stringtranslate.com

Фоторезист

Фоторезист (также известный как резист ) — это светочувствительный материал, используемый в нескольких процессах, таких как фотолитография и фотогравировка , для формирования узорчатого покрытия на поверхности. Этот процесс имеет решающее значение в электронной промышленности . [1]

Процесс начинается с покрытия подложки светочувствительным органическим материалом. Затем на поверхность наносится узорчатая маска, блокирующая свет, так что свету будут подвергаться только незамаскированные области материала. Затем на поверхность наносится растворитель, называемый проявителем. В случае позитивного фоторезиста фоточувствительный материал разрушается под действием света, и проявитель растворяет участки, подвергшиеся воздействию света, оставляя после себя покрытие там, где была размещена маска. В случае негативного фоторезиста фоточувствительный материал усиливается (полимеризуется или сшивается) под действием света, и проявитель растворяет только те области, которые не подвергались воздействию света, оставляя после себя покрытие в тех местах, где была маска. не размещен.

Фоторезист фотолитографии

Перед нанесением фоторезиста можно нанести покрытие BARC (нижнее антибликовое покрытие), чтобы избежать возникновения отражений под фоторезистом и улучшить характеристики фоторезиста на полупроводниковых узлах меньшего размера. [2] [3] [4]

Обычные фоторезисты обычно состоят из трех компонентов: смолы (связующего, обеспечивающего такие физические свойства, как адгезия, химическая стойкость и т. д.), сенсибилизатора (содержащего фотоактивное соединение) и растворителя (который сохраняет резист в жидком состоянии).

Определения

Простая полярность резиста

Положительный: свет ослабит сопротивление и создаст дыру.

Минус: свет сделает резист более жестким и создаст маску, устойчивую к травлению.

Чтобы объяснить это в графической форме, у вас может быть график зависимости энергии воздействия журнала от доли оставшейся толщины резиста. Положительный резист будет полностью удален при конечной энергии воздействия, а отрицательный резист будет полностью затвердевшим и нерастворимым к концу энергии воздействия. Наклон этого графика представляет собой коэффициент контрастности. Интенсивность (I) связана с энергией соотношением E = I*t.

Позитивный фоторезист

Положительный пример фоторезиста, растворимость которого будет меняться под действием фотогенерируемой кислоты. Кислота снимает защиту с трет -бутоксикарбонила (t-BOC), превращая резист из нерастворимого в щелочи в растворимый в щелочи. Это был первый химически усиленный резист, используемый в полупроводниковой промышленности, который был изобретен Ито, Уилсоном и Фреше в 1982 году. [5]
Пример однокомпонентного позитивного фоторезиста

Позитивный фоторезист — это тип фоторезиста, часть которого подвергается воздействию света и становится растворимой в проявителе фоторезиста. Неэкспонированная часть фоторезиста остается нерастворимой в проявителе фоторезиста.

Некоторые примеры позитивных фоторезистов:

ПММА (полиметилметакрилат) однокомпонентный

Двухкомпонентные DQN резисты:

Негативный фоторезист

Сшивание полиизопренового каучука фотореактивным биазидом в качестве негативного фоторезиста.
Радикально-индуцированная полимеризация и сшивание акрилатного мономера как негативного фоторезиста.

Негативный фоторезист — это тип фоторезиста, в котором часть фоторезиста, подвергающаяся воздействию света, становится нерастворимой в проявителе фоторезиста. Неэкспонированная часть фоторезиста растворяется проявителем фоторезиста.

Функция передачи модуляции

MTF (передаточная функция модуляции — это соотношение модуляции интенсивности изображения и модуляции интенсивности объекта и является параметром, указывающим возможности оптической системы.

Различия между положительным и отрицательным резистом

Следующая таблица [6] основана на обобщениях, общепринятых в индустрии изготовления микроэлектромеханических систем (МЭМС).

Классификация

Фотополимеризация мономеров метилметакрилата под воздействием УФ-излучения с образованием полимера.
Фотолиз дизаонафтохинона, который приводит к образованию гораздо более полярной среды, что позволяет водному основанию растворять полимер типа бакелита.

По химической структуре фоторезисты можно разделить на три типа: фотополимерные, фоторазлагающиеся и фотосшивающие фоторезисты.

