Slovo litografie
Lithos = kámen
Grafein = psát
1678 - Alois Senefelder
narozen v Praze
vápenec, olejový obraz, kyselina
jako leptací prostředek
Hydrofóbní a hydrofilní části:
- hydrofóbní: originální obraz (voskem)
- hydrofilní: acidická arabská guma (penetruje vápenec)
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
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
Fotorezisty – základní materiály pro fotolitografii
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
Positive or negative?
Introduction to Microelectronic
Fabrication (Jaeger)
Materiály pro mikrotechnologie – fotorezisty
Pozitivní fotorezist (např. FOTURAN)
Negativní fotorezist (např. SU8)
Positive Tone : Novolaks
•“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
http://www.chem.rochester.edu/~chem421/
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/
SU8: během osvitu vzniká lewisova báze,
ta katalyzuje polymeraci
při zahřívání
- Chemical amplification
- Produkce katalyzátoru (iniciátoru) během osvitu
- Vlastní reakce během zahřátí
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
Technologie vytváření mikrostruktur
- Class 100 : 100 particles (0.5m) in ft3
- Class 1000: 1000 particles
- HEPA (High Efficiency Particulate Air) filters
(http://clean-rooms.com/)
Cleanroom
http://isrc.snu.ac.kr/
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 nanášení
vrstev fotorezistu
zařízení na seřizování
masek (mask aligner)
zařízení na vývoj
fotorezistu
Fotolitografie – hlavní kroky
Technologie vytváření mikrostruktur
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
Si substrate
4. Remove exposed PR in developer: Positive Photoresist (more popular)
Remove unexposed PR: Negative PR
5. Post bake, further hardness PR
Si substrate
Pattern Transfer
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 (140C, 10 min)
Spin-coating
Pre-baking
- drying solvent after spin coating
- Softbaking: 1- 10 min @ 100-120 C < polymerization temp
(acetone removable)
Fotolitografie – vytváření primární masky
Technologie vytváření mikrostruktur
Generátor obrazců – pětiosý mikrolitograf
Fotolitografie – kopírování primární masky na odolnější materiál (chromové masky)
Technologie vytváření mikrostruktur
Inverzní kopie masky – pozitivní rezist
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)).
Focal depth : +- / NA2
The focal depth of focus restricts the thickness of the photoresist
and the depth of the topography on the wafer.
fast slow diffraction
Hg Arc Lamp g: 436 nm
h: 405 nm
i : 365 nm
Deep UV: 248 nm (KrF, HgXe)
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
krypton fluoride laser at 248 nm
argon fluoride laser at 193 nm
wavelength
Immerzní litografie
Přiložení masky před expozicí
Alignment
mark
Previous
pattern
x
y
q
wafer
flat
Microscope view (split)
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
- Developing (photoresist removal – chemical or physical)
- Postbaking
~ 10 min @ 140 C > polymerization temp
Činnosti po osvitu
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
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
Kombinované technologie – Foturan
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 ultra- zvukové lázni (10%-ní HF, exponované části se odleptá- vají cca 20× rychleji)
VI. Spojování – např. tepelné slinování (výhoda: výsledné mikrozařízení je monoblok s vlastnostmi skla)
Závislost transmisivity (T) Foturanu na vln. délce záření ()
0
200
400
600
0 5 10 15
t (°C)
t (hod)
Předepsaná teplotní křivka pro zpracování po UV expozici
Technologie vytváření mikrostruktur
Foturan – příklady vyrobených mikrostruktur
Testovací struktura,
velikost 1 × 1 cm, průměr
nejmenších otvorů 50 m
Kanálek, šířka 500 m
Přepážka, tloušťka stěny 250 m
Technologie vytváření mikrostruktur
Technologie vytváření mikrostruktur
Kombinované technologie – LIGA
Kombinace několika dílčích technologických procesů:
» LI = Litographie (litografie)
» G = Galvanofor- mung (pokovování)
» A = Abformung otisk (replikace mikro- struktur v polymerech pomocí kovové matrice)
Technologie vytváření mikrostruktur
Kombinované technologie – LIGA
Litografie, elektrodepozice a vtlačování zatepla
systém pro připojení optického vlákna dvojité ozubené kolečko
soukolí testovací struktura
Technologie vytváření mikrostruktur
Mikrostruktury vytvořené procesem LIGA
Technologie vytváření mikrostruktur
Kombinované technologie
Litografie (negativní rezist SU8) a odlévání
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
Mikrostruktury vyrobené pomocí RTG litografie Synchrotron – zdroj rentgenového záření
Technologie vytváření mikrostruktur