Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Не путать с Фоторезистором .

Фоторезист (также известный просто как резист ) представляет собой материал , светочувствительный используется в нескольких процессах, такие как фотолитография и фоторепродуцирование , чтобы сформировать покрытие на узорчатую поверхность. 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 немаскированные области материала. Затем на поверхность наносится растворитель, называемый проявителем. В случае позитивного фоторезиста светочувствительный материал разрушается под действием света, и проявитель растворяет области, которые подвергались воздействию света, оставляя после себя покрытие, на которое была помещена маска. В случае негативного фоторезиста светочувствительный материал усиливается (полимеризуется или сшивается) светом, и проявитель растворяет только те области, которые не подвергались воздействию света, оставляя покрытие в областях, где маска была не размещен.

Фоторезист фотолитографии

Покрытие BARC (нижнее антиотражающее покрытие) может быть нанесено до нанесения фоторезиста, чтобы избежать появления отражений под фоторезистом и улучшить характеристики фоторезиста на меньших полупроводниковых узлах. [2] [3] [4]

Определения [ править ]

Позитивный фоторезист [ править ]

Пример положительного фоторезиста, растворимость которого будет изменяться под действием фотогенерированной кислоты. Кислота снимает защиту с трет- бутоксикарбонила (t-BOC), переводя резист из нерастворимого в щелочи в растворимый в щелочи. Это был первый резист с химическим усилением, используемый в полупроводниковой промышленности, который был изобретен профессором Ито, профессором Уилсоном и профессором Фреше в 1982 году [5].
Пример однокомпонентного позитивного фоторезиста

Позитивный фоторезист представляет собой тип фоторезиста , в котором часть фоторезиста, которая подвергается воздействию света становится растворимым разработчиком фоторезиста. Неэкспонированная часть фоторезиста остается нерастворимой для проявителя фоторезиста.

Негативный фоторезист [ править ]

Негативный фоторезист представляет собой тип фоторезиста , в котором часть фоторезиста, которая подвергается воздействию света становится нерастворимой для проявителя фоторезиста. Неэкспонированная часть фоторезиста растворяется проявителем фоторезиста.

Сшивание полиизопренового каучука фотореактивным биазидом в качестве негативного фоторезиста
Радикальная полимеризация и сшивание акрилатного мономера в качестве негативного фоторезиста

Различия между положительным и отрицательным сопротивлением [ править ]

Следующая таблица [6] основана на обобщениях, которые являются общепринятыми в отрасли производства микроэлектромеханических систем (МЭМС) .

ХарактеристикаПоложительныйОтрицательный
Адгезия к кремниюСправедливыйОтлично
Относительная стоимостьБолее дорогойМенее дорогой
База разработчиковВодныйОрганический
Растворимость в проявителеОткрытая область растворимаОткрытая область нерастворима
Минимальная функция0,5 мкм2 мкм
Покрытие ступенейЛучшеНиже
Влажная химическая стойкостьСправедливыйОтлично

Типы [ править ]

Исходя из химической структуры фоторезистов, их можно разделить на три типа: фотополимерные, фоторазлагаемые, фоторезисты фотошивки.

Фотополимерный фоторезист представляет собой тип фоторезиста, обычно аллилового мономера, который может генерировать свободные радикалы при воздействии света, а затем инициирует фотополимеризацию мономера с образованием полимера. Фотополимерные фоторезисты обычно используются для негативного фоторезиста, например метилметакрилата.

Фотополимеризация мономеров метилметакрилата под УФ-излучением с образованием полимера.

Фоторезист фоторазложения - это тип фоторезиста, который создает гидрофильные продукты под действием света. Фоторезисты фоторазложения обычно используются для позитивных фоторезистов. Типичным примером является азидхинон, например диазонафтахинон (DQ).

Фотолиз дизаонафтохинона, который приводит к гораздо более полярной среде, которая позволяет водной основе растворять полимер бакелитового типа.

Фотосшивающий фоторезист - это тип фоторезиста, который может сшивать цепочку за цепочкой при воздействии света с образованием нерастворимой сети. Фотосшивающий фоторезист обычно используется для негативного фоторезиста.

