolonych dla wyższej energii fotonów. Zaabsorbowana energia może napędzać dalsze reakcje i ostatecznie rozproszyć się w postaci ciepła. Jest to związane z odgazowaniem i zanieczyszczeniem fotorezystem.

Ekspozycja wiązką elektronów

Fotorezyst można również naświetlać wiązkami elektronów, uzyskując takie same wyniki, jak naświetlanie światłem. Główna różnica polega na tym, że podczas gdy fotony są absorbowane, odkładając całą swoją energię na raz, elektrony stopniowo deponują swoją energię i rozpraszają się w fotorezystie podczas tego procesu. Podobnie jak w przypadku fal o wysokiej energii, wiele przejść jest wzbudzanych przez wiązki elektronów, a ogrzewanie i odgazowywanie nadal stanowią problem. Energia dysocjacji dla wiązania CC wynosi 3,6 eV. Elektrony wtórne generowane przez pierwotne promieniowanie jonizujące mają energię wystarczającą do dysocjacji tego wiązania, powodując rozszczepienie. Ponadto niskoenergetyczne elektrony mają dłuższy czas oddziaływania fotorezystu ze względu na ich mniejszą prędkość; zasadniczo elektron musi znajdować się w stanie spoczynku w stosunku do cząsteczki, aby zareagować najsilniej poprzez dysocjacyjne przyłączenie elektronu, w którym elektron spoczywa na cząsteczce, odkładając całą swoją energię kinetyczną. Powstałe rozszczepienie rozbija oryginalny polimer na segmenty o niższej masie cząsteczkowej, które łatwiej rozpuszczają się w rozpuszczalniku, lub też uwalnia inne związki chemiczne (kwasy), które katalizują dalsze reakcje rozszczepienia (patrz dyskusja na temat chemicznie amplifikowanych oporników poniżej). Nie jest powszechne wybieranie fotorezystów do naświetlania wiązką elektronów. Litografia wiązką elektronów zwykle opiera się na rezystorach przeznaczonych specjalnie do naświetlania wiązką elektronów.

Parametry

Właściwości fizyczne, chemiczne i optyczne fotorezystów wpływają na ich dobór do różnych procesów.

  • Rozdzielczość to możliwość różnicowania sąsiednich cech podłoża. Wymiar krytyczny (CD) jest główną miarą rozdzielczości.

Im mniejszy jest wymiar krytyczny, tym wyższa byłaby rozdzielczość.

  • Kontrast to różnica między częścią odsłoniętą a częścią nienaświetloną. Im wyższy kontrast, tym bardziej oczywista byłaby różnica między częściami naświetlonymi i nienaświetlonymi.
  • Czułość to minimalna energia wymagana do wytworzenia dobrze zdefiniowanej cechy fotorezystu na podłożu, mierzona w mJ / cm 2 . Czułość fotorezystu jest ważna w przypadku stosowania głębokiego ultrafioletu (DUV) lub ekstremalnego ultrafioletu (EUV).
  • Lepkość jest miarą wewnętrznego tarcia płynu, wpływającą na łatwość jego przepływu. Gdy zachodzi potrzeba wytworzenia grubszej warstwy, preferowany będzie fotorezyst o wyższej lepkości.
  • Adhezja to siła adhezji między fotorezystem a podłożem. Jeśli warstwa ochronna spadnie z podłoża, niektórych elementów będzie brakować lub zostaną one uszkodzone.
  • Anti-trawienie to zdolność fotorezystu do wytrzymania wysokiej temperatury, środowiska o różnym pH lub bombardowania jonami w procesie po modyfikacji.
  • Napięcie powierzchniowe to napięcie wywoływane przez ciecz, które ma na celu zminimalizowanie jej pola powierzchni, co jest spowodowane przyciąganiem cząstek w warstwie powierzchniowej. Aby lepiej zwilżyć powierzchnię podłoża, fotomaski muszą mieć stosunkowo niskie napięcie powierzchniowe.

Pozytywny fotorezyst

DNQ- nowolakowa Fotorezyst

Jeden bardzo powszechny pozytywny fotorezyst stosowany z liniami I, G i H z lampy rtęciowej jest oparty na mieszaninie diazonaftochinonu (DNQ) i żywicy nowolakowej ( żywica fenolowo-formaldehydowa). DNQ hamuje rozpuszczanie żywicy nowolakowej, ale pod wpływem światła szybkość rozpuszczania wzrasta nawet powyżej czystego nowolaku. Mechanizm, dzięki któremu nienaświetlony DNQ hamuje rozpuszczanie nowolaku, nie jest dobrze poznany, ale uważa się, że jest związany z wiązaniem wodorowym (a dokładniej diazoprzęganiem w obszarze nienaświetlonym). Oporniki DNQ-nowolak powstają przez rozpuszczenie w roztworze zasadowym (zwykle 0,26 N wodorotlenku tetrametyloamoniowego (TMAH) w wodzie).

Negatywna fotorezyst

Polimer na bazie epoksydu

Jeden z bardzo powszechnych negatywowych fotorezystów oparty jest na polimerze na bazie epoksydu. Wspólna nazwa produktu jest SU-8 fotorezystu i został pierwotnie wynalezione przez IBM , ale jest obecnie sprzedawany przez MICROCHEM i Gersteltec . Jedną z unikalnych właściwości SU-8 jest to, że bardzo trudno go zdjąć. W związku z tym jest często używany w zastosowaniach, w których wymagany jest trwały wzór odporności (taki, którego nie można usunąć i może być nawet używany w trudnych warunkach temperaturowych i ciśnieniowych) dla urządzenia. Mechanizm polimeru epoksydowego przedstawiono w 1.2.3 SU-8.

Polimer tiolenów pozastechiometrycznych (OSTE)

W 2016 roku wykazano, że polimery OSTE posiadają unikalny mechanizm fotolitografii, oparty na zubożeniu monomeru wywołanym dyfuzją, co zapewnia wysoką dokładność fotostrukturyzacji. Materiał polimerowy OSTE został pierwotnie wynaleziony w Królewskim Instytucie Technologii KTH , ale obecnie jest sprzedawany przez Mercene Labs . Podczas gdy materiał ma właściwości podobne do SU8, OSTE ma tę szczególną zaletę, że zawiera reaktywne cząsteczki powierzchniowe, co czyni ten materiał atrakcyjnym do zastosowań mikroprzepływowych lub biomedycznych.

Aplikacje

Druk mikrokontaktowy

Druk mikrokontaktowy został opisany przez Whitesides Group w 1993 roku. Generalnie w tej technice stempel elastomerowy jest używany do generowania dwuwymiarowych wzorów poprzez drukowanie cząsteczek „tuszu” na powierzchni stałego podłoża.

Tworzenie mastera PDMS
RightInking and contact process

Krok 1 dla druku mikrokontaktowego. Schemat tworzenia stempla wzorcowego z polidimetylosiloksanu ( PDMS ). Krok 2 dla druku mikrokontaktowego Schemat procesu farbowania i kontaktowego mikrodruku litografii.

Płytki drukowane

Produkcja płytek drukowanych jest jednym z najważniejszych zastosowań fotorezystu. Fotolitografia pozwala na szybkie, ekonomiczne i dokładne odtworzenie złożonego okablowania systemu elektronicznego, tak jakby spływał z prasy drukarskiej. Ogólny proces polega na nałożeniu fotorezystu, wystawieniu obrazu na działanie promieni ultrafioletowych, a następnie wytrawieniu w celu usunięcia podłoża pokrytego miedzią.

Płytka drukowana-4276

Wzornictwo i wytrawianie podłoży

Obejmuje to specjalistyczne materiały fotoniczne, systemy mikroelektromechaniczne ( MEMS ), szklane płytki drukowane i inne zadania związane z mikrowzorem . Fotorezyst nie jest trawiony przez roztwory o pH większym niż 3.

Wspornik mikroelektryczno-mechaniczny wytwarzany metodą fototrawienia

Mikroelektronika

Ta aplikacja, stosowana głównie do płytek krzemowych / krzemowych układów scalonych, jest najbardziej rozwiniętą z technologii i najbardziej wyspecjalizowaną w tej dziedzinie.

12-calowa płytka krzemowa może pomieścić setki lub tysiące kości z układem scalonym

Zobacz też

Bibliografia