Химическая структура СУ-8 (одна молекула содержит 8 эпоксидных групп)

* Фоторазлагаемый фоторезист — это тип фоторезиста, который под действием света образует гидрофильные продукты. Фоторазлагающиеся фоторезисты обычно используются для позитивного фоторезиста. Типичным примером является азидхинон, например диазонафтахинон (DQ).

Источники света

Поглощение в УФ и более коротких длинах волн

В литографии уменьшение длины волны источника света является наиболее эффективным способом достижения более высокого разрешения. [8] Фоторезисты чаще всего используются при длинах волн ультрафиолетового спектра или короче (<400 нм). Например, диазонафтохинон (ДНХ) сильно поглощает в диапазоне примерно от 300 до 450 нм. Полосы поглощения можно отнести к переходам n-π* (S0–S1) и π-π* (S1–S2) в молекуле ДНХ. [ нужна цитата ] В спектре глубокого ультрафиолета (DUV) электронный переход π-π* в бензоле [9] или хромофоре с двойной связью углерода появляется при длине волны около 200 нм. [ нужна цитата ] Из-за появления большего количества возможных переходов поглощения, включающих большие различия в энергии, поглощение имеет тенденцию увеличиваться с более короткой длиной волны или большей энергией фотона . Фотоны с энергией, превышающей потенциал ионизации фоторезиста (в конденсированных растворах могут достигать 5 эВ) [10], также могут выделять электроны, способные дополнительно экспонировать фоторезист. В диапазоне от примерно 5 до примерно 20 эВ фотоионизация электронов внешней « валентной зоны » является основным механизмом поглощения. [11] Выше 20 эВ внутренняя электронная ионизация и оже-переходы становятся более важными. Поглощение фотонов начинает уменьшаться по мере приближения к рентгеновской области, поскольку для более высокой энергии фотонов допускается меньшее количество оже-переходов между глубокими атомными уровнями. Поглощенная энергия может вызвать дальнейшие реакции и в конечном итоге рассеивается в виде тепла. Это связано с газовыделением и загрязнением фоторезиста.

Электронно-лучевое воздействие

Фоторезисты также можно экспонировать электронными лучами, получая те же результаты, что и экспонирование светом. Основное отличие состоит в том, что в то время как фотоны поглощаются, отдавая всю свою энергию сразу, электроны отдают свою энергию постепенно и во время этого процесса рассеиваются внутри фоторезиста. Как и в случае с длинами волн высоких энергий, многие переходы возбуждаются электронными лучами, поэтому нагрев и выделение газа по-прежнему вызывают беспокойство. Энергия диссоциации связи CC составляет 3,6 эВ. Вторичные электроны, генерируемые первичным ионизирующим излучением, имеют энергию, достаточную для диссоциации этой связи, вызывая разрыв. Кроме того, электроны с низкой энергией имеют более длительное время взаимодействия с фоторезистом из-за их более низкой скорости; по сути, электрон должен находиться в покое относительно молекулы, чтобы наиболее сильно реагировать посредством диссоциативного присоединения электрона, когда электрон останавливается на молекуле, отдавая всю свою кинетическую энергию. [12] В результате расщепления исходный полимер разбивается на сегменты с более низкой молекулярной массой, которые легче растворяются в растворителе, или же высвобождаются другие химические соединения (кислоты), которые катализируют дальнейшие реакции расщепления (см. обсуждение химически амплифицированных резистов ниже). . Для электронно-лучевого воздействия фоторезисты выбирают нечасто. Электронно-лучевая литография обычно использует резисты, специально предназначенные для воздействия электронным лучом.