Химическая структура СУ-8 (одна молекула содержит 8 эпоксидных групп)
Механизм СУ-8 для негативного фоторезиста

Полимеры тиол-енов (OSTE) вне стехиометрии [7]

Для самоорганизующегося однослойного фоторезиста SAM сначала формируется SAM на подложке путем самосборки . Затем эта поверхность, покрытая SAM, облучается через маску, аналогичную другим фоторезистам, которая формирует образец с фото-рисунком в облучаемых областях. И, наконец, проявитель используется для удаления разработанной детали (может использоваться как положительный, так и отрицательный фоторезист). [8]

Источники света [ править ]

Поглощение в УФ и более коротких длинах волн [ править ]

В литографии уменьшение длины волны источника света является наиболее эффективным способом достижения более высокого разрешения. [9] Фоторезисты чаще всего используются с длинами волн в ультрафиолетовом спектре или короче (<400 нм). Например, диазонафтохинон (DNQ) сильно поглощает от примерно 300 до 450 нм. Полосы поглощения можно отнести к переходам n-π * (S0 – S1) и π-π * (S1 – S2) в молекуле DNQ. [ необходима цитата ] В спектре глубокого ультрафиолета (DUV) электронный переход π-π * в бензоле [10] или хромофорах с двойной связью углерода проявляется в области около 200 нм. [ необходима цитата ]Из-за появления более возможных переходов поглощения, включающих большую разницу энергий, поглощение имеет тенденцию увеличиваться с более короткой длиной волны или большей энергией фотонов . Фотоны с энергией, превышающей потенциал ионизации фоторезиста (может быть всего 5 эВ в конденсированных растворах) [11], также могут выделять электроны, которые способны дополнительно экспонировать фоторезист. В диапазоне от примерно 5 эВ до примерно 20 эВ фотоионизация электронов внешней « валентной зоны » является основным механизмом поглощения. [12]Выше 20 эВ становятся более важными внутренняя электронная ионизация и оже-переходы. Поглощение фотонов начинает уменьшаться по мере приближения к области рентгеновских лучей, поскольку для более высокой энергии фотонов разрешается меньше оже-переходов между глубокими атомными уровнями. Поглощенная энергия может вызывать дальнейшие реакции и в конечном итоге рассеиваться в виде тепла. Это связано с выделением газа и загрязнением фоторезиста.

Электронно-лучевая экспозиция [ править ]

Фоторезисты также можно экспонировать электронными лучами, что дает те же результаты, что и воздействие светом. Основное отличие состоит в том, что в то время как фотоны поглощаются, отдавая сразу всю свою энергию, электроны постепенно выделяют свою энергию и во время этого процесса рассеиваются внутри фоторезиста. Как и в случае с волнами с высокой энергией, многие переходы возбуждаются электронными лучами, и нагревание и выделение газа по-прежнему вызывают беспокойство. Энергия диссоциации связи CC составляет 3,6 эВ. Вторичные электроны, генерируемые первичным ионизирующим излучением, обладают энергией, достаточной для разрыва этой связи, вызывая разрыв. Кроме того, электроны с низкой энергией имеют более длительное время взаимодействия с фоторезистом из-за их более низкой скорости; по существу, электрон должен находиться в состоянии покоя по отношению к молекуле, чтобы прореагировать наиболее сильно посредством диссоциативного присоединения электрона,где электрон останавливается на молекуле, отдавая всю свою кинетическую энергию.[13] Получающееся в результате расщепление разбивает исходный полимер на сегменты с более низкой молекулярной массой, которые легче растворяются в растворителе, или высвобождает другие химические вещества (кислоты), которые катализируют дальнейшие реакции расщепления (см. Обсуждение химически усиленных резистов ниже) . Подбирать фоторезисты для экспонирования электронным пучком не принято. Электронно-лучевая литография обычно основана на резистах, специально предназначенных для экспонирования электронным лучом.

Параметры [ править ]

Физические, химические и оптические свойства фоторезистов влияют на их выбор для различных процессов. [14]

  • Разрешение - это способность различать соседние элементы на подложке. Критический размер (CD) - это основная мера разрешения.

Чем меньше критический размер, тем выше будет разрешение.

  • Контраст - это разница между экспонированной частью и неэкспонированной частью. Чем выше контраст, тем более очевидной будет разница между экспонированными и неэкспонированными частями.
  • Чувствительность - это минимальная энергия, которая требуется для создания четко выраженного элемента фоторезиста на подложке, измеряемая в мДж / см 2 . Чувствительность фоторезиста важна при использовании глубокого ультрафиолета (DUV) или экстремального ультрафиолета (EUV).
  • 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.
  • Адгезия - это сила адгезии между фоторезистом и подложкой. Если резист отклеивается от подложки, некоторые элементы будут отсутствовать или повреждены.
  • Защита от травления - это способность фоторезиста противостоять высокой температуре, среде с различным pH или ионной бомбардировке в процессе пост-модификации.
  • Поверхностное натяжение - это натяжение, вызываемое жидкостью, стремящейся минимизировать площадь ее поверхности, что вызвано притяжением частиц в поверхностном слое. Для лучшего смачивания поверхности подложки фоторезисты должны обладать относительно низким поверхностным натяжением.

