Fotorezist - Photoresist
Fotorezistu (rovněž známý jednoduše jako odolat ) je materiál, citlivý na světlo použit v několika procesech, jako je například fotolitografie a chemigrafie , pro vytvoření vzorovaného povlaku na povrchu. Tento proces je v elektronickém průmyslu zásadní .
Proces začíná potažením substrátu organickým materiálem citlivým na světlo. Potom se na povrch aplikuje vzorovaná maska, která blokuje světlo, takže světlu budou vystaveny pouze nemaskované oblasti materiálu. Poté se na povrch nanese rozpouštědlo, které se říká vývojka. V případě pozitivního fotorezistu je fotocitlivý materiál degradován světlem a vývojka rozpustí oblasti, které byly vystaveny světlu, a zanechá po sobě povlak, kde byla umístěna maska. V případě negativního fotorezistu je fotocitlivý materiál zesílen (polymerován nebo zesítěn) světlem a vývojka rozpustí pouze oblasti, které nebyly vystaveny světlu, přičemž v oblastech, kde byla maska, zůstal povlak není umístěn.
Před nanesením fotorezistu lze nanést vrstvu BARC (spodní antireflexní povlak), aby nedocházelo k odrazům pod fotorezistem a aby se zlepšil výkon fotorezistu v menších polovodičových uzlech.
Definice
Pozitivní fotorezist
Pozitivní fotorezist je typ fotorezist, v níž je část fotorezistu, která je vystavena světlu se stává rozpustným do fotorezistu developera. Neexponovaná část fotorezistu zůstává nerozpustná pro vývojku fotorezistu.
Negativní fotorezist
Negativní fotorezist je typ fotorezist, v níž je část fotorezistu, která je vystavena světlu se stává nerozpustnou do fotorezistu developera. Neexponovaná část fotorezistu je rozpuštěna vývojářem fotorezistu.
Rozdíly mezi kladným a záporným odporem
Následující tabulka je založena na generalizacích, které jsou obecně přijímány v odvětví výroby mikroelektromechanických systémů (MEMS) .
| Charakteristický | Pozitivní | Záporný |
| Přilnavost na křemík | Veletrh | Vynikající |
| Relativní náklady | Dražší | Levnější |
| Vývojářská základna | Vodný | Organické |
| Rozpustnost ve vývojáři | Vystavená oblast je rozpustná | Vystavená oblast je nerozpustná |
| Minimální funkce | 0,5 um | 2 um |
| Krokové pokrytí | Lepší | Dolní |
| Mokrá chemická odolnost | Veletrh | Vynikající |
Typy
Na základě chemické struktury fotorezistů je lze rozdělit do tří typů: fotopolymerní, fotokompozitní, fotosíťovací fotorezist.
Fotopolymerní fotorezist je typ fotorezistu, obvykle allylového monomeru, který může při vystavení světlu generovat volné radikály a poté iniciuje fotopolymerizaci monomeru za vzniku polymeru. Fotopolymerní fotorezisty se obvykle používají pro negativní fotorezisty, např. Methylmethakrylát.
Fotoodporový fotorezist je typ fotorezistu, který pod světlem generuje hydrofilní produkty. Fotoodporové fotorezisty se obvykle používají pro pozitivní fotorezist. Typickým příkladem je azid chinon, např. Diazonaftaquinon (DQ).
Fotosíťovací fotorezist je typ fotorezistu, který může při vystavení světlu zesíťovat řetězec po řetězci a generovat tak nerozpustnou síť. Fotorezistující fotorezist se obvykle používá pro negativní fotorezist.
Off-Stechiometry Thiol-Enes (OSTE) polymery
U samostatně sestaveného jednovrstvého fotorezistu SAM se nejprve vytvoří SAM na substrátu vlastní sestavou . Poté je tento povrch pokrytý SAM ozářen maskou, podobně jako u jiného fotorezistu, který v ozářených oblastech generuje vzorek se vzorkem. A nakonec se vývojář používá k odstranění navržené části (lze použít jako pozitivní nebo negativní fotorezist).
Světelné zdroje
Absorpce při UV a kratších vlnových délkách
V litografii je snížení vlnové délky světelného zdroje nejúčinnějším způsobem, jak dosáhnout vyššího rozlišení. Fotorezistory se nejčastěji používají při vlnových délkách v ultrafialovém spektru nebo kratších (<400 nm). Například diazonaftochinon (DNQ) absorbuje silně od přibližně 300 nm do 450 nm. Absorpční pásma lze přiřadit k přechodům n-π * (S0 – S1) a π-π * (S1 – S2) v molekule DNQ. V hlubokém ultrafialovém spektru (DUV) se elektronový přechod π-π * v chromoforech s dvojnou vazbou na benzenu nebo uhlíku objevuje kolem 200 nm. Kvůli objevení se více možných přechodů absorpce zahrnujících větší energetické rozdíly má absorpce tendenci stoupat s kratší vlnovou délkou nebo větší energií fotonu . Fotony s energiemi převyšujícími ionizační potenciál fotorezistu (u kondenzovaných roztoků může být až 5 eV) mohou také uvolňovat elektrony, které jsou schopné dodatečné expozice fotorezistu. Od přibližně 5 eV do přibližně 20 eV je hlavním absorpčním mechanismem fotoionizace vnějších „ valenčních pásem “ elektronů. Nad 20 eV se stává důležitější ionizace vnitřních elektronů a Augerovy přechody. Absorpce fotonů se začíná snižovat s přiblížením rentgenové oblasti, protože pro vyšší energii fotonu je povoleno méně Augerových přechodů mezi hlubokými atomovými hladinami. Absorbovaná energie může řídit další reakce a nakonec se rozptýlí jako teplo. To je spojeno s odplyňováním a znečištěním fotorezistem.
Expozice elektronovým paprskem
Fotorezistory mohou být také vystaveny elektronovými paprsky, což přináší stejné výsledky jako expozice světlem. Hlavní rozdíl spočívá v tom, že zatímco fotony jsou absorbovány a ukládají veškerou svou energii najednou, elektrony ukládají svou energii postupně a během tohoto procesu se rozptylují ve fotorezistenci. Stejně jako u vysokoenergetických vlnových délek je mnoho přechodů buzeno elektronovými paprsky a stále je problém s ohřevem a odplyňováním. Disociační energie pro CC vazbu je 3,6 eV. Sekundární elektrony generované primárním ionizujícím zářením mají energie dostatečné k oddělení této vazby, což způsobuje štěpení. Nízkoenergetické elektrony mají navíc delší dobu interakce fotorezistu kvůli své nižší rychlosti; v podstatě musí být elektron v klidu vzhledem k molekule, aby mohl nejsilněji reagovat prostřednictvím disociativního připojení elektronů, kde elektron spočívá v molekule a ukládá veškerou svou kinetickou energii. Výsledná štěpení rozbije původní polymer na segmenty s nižší molekulovou hmotností, které se snadněji rozpustí v rozpouštědle, nebo uvolní jiné chemické látky (kyseliny), které katalyzují další štěpné reakce (viz diskuse o chemicky zesílených rezistech níže). Není běžné vybrat fotorezisty pro expozici elektronovým paprskem. Litografie elektronového paprsku se obvykle spoléhá na rezisty určené speciálně pro expozici elektronovým paprskem.
Parametry
Fyzikální, chemické a optické vlastnosti fotorezistů ovlivňují jejich výběr pro různé procesy.
- Rozlišení je schopnost odlišit sousední prvky na substrátu. Kritická dimenze (CD) je hlavním měřítkem rozlišení.
Čím menší je kritická dimenze, tím vyšší rozlišení bude.
- Kontrast je rozdíl mezi exponovanou částí a neexponovanou částí. Čím vyšší je kontrast, tím jasnější bude rozdíl mezi exponovanými a neexponovanými částmi.
- Citlivost je minimální energie potřebná k vytvoření přesně definované vlastnosti fotorezistu na substrátu, měřená v mJ / cm 2 . Citlivost fotorezistu je důležitá při použití hlubokého ultrafialového záření (DUV) nebo extrémního ultrafialového záření (EUV).
- Viskozita je míra vnitřního tření kapaliny, která ovlivňuje, jak snadno bude proudit. Pokud je potřeba vytvořit silnější vrstvu, upřednostňuje se fotorezist s vyšší viskozitou.
- Adherence je adhezní síla mezi fotorezistem a substrátem. Pokud odpor odejde ze substrátu, některé prvky budou chybět nebo budou poškozeny.