Параметры

Физические, химические и оптические свойства фоторезистов влияют на их выбор для различных процессов. [13] Основными свойствами фоторезиста являются разрешающая способность, технологическая доза и широта фокуса, необходимые для отверждения, а также устойчивость к реактивному ионному травлению. [14] : 966  [15] Другими ключевыми свойствами являются чувствительность, совместимость с гидроксидом тетраметиламмония (TMAH), адгезия, устойчивость к окружающей среде и срок годности. [14] : 966  [15]

Разрешение
Разрешение — это способность различать соседние элементы на подложке. Критический размер (CD) является основным показателем разрешения. Чем меньше компакт-диск, тем выше будет разрешение.
Контраст
Контраст — это разница между экспонированной частью и неэкспонированной частью. Чем выше контраст, тем более очевидной будет разница между экспонированными и неэкспонированными участками.
Чувствительность
Чувствительность — это минимальная энергия, необходимая для создания четко выраженной характеристики фоторезиста на подложке, измеряемая в мДж/см 2 . Чувствительность фоторезиста важна при использовании глубокого ультрафиолета (DUV) или крайнего ультрафиолета (EUV).
Вязкость
Вязкость — это мера внутреннего трения жидкости, влияющая на то, насколько легко она будет течь. Когда необходимо получить более толстый слой, предпочтительным будет фоторезист с более высокой вязкостью.
Приверженность
Адгезия – это прочность сцепления между фоторезистом и подложкой. Если резист оторвется от подложки, некоторые элементы будут отсутствовать или повреждены.
Устойчивость к травлению
Антитравление — это способность фоторезиста противостоять воздействию высокой температуры, среды с различным pH или ионной бомбардировке в процессе постмодификации.
Поверхностное натяжение
Поверхностное натяжение — это натяжение, вызываемое жидкостью, стремящейся минимизировать площадь своей поверхности, что вызвано притяжением частиц в поверхностном слое. Для лучшего смачивания поверхности подложки фоторезисты должны обладать относительно низким поверхностным натяжением.

Химическая амплификация

Фоторезисты, используемые в производстве для ДУФ и более коротких волн, требуют применения химического усиления для повышения чувствительности к энергии воздействия. Это делается для того, чтобы бороться с большим поглощением на более коротких длинах волн. Химическую амплификацию также часто используют при электронно-лучевом воздействии для повышения чувствительности к экспозиционной дозе. При этом кислоты , выделяемые в результате воздействия радиации, диффундируют на этапе постэкспозиционного обжига. Эти кислоты делают окружающий полимер растворимым в проявителе. Одна молекула кислоты может катализировать множество таких реакций « снятия защиты »; следовательно, требуется меньше фотонов или электронов. [16] Диффузия кислоты важна не только для повышения чувствительности и производительности фоторезиста, но и для ограничения шероховатости края линии из-за статистики дробового шума. [17] Однако длина диффузии кислоты сама по себе является потенциальным ограничителем разрешения. [18] Кроме того, слишком большая диффузия снижает химический контраст, что снова приводит к большей шероховатости. [17]

Следующие реакции являются примером коммерческих химически амплифицированных фоторезистов, используемых сегодня:

e- представляет собой сольватированный электрон или освобожденный электрон, который может реагировать с другими компонентами раствора. Обычно он проходит расстояние порядка многих нанометров, прежде чем его удерживают; [21] [22] такое большое расстояние перемещения соответствует высвобождению электронов через толстый оксид в УФ-СППЗУ в ответ на ультрафиолетовый свет. Это паразитное воздействие ухудшит разрешение фоторезиста; для 193 нм оптическое разрешение в любом случае является ограничивающим фактором, но для электронно-лучевой литографии или EUVL разрешение определяет диапазон электронов, а не оптика.

Типы

DNQ- новолачный фоторезист

Один очень распространенный позитивный фоторезист, используемый с I, G и H-линиями ртутной лампы, основан на смеси диазонафтохинона (ДНХ) и новолачной смолы (фенолформальдегидной смолы). ДНХ ингибирует растворение новолачной смолы, но под воздействием света скорость растворения увеличивается даже по сравнению со скоростью растворения чистого новолака. Механизм, с помощью которого неэкспонированный ДНХ ингибирует растворение новолака, не совсем понятен, но считается, что он связан с водородными связями (или, точнее, с диазосочетанием в неэкспонированной области). ДНХ-новолачные резисты получают путем растворения в основном растворе (обычно 0,26 н. гидроксида тетраметиламмония (ТМАГ) в воде).

Резисты на эпоксидной основе

Один очень распространенный негативный фоторезист основан на олигомере на основе эпоксидной смолы. Общее название продукта — фоторезист SU-8 , первоначально он был изобретен IBM , но сейчас продается Microchem и Gersteltec. Уникальным свойством СУ-8 является то, что его очень сложно разобрать. Таким образом, он часто используется в приложениях, где для устройства необходим постоянный рисунок резиста (который невозможно удалить и который можно использовать даже в условиях суровых температур и давлений). [23] Механизм действия полимера на основе эпоксидной смолы показан в 1.2.3 SU-8. SU-8 склонен к разбуханию при меньших размерах элементов, что привело к разработке низкомолекулярных альтернатив, способных достигать более высокого разрешения, чем SU-8. [24]

Нестехиометрический тиол-еновый (OSTE) полимер

В 2016 году было показано, что полимеры OSTE обладают уникальным механизмом фотолитографии, основанным на диффузионно-индуцированном истощении мономеров, что обеспечивает высокую точность фотоструктурирования. Полимерный материал OSTE был первоначально изобретен в Королевском технологическом институте KTH , но сейчас продается компанией Mercene Labs. Хотя материал имеет свойства, аналогичные свойствам SU8, у OSTE есть особое преимущество, заключающееся в том, что он содержит реактивные поверхностные молекулы, что делает этот материал привлекательным для микрофлюидных или биомедицинских применений. [13]

Водородный силсесквиоксан (HSQ)

HSQ — распространенный негативный резист для электронного луча , но он также полезен для фотолитографии. Первоначально изобретен компанией Dow Corning (1970 г.) [25] и в настоящее время производится (2017 г.) компанией Applied Quantum Materials Inc. (AQM). В отличие от других негативных резистов, HSQ неорганический и не содержит металлов. Таким образом, подвергнутый воздействию HSQ обеспечивает оксид с низкой диэлектрической проницаемостью (low-k), богатый кремнием. Сравнительное исследование с другими фоторезистами было опубликовано в 2015 году (Dow Corning HSQ). [26]

Приложения

Создание мастера PDMS
rightЧернила и процесс контакта

Микроконтактная печать

Микроконтактная печать была описана Whitesides Group в 1993 году. Обычно в этой технологии эластомерный штамп используется для создания двумерных рисунков путем печати молекул «чернил» на поверхности твердого субстрата. [27]

Шаг 1 для микроконтактной печати. Схема создания мастер-штампа из полидиметилсилоксана (ПДМС). Шаг 2 микроконтактной печати. ​​Схема нанесения краски и контактный процесс микропечатной литографии.

Печатные платы

Производство печатных плат — одно из важнейших применений фоторезиста. Фотолитография позволяет быстро, экономично и точно воспроизвести сложную схему электронной системы, как если бы она была выпущена из печатного станка. Общий процесс заключается в нанесении фоторезиста, подвергании изображения воздействию ультрафиолетовых лучей, а затем травлении для удаления медной подложки. [28]

Печатная плата-4276.

Нанесение рисунка и травление подложек

Сюда входят специальные фотонные материалы, микроэлектромеханические системы ( МЭМС ), стеклянные печатные платы и другие задачи по созданию микропаттернов . Фоторезист не подвергается травлению растворами с pH выше 3. [29]

Микроэлектромеханический кантилевер, изготовленный методом фототравления.

Микроэлектроника

Это приложение, в основном применяемое к кремниевым пластинам и кремниевым интегральным схемам , является наиболее развитой из технологий и наиболее специализированным в этой области. [30]

На 12-дюймовой кремниевой пластине можно разместить сотни или тысячи кристаллов интегральных схем.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Эрик, Анслин; Догерти, Деннис. Современная физическая органическая химия . Университетские научные книги.
  2. ^ «Верхние антибликовые покрытия против нижних антибликовых покрытий» .
  3. ^ Микрохимия. «Основы микроструктурирования: антибликовые покрытия» (PDF) . Микрохимикс ГмбХ . Проверено 31 января 2020 г.
  4. ^ «Нижнее антибликовое покрытие AR™ 10L (BARC) | DuPont» . dupont.com .
  5. ^ Ито, Х.; Уилсон, CG; Фреше, JHJ (1 сентября 1982 г.). «Новые УФ-стойки с отрицательным или положительным тоном». Симпозиум 1982 года по технологии СБИС. Сборник технических статей : 86–87.
  6. ^ Маду, Марк (13 марта 2002 г.). Основы микропроизводства . ЦРК Пресс. ISBN 978-0-8493-0826-0.
  7. ^ Хуан, Цзинъюй; Дальгрен, Дэвид А.; Хеммингер, Джон К. (1 марта 1994 г.). «Фотопаттерн самоорганизующихся монослоев алкантиолата на золоте: простой однослойный фоторезист с использованием водной химии». Ленгмюр . 10 (3): 626–628. дои : 10.1021/la00015a005. ISSN  0743-7463.
  8. ^ Брэттон, Дэниел; Ян, Да; Дай, Джуньян; Обер, Кристофер К. (1 февраля 2006 г.). «Последние достижения в литографии высокого разрешения». Полимеры для передовых технологий . 17 (2): 94–103. дои : 10.1002/пат.662. ISSN  1099-1581. S2CID  55877239.
  9. ^ Исии, Хироюки; Усуи, Синдзи; Дуки, Кацудзи; Кадзита, Тору; Чаванья, Хитоши; Симокава, Цутому (1 января 2000 г.). Хулихан, Фрэнсис М. (ред.). «Дизайн и литографические исполнения генераторов фотокислоты 193-специфического». Достижения в области технологии и обработки резистов XVII . 3999 : 1120–1127. Бибкод : 2000SPIE.3999.1120I. дои : 10.1117/12.388276. S2CID  98281255.
  10. ^ Бельбруно, Джозеф (1990). «Многофотонная химия фенола в гексане при длине волны 266 нм». Письма по химической физике . 166 (2): 167–172. Бибкод : 1990CPL...166..167B. дои : 10.1016/0009-2614(90)87271-р .
  11. ^ Вайнгартнер, Джозеф С; Дрен, Б.Т.; Барр, Дэвид К. (2006). «Фотоэлектрическая эмиссия пылевых зерен, подвергшихся воздействию крайнего ультрафиолетового и рентгеновского излучения». Астрофизический журнал . 645 (2): 1188–1197. arXiv : astro-ph/0601296 . Бибкод : 2006ApJ...645.1188W. дои : 10.1086/504420. S2CID  13859981.
  12. ^ Браун, М; Грубер, Ф; Руф, М.-Ж; Кумар, С.В.К; Илленбергер, Э; Хотоп, Х (2006). «Усиленное ИК-фотоном диссоциативное присоединение электронов к SF6: зависимость от энергии фотонов, колебаний и электронов». Химическая физика . 329 (1–3): 148. Бибкод : 2006CP....329..148B. doi :10.1016/j.chemphys.2006.07.005.
  13. ^ аб Гринер, Джесси; Ли, Вэй; Рен, Джуди; Войку, Дэн; Пахаренко Виктория; Тан, Тянь; Кумачева, Евгения (2 февраля 2010 г.). «Быстрое и экономичное изготовление микрофлюидных реакторов из термопластичных полимеров путем сочетания фотолитографии и горячего тиснения». Лабораторный чип . 10 (4): 522–524. дои : 10.1039/b918834g. ISSN  1473-0189. PMID  20126695. S2CID  24567881.
  14. ^ ab Справочник по физическим свойствам полимеров. Джеймс Э. Марк (2-е изд.). Нью-Йорк: Спрингер. 2006. ISBN 978-0-387-31235-4. ОСЛК  619279219.{{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка )
  15. ^ Аб Линь, Цинхуан (2007), Марк, Джеймс Э. (редактор), «Свойства фоторезистивных полимеров», Справочник по физическим свойствам полимеров , Нью-Йорк, Нью-Йорк: Springer New York, стр. 965–979, doi : 10.1007 /978-0-387-69002-5_57, ISBN 978-0-387-31235-4, получено 6 января 2023 г.