Позитивный фоторезист [ править ]

DNQ- Новолачный фоторезист [ править ]

Один очень распространенный позитивный фоторезист, используемый с линиями I, G и H от ртутной лампы, основан на смеси диазонафтохинона (DNQ) и новолачной смолы (фенолформальдегидной смолы). DNQ ингибирует растворение новолачной смолы, но при воздействии света скорость растворения увеличивается даже по сравнению с чистым новолаком. Механизм, с помощью которого неэкспонированный DNQ ингибирует растворение новолака, не совсем понят, но считается, что он связан с водородными связями (или, точнее, диазосвязью в неэкспонированной области). Резисты DNQ-новолак получают путем растворения в основном растворе (обычно 0,26 н. Гидроксид тетраметиламмония (TMAH) в воде).

Негативный фоторезист [ править ]

Полимер на основе эпоксидной смолы [ править ]

Один из самых распространенных негативных фоторезистов основан на полимере на основе эпоксидной смолы. Распространенное название продукта - фоторезист SU-8 , первоначально он был изобретен IBM , но теперь продается Microchem и Gersteltec . Уникальным свойством СУ-8 является то, что его очень трудно раздеть. Таким образом, он часто используется в приложениях, где для устройства требуется постоянный рисунок резиста (тот, который не удаляется и даже может использоваться в суровых условиях температуры и давления). [15] Механизм полимера на эпоксидной основе показан в 1.2.3 СУ-8.

Полимер тиоленов (OSTE) вне стехиометрии [ править ]

В 2016 году было показано, что полимеры OSTE обладают уникальным механизмом фотолитографии, основанным на вызванном диффузией истощении мономеров, что обеспечивает высокую точность фотоструктурирования. Полимерный материал OSTE был первоначально изобретен в Королевском технологическом институте KTH , но теперь продается компанией Mercene Labs . В то время как материал имеет свойства, аналогичные свойствам SU8, OSTE имеет особое преимущество, заключающееся в том, что он содержит реактивные поверхностные молекулы, что делает этот материал привлекательным для микрофлюидных или биомедицинских приложений. [14]

Приложения [ править ]

Микроконтактная печать [ править ]

Основная статья: Микроконтактная печать

Микроконтактная печать была описана Whitesides Group в 1993 году. Обычно в этой технике эластомерный штамп используется для создания двумерных узоров путем печати молекул «чернил» на поверхности твердой подложки. [16]

Создание мастера PDMS
rightInking и контактный процесс

Шаг 1 для микроконтактной печати. Схема создания мастер-штампа из полидиметилсилоксана ( ПДМС ). Шаг 2 для микроконтактной печати. ​​Схема красочного и контактного процесса микропечати .

Печатные платы [ править ]

Производство печатных плат - одно из важнейших применений фоторезиста. Фотолитография позволяет быстро, экономично и точно воспроизвести сложную разводку электронной системы, как если бы она вышла из печатного станка. Общий процесс заключается в нанесении фоторезиста, экспонировании изображения ультрафиолетовыми лучами и последующем травлении для удаления покрытой медью подложки. [17]

Печатная плата-4276

Узор и травление подложек [ править ]

Это включает в себя специальные фотоники материалы, MicroElectro-механических систем ( MEMS ), печатных плат печатных стекла и другие micropatterning задачи. Фоторезист, как правило, не травится растворами с pH выше 3. [18]

Микро-электромеханический кантилевер, полученный методом фототравления.

Микроэлектроника [ править ]

Это приложение, в основном применяемое для кремниевых пластин / кремниевых интегральных схем, является наиболее развитой из технологий и наиболее специализированной в данной области. [19]

12-дюймовые кремниевая пластина может нести сотни или тысячи интегральных схем кости

См. Также [ править ]

  • Фотополимер

Ссылки [ править ]