- Anti-leptání je schopnost fotorezistu odolávat vysoké teplotě, různému prostředí pH nebo bombardování ionty v procesu post-modifikace.
- Povrchové napětí je napětí vyvolané kapalinou, které mělo tendenci minimalizovat její povrchovou plochu, což je způsobeno přitahováním částic v povrchové vrstvě. Aby se povrch substrátu lépe zvlhčil, musí mít fotorezistory relativně nízké povrchové napětí.
Pozitivní fotorezist
DNQ- Novolac photoresist
Jeden velmi běžný pozitivní fotorezist používaný u linek I, G a H ze rtuťové výbojky je založen na směsi diazonaftochinonu (DNQ) a novolakové pryskyřice (fenolformaldehydové pryskyřice). DNQ inhibuje rozpouštění novolakové pryskyřice, ale po vystavení světlu se rychlost rozpouštění zvyšuje dokonce nad úroveň čistého novolaku. Mechanismus, kterým neexponovaný DNQ inhibuje rozpouštění novolaku, není dobře znám, ale předpokládá se, že souvisí s vodíkovou vazbou (nebo přesněji s diazocouplingem v neexponované oblasti). Odolnosti DNQ-novolac jsou vyvíjeny rozpuštěním v zásaditém roztoku (obvykle 0,26 N tetramethylamonium hydroxid (TMAH) ve vodě).
Negativní fotorezist
Polymer na bázi epoxidu
Jeden velmi běžný negativní fotorezist je založen na polymeru na bázi epoxidu. Obecný název produktu je fotorezistér SU-8 a původně jej vynalezla společnost IBM , nyní jej však prodávají společnosti Microchem a Gersteltec . Jedinou jedinečnou vlastností SU-8 je, že je velmi obtížné jej svléknout. Jako takový se často používá v aplikacích, kde je pro zařízení zapotřebí vzor permanentního odporu (ten, který není odstranitelný a může být dokonce použit v drsných podmínkách teploty a tlaku). Mechanismus polymeru na bázi epoxidu je uveden v 1.2.3 SU-8.
Off-stechiometrie thiol-enes (OSTE) polymer
V roce 2016 bylo prokázáno, že polymery OSTE mají jedinečný fotolitografický mechanismus založený na depleci monomeru vyvolané difúzí, což umožňuje vysokou přesnost fotostruktury. Polymerní materiál OSTE byl původně vynalezen na KTH Royal Institute of Technology , nyní ho však prodává společnost Mercene Labs . Zatímco materiál má vlastnosti podobné vlastnostem SU8, OSTE má specifickou výhodu v tom, že obsahuje reaktivní povrchové molekuly, díky nimž je tento materiál atraktivní pro mikrofluidní nebo biomedicínské aplikace.
Aplikace
Mikrokontaktní tisk
Mikrokontaktní tisk popsal Whitesides Group v roce 1993. Obecně se v této technice používá elastomerní razítko ke generování dvourozměrných vzorů prostřednictvím tisku molekul „inkoustu“ na povrch pevného substrátu.
Krok 1 pro mikrokontaktní tisk. Schéma vytváření hlavního razítka polydimethylsiloxanu ( PDMS ). Krok 2 pro mikrokontaktní tisk Schéma procesu barvení a kontaktu mikrotiskové litografie.
Desky plošných spojů
Výroba desek plošných spojů je jedním z nejdůležitějších použití fotorezistu. Fotolitografie umožňuje rychlé, hospodárné a přesné reprodukování komplexního zapojení elektronického systému, jako by došlo na tiskařském stroji. Obecný proces spočívá v aplikaci fotorezistu, vystavení obrazu ultrafialovým paprskům a následném leptání k odstranění měděného substrátu.
Vzorování a leptání podkladů
To zahrnuje speciální photonics materiály, MicroElectro-mechanických systémů ( MEMS ), skleněné desky plošných spojů a dalších micropatterning úkoly. Fotorezist nemá tendenci být leptán roztoky s pH vyšším než 3.
Mikroelektronika
Tato aplikace, aplikovaná hlavně na křemíkové destičky / křemíkové integrované obvody, je nejrozvinutější z technologií a nejšpecializovanější v oboru.