  16. ^ Патент США 4,491,628 «Положительные и отрицательные рабочие резистные композиции с кислотообразующим фотоинициатором и полимером с подвеской кислотолабильных групп на основной цепи полимера» Дж. М. Дж. Фреше, Х. Ито и К. Г. Уилсон, 1985. [1]
  17. ^ аб Ван Стенвинкель, Дэвид; Ламмерс, Йерун Х.; Келер, Томас; Брейнард, Роберт Л.; Трефонас, Питер (2006). «Сопротивление эффектам на малых шагах». Журнал вакуумной науки и техники Б. 24 (1): 316–320. Бибкод : 2006JVSTB..24..316V. дои : 10.1116/1.2151912 .
  18. ^ Чочос, ChL; Исмаилова, Э. (2009). «Сверхразветвленные полимеры для фотолитографических применений - на пути к пониманию взаимосвязи между химической структурой полимерной смолы и литографическими характеристиками». Передовые материалы . 21 (10–11): 1121. Бибкод : 2009AdM....21.1121C. дои : 10.1002/adma.200801715. S2CID  95710610.
  19. ^ аб С. Тагава; и другие. (2000). Хулихан, Фрэнсис М. (ред.). «Радиация и фотохимия генераторов ониевых солевых кислот в химически усиленных резистах». Учеб. ШПИОН . Достижения в области технологии и обработки резистов XVII. 3999 : 204. Бибкод : 2000SPIE.3999..204T. дои : 10.1117/12.388304. S2CID  95525894.
  20. ^ Ван, Сюэ-Бин; Феррис, Ким; Ван, Лай-Шэн (2000). «Фотоотщепление газообразных многозарядных анионов, тетраанион тетрасульфоната фталоцианина меди: настройка уровней молекулярной электронной энергии путем зарядки и отрицательного связывания электронов». Журнал физической химии А. 104 (1): 25–33. Бибкод : 2000JPCA..104...25Вт. дои : 10.1021/jp9930090.
  21. ^ Лу, Хонг; Лонг, Фредерик Х.; Эйзенталь, КБ (1990). «Фемтосекундные исследования электронов в жидкостях». Журнал Оптического общества Америки Б. 7 (8): 1511. Бибкод : 1990JOSAB...7.1511L. дои : 10.1364/JOSAB.7.001511.
  22. ^ Лукин, Л; Балакин, Александр Александрович (2001). «Термализация электронов низкой энергии в жидком метилциклогексане, изученная методом фотоассистированного разделения ионных пар». Химическая физика . 265 (1): 87–104. Бибкод : 2001CP....265...87L. дои : 10.1016/S0301-0104(01)00260-9.
  23. ^ ДеФорест, Уильям С. (1975). Фоторезист: материалы и процессы . Компании МакГроу-Хилл.
  24. ^ Лоусон, Ричард; Толберт, Ларен; Юнкин, Тодд; Хендерсон, Клифф (2009). Хендерсон, Клиффорд Л. (ред.). «Молекулярные резисты негативного тона на основе катионной полимеризации». Учеб. SPIE 7273, Достижения в области резистивных материалов и технологий обработки . Достижения в области резистивных материалов и технологий обработки XXVI. XXVI : 72733E. Бибкод : 2009SPIE.7273E..3EL. дои : 10.1117/12.814455. S2CID  122244702.
  25. ^ Фрай, Сесил Л.; Коллинз, Уорд Т. (1 сентября 1970 г.). «Олигомерные силсесквиоксаны, (HSiO3/2)n». Журнал Американского химического общества . 92 (19): 5586–5588. дои : 10.1021/ja00722a009. ISSN  0002-7863.
  26. ^ Моджарад, Насир; Гобрехт, Йенс; Экинджи, Ясин (18 марта 2015 г.). «За пределами EUV-литографии: сравнительное исследование эффективности эффективных фоторезистов». Научные отчеты . 5 (1): 9235. Бибкод : 2015NatSR...5E9235M. дои : 10.1038/srep09235. ISSN  2045-2322. ПМЦ 4363827 . ПМИД  25783209. 
  27. ^ «Самособранные однослойные пленки: микроконтактная печать» (PDF) .
  28. ^ Монтроуз, Марк I (1999). Справочник по электронной упаковке . ЦРК Пресс.
  29. ^ Новак, RE (2000). Технология очистки в производстве полупроводниковых приборов . ISBN Электрохимического общества Inc. 978-1566772594.
  30. ^ Кремниевая фотоника . Springer Science & Business Media. 2004.