  1. ^ Эрик, Анслин; Догерти, Деннис. Современная физическая органическая химия . Книги университетских наук.
  2. ^ «Верхние антибликовые покрытия против нижних антибликовых покрытий» .
  3. ^ MicroChemicals. «Основы микроструктурирования: антибликовые покрытия» (PDF) . Microchemicals GmbH . Проверено 31 января 2020 .
  4. ^ "AR ™ 10L Нижнее антибликовое покрытие (BARC) | DuPont" . www.dupont.com .
  5. ^ Ито, H .; Уилсон, CG; Фреше, JHJ (1 сентября 1982 г.). «Новые УФ-резисторы с отрицательным или положительным оттенком» . 1982 Симпозиум по технологии СБИС. Сборник технических статей : 86–87.
  6. ^ Мад, Марк (2002-03-13). Основы микротехнологии . CRC Press. ISBN 978-0-8493-0826-0.
  7. ^ Сахарил, Фариза; Форсберг, Фредрик; Лю, Итун; Беттотти, Паоло; Кумар, Нирадж; Никлаус, Франк; Харальдссон, Томми; Ван дер Вейнгаарт, Воутер; Гилфасон, Кристинн Б. (2013). «Сухое адгезионное соединение нанопористых неорганических мембран с микрофлюидными устройствами с использованием полимера двойного отверждения OSTE (+)» . Журнал микромеханики и микротехники . 23 (2): 025021. Bibcode : 2013JMiMi..23b5021S . DOI : 10.1088 / 0960-1317 / 23/2/025021 .
  8. ^ Хуан, Цзинъюй; Дальгрен, Дэвид А .; Хеммингер, Джон К. (1994-03-01). "Photopatterning самоорганизованных монослоев алкантиолата на золоте: простой однослойный фоторезист с использованием водной химии". Ленгмюра . 10 (3): 626–628. DOI : 10.1021 / la00015a005 . ISSN 0743-7463 . 
  9. ^ Браттон, Дэниел; Ян, Да; Дай, Джуньян; Обер, Кристофер К. (01.02.2006). «Последние достижения в литографии высокого разрешения» . Полимеры для передовых технологий . 17 (2): 94–103. DOI : 10.1002 / pat.662 . ISSN 1099-1581 . S2CID 55877239 .  
  10. ^ Исии, Хироюки; Усуи, Синдзи; Дуки, Кацудзи; Каджита, Тору; Чаванья, Хитоши; Симокава, Цутому (1 января 2000 г.). Houlihan, Фрэнсис М. (ред.). «Конструкция и литографические характеристики 193-х генераторов фотокислоты». Достижения в технологии и обработке резиста Xvii . 3999 : 1120–1127. Bibcode : 2000SPIE.3999.1120I . DOI : 10.1117 / 12.388276 . S2CID 98281255 . 
  11. ^ Belbruno, Джозеф (1990). «Многофотонно-индуцированная химия фенола в гексане при 266 нм». Письма по химической физике . 166 (2): 167–172. Bibcode : 1990CPL ... 166..167B . DOI : 10.1016 / 0009-2614 (90) 87271-р .
  12. ^ Weingartner, Джозеф C; Draine, B.T; Барр, Дэвид К. (2006). «Фотоэлектрическое излучение пылинок, подвергшихся экстремальному ультрафиолетовому и рентгеновскому излучению». Астрофизический журнал . 645 (2): 1188–1197. arXiv : astro-ph / 0601296 . Bibcode : 2006ApJ ... 645.1188W . DOI : 10.1086 / 504420 . S2CID 13859981 . 
  13. ^ Браун, М; Gruber, F; Ruf, M. -W; Кумар, С.В. К; Илленбергер, Э; Хотоп, H (2006). «Инфракрасное фотонное усиленное диссоциативное присоединение электрона к SF6: зависимость от энергии фотона, колебания и энергии электрона». Химическая физика . 329 (1–3): 148. Bibcode : 2006CP .... 329..148B . DOI : 10.1016 / j.chemphys.2006.07.005 .
  14. ^ a b Гринер, Джесси; Ли, Вэй; Рен, Джуди; Войку, Дэн; Пахаренко, Виктория; Тан, Тянь; Кумачева, Евгения (02.02.2010). «Быстрое и экономичное изготовление микрожидкостных реакторов из термопластичных полимеров путем сочетания фотолитографии и горячего тиснения» . Лабораторный чип . 10 (4): 522–524. DOI : 10.1039 / b918834g . ISSN 1473-0189 . PMID 20126695 . S2CID 24567881 .   
  15. ^ ДеФорест, Уильям S (1975). Фоторезист: материалы и процессы . Компании McGraw-Hill.
  16. ^ "Самостоятельно собранные однослойные пленки: микроконтактная печать" (PDF) .
  17. ^ Монтроуз, Марк I (1999). Справочник по электронной упаковке . CRC Press.
  18. Перейти ↑ Novak, RE (2000). Технологии очистки в производстве полупроводников . Электрохимическое общество Inc. ISBN 978-1566772594.
  19. ^ Кремниевая фотоника . Springer Science & Business Media. 2004 г.