Химия фотолитографии

Фотолитография — это процесс удаления отдельных частей тонких пленок, используемых в микрообработке . Микропроизводство — это производство деталей в микро- и наномасштабе, обычно на поверхности кремниевых пластин , для производства интегральных схем , микроэлектромеханических систем (МЭМС), солнечных элементов и других устройств. Фотолитография делает этот процесс возможным благодаря комбинированному использованию гексаметилдисилазана (ГМДС), фоторезиста (позитивного или негативного), центрифугирования , фотомаски , системы экспонирования и других различных химикатов. Тщательно манипулируя этими факторами, можно создать микроструктуру практически любой геометрии на поверхности кремниевой пластины. ^[1] Химическое взаимодействие между всеми различными компонентами и поверхностью кремниевой пластины делает фотолитографию интересной химической задачей. Современные разработки позволяют создавать элементы на поверхности кремниевых пластин размером от 1 до 100 мкм . ^[2]

Кремниевая пластина

Кремниевые пластины вырезаются из твердого слитка почти чистого (99,9999999%) кремния. Это достигается посредством процесса роста Чохральского , который изображен на схеме на соседнем изображении, и приводит к образованию единственного неповрежденного кубического кристалла кремния-алмаза. Монокристаллический кремний из-за своей структуры анизотропен , что придает ему разные структурные и электрические свойства в разных плоскостных направлениях. Используя индексы Миллера для обозначения различных ориентаций плоскостей, грани (1,0,0) и (1,1,1) обычно используются в кремниевых пластинах (см. Изображение). Кремниевый слиток ориентируют и разрезают по одной из этих плоскостей, чтобы открыть поверхность для обработки посредством фотолитографии. Причина использования любой из этих плоских граней зависит от применения, для которого будет использоваться кремниевая пластина, или от способа ее обработки. В любом случае это зависит от использования травителей, фоторезиста и кислот для обработки поверхности, а химическое взаимодействие этих химикатов с поверхностью кристалла зависит от поверхностных свойств этой кристаллической грани. В таблице справа показаны поверхностные энергии, атомные плотности и межатомное расстояние в трех плоскостях кристалла кремния. ^[3]

Поверхностная энергия, атомная плотность и расстояние между кремнием для каждого плоского направления.
	Индекс Миллера (плоская поверхность)
	(1,0,0)	(1,1,0)	(1,1,1)
Атомная плотность (10 ¹⁴/см ²) ^[4]	6.78	9.59	15.66
Расстояние ( Å ) ^[5]	5.43	3.84	3.13
Поверхностная энергия ( эрг /см ²) ^[6]^[7]	2130	1510	1230

Фоторезист

В фотолитографии соединения фоторезиста используются для создания маски на поверхности кремниевой пластины. Маска позволяет точно контролировать процессы легирования и травления, используемые для формирования устройств на кремниевых пластинах. Важно, чтобы маска выдерживала химическое воздействие во время процесса травления. Фоторезисты состоят из трех основных компонентов: растворителя, смолы и сенсибилизатора (или фотоактивного соединения). Соединение наносится на кремниевую пластину в жидкой форме, а полимеризация контролируется воздействием света. Поскольку фоторезисты являются неполярными соединениями, а диоксид кремния имеет полярный характер, между двумя материалами могут возникнуть проблемы с адгезией. Если фоторезист не прилипает должным образом, детали теряют разрешение. Адгезия фоторезиста становится очень важной, поскольку размеры элементов становятся меньше. Чтобы надежно создавать мелкие детали, поверхность кремниевой пластины должна быть гидрофобной, чтобы способствовать адгезии фоторезиста.

Характеристики адгезии можно наблюдать и проверять с помощью гониометрического теста. Характеристики поверхностной энергии кремниевой пластины можно измерить, поместив каплю деионизированной воды или этиленгликоля и измерив контактный угол капли. Используя соотношение Юнга и табличные значения межфазной энергии, мы можем оценить поверхностную энергию твердого тела. ^[8]

• Родственник Янга: $\gamma _{\mathrm {SG} }=\gamma _{\mathrm {SL} }-\gamma _{\mathrm {LG} }\cos \theta _{\,}$

       $\gamma _{\mathrm {SG} }$  - Interfacial energy between solid and vapor  ${(J/m^{2})}$ 
       $\gamma _{\mathrm {SL} }$  - Interfacial energy between solid and liquid  ${(J/m^{2})}$ 
       $\gamma _{\mathrm {LG} }$  - Interfacial energy between liquid and vapor  ${(J/m^{2})}$ 
      θ   - Contact Angle

Положительное сопротивление

Позитивные фоторезисты состоят из новолачной смолы, растворителя этиллактата и диазонафтахинона (DQ) в качестве фотоактивного соединения. ^[9] Позитивный фоторезист реагирует со светом, вызывая разрушение полимера и его растворимость в растворе проявителя. Позитивный резист обладает лучшей устойчивостью к травлению, чем отрицательный фоторезист. Позитивные резисты лучше подходят для создания элементов небольшого размера, но они не прилипают к кремниевым пластинам так же, как отрицательные резисты. При создании небольших деталей очень важно иметь хорошую адгезию.

