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.
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).
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 — 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 — 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.
Следующая таблица [6] основана на обобщениях, общепринятых в индустрии изготовления микроэлектромеханических систем (МЭМС).
По химической структуре фоторезисты можно разделить на три типа: фотополимерные, фоторазлагающиеся и фотосшивающие фоторезисты.
* 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).
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.
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.
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]
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.
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).
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]
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]
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]
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.
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]
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]
Это приложение, в основном применяемое к кремниевым пластинам и кремниевым интегральным схемам , является наиболее развитой из технологий и наиболее специализированным в этой области. [30]
{{cite book}}
: CS1 maint: другие ( ссылка )