prezentace aplikace...

FOTOLITOGRAFIE

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)

Funkce fotorezistu: dočasná (chránící)

trvalá (součást zařízení)

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


Negative Tone •Poly(vinyl cinnamate)

- Cinnamate groups

- [2+2] cycloaddition by irradiation

- crosslinked polymer


SU8: během osvitu vzniká lewisova báze,

ta katalyzuje polymeraci

při zahřívání

- Chemical amplification

- Produkce katalyzátoru (iniciátoru) během osvitu

- Vlastní reakce během zahřátí

Proces fotolitografie

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/

- V kubickém metru

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


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)

Vytváření masek na generátoru

obrazců

Fotolitografie – generátor obrazců


Fotolitografie – vytváření primární masky


Generátor obrazců – pětiosý mikrolitograf

Fotolitografie – kopírování primární masky na odolnější materiál (chromové masky)


Inverzní kopie masky – pozitivní rezist

Použití masek pro přenos

struktur do fotocitlivého materiálu

Optics Configurations

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

http://en.wikipedia.org/wiki/Krypton_fluoride

http://en.wikipedia.org/wiki/Argon_fluoride_laser

Přiložení masky před expozicí

Alignment

mark

Previous

pattern

x

y

q

wafer

flat

Microscope view (split)

Mask Aligner : Karl Suss

www.suss.com

MA6 : Research MA120 : Production

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

Kombinované technologie

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)


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


Foturan – 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



Kombinované technologie – LIGA

Kombinace několika dílčích technologických procesů:

» LI = Litographie (litografie)

» G = Galvanofor- mung (pokovování)

» A = Abformung otisk (replikace mikrostruktur v polymerech pomocí kovové matrice)


Kombinované technologie – LIGA

Litografie, elektrodepozice a vtlačování zatepla

systém pro připojení optického vlákna dvojité ozubené kolečko

soukolí testovací struktura


Mikrostruktury vytvořené procesem LIGA


Kombinované technologie

Litografie (negativní rezist SU8) a odlévání

Beyond UV…

IEEE Spectrum (Jul. 1999)

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


X-Rays

prezentace aplikace...

Documents