Отрицательное сопротивление

Негативные фоторезисты состоят из матрицы поли(цис-изопрена), растворителя ксилола и бис-арилазида в качестве фотоактивного соединения. Негативные фоторезисты реагируют на свет полимеризацией. Неэкспонированные части можно удалить с помощью проявителя. негативный резист имеет лучшую адгезию и отлично подходит для элементов размером более 2 мкм.

ГМДС

Обработка кремниевой пластины HMDS для придания ей гидрофобности.

Распространенным методом повышения адгезии фоторезиста на поверхности кремниевой пластины является обработка пластины гексаметилдисилазаном ( ГМДС). Новая кремниевая пластина имеет полярную поверхность и на ней адсорбировано некоторое количество воды. ^[10] Пластина может подвергнуться обезвоживанию для удаления адсорбированной воды с последующей обработкой HMDS, также известной как стадия грунтовки. ГМДС можно наносить на пластину в жидкой форме с помощью шприца, в то время как пластина прикреплена к вакуумному патрону в машине для нанесения покрытия методом центрифугирования . ГМДС также можно применять в газовой форме в процессе, известном как паровая заливка. HMDS способствует хорошей адгезии фоторезиста к пластине, поскольку обеспечивает гидрофобность поверхности пластины . После обработки HMDS поверхностный оксид кремния силируется, оставляя поверхность неполярной. ^[11] Поверхность из чистого кремния (100) имеет значение поверхностной энергии 56,9 мН/м, которое снижается до значения 44,1 мН/м после обработки HMDS. ^[12] Молекулярная формула гексаметилдисилазана: C ₆ H ₁₉ NSi ₂ .

Спиновое покрытие

В процессе центрифугирования участвуют четыре основных параметра: вязкость раствора, содержание твердых веществ (плотность), угловая скорость и время вращения. ^[13] Путем центрифугирования можно получить различную толщину. Чаще всего толщина находится в диапазоне 1-200 мкм. Основными свойствами, влияющими на толщину пленки, являются вязкость и скорость отжима. Чем более вязкий растворитель, тем толще будет пленка, и чем быстрее вращается пластина, тем тоньше будет пленка. Управляя этими двумя факторами, можно получить различный диапазон толщины.

• толщина: $d=({{4\rho \omega ^{2} \over \ 3\mu }t})^{-1/2}$

      ρ - density  ${(kg/m^{3})}$ 
      μ - viscosity  ${(Pa\cdot s)}$ 
      ω - angular velocity  ${(rad/s)}$ 
      t - time  ${(s)}$

Плотность и вязкость связаны с фактическими свойствами фоторезиста. Этим параметром можно манипулировать, разбавляя фоторезист и добавляя в него различные компоненты для изменения его свойств. Угловая скорость и время зависят от устройства для нанесения центрифужного покрытия, а также от того, насколько быстро оно вращается и как долго.

Распространенной проблемой при нанесении центрифугированного покрытия является скопление растворителя на краях кремниевой пластины. Для отделения этого шарика от пластины чаще всего используется процесс, известный как промывка обратной стороны. Путем программирования нескольких различных скоростей вращения в аппарате для нанесения покрытия центрифугированием можно сделать толщину растворителя однородной без «скатывания» по краям.

Типичное устройство центрифугирования для нанесения ГМДС и фоторезиста на кремниевую пластину.

Однако центрифугирование имеет свои ограничения. В настоящее время инженеры и ученые работают над поиском лучшего способа нанесения фоторезиста на подложку кремниевой пластины. Покрытие центрифугированием может привести к проблемам с топографией пластин, например, к некруглым подложкам, слишком большим подложкам, хрупким подложкам и расходу материала. Одним из потенциальных решений этой проблемы является напыление фоторезиста на поверхность. ^[14] Путем распыления фоторезиста на поверхность пластины, а не методом центрифугирования фоторезиста, экономится много фоторезиста и можно изготавливать более мелкие и точные детали. Нанесение покрытия распылением все еще находится на стадии разработки, и необходимо провести гораздо больше исследований, чтобы сделать его экономически эффективным и применимым.

См. также

Ссылки

^ Фуркас, Джон Т. (15 апреля 2010 г.). «Наномасштабная фотолитография видимым светом». Журнал физической химии . 1 (8): 1221–1227. дои : 10.1021/jz1002082 .
^ Микроэлектромеханические системы
^ Сяогэ, Грегори Чжан (30 сентября 2001 г.). Интерфейс кремний/электролит . ISBN 9780306465413 .
^ Сяогэ, Грегори Чжан (30 сентября 2001 г.). Интерфейс кремний/электролит . ISBN 9780306465413 .
^ Сяогэ, Грегори Чжан (30 сентября 2001 г.). Интерфейс кремний/электролит . ISBN 9780306465413 .
^ Жаккодин, Р.Дж. (1963). «Поверхностная энергия германия и кремния» . Журнал Электрохимического общества . 110 (6): 524. Бибкод : 1963JElS..110..524J . дои : 10.1149/1.2425806 . Проверено 3 июня 2012 г.
^ Здыб, А; Ольховик, Муха (2006). «Зависимость поверхностной энергии GaAs и Si от угла разориентации плоскостей кристалла». Материаловедение - Польша . 24 (4): 1110.
^ Чоу, Т.С. (13 июля 1998 г.). «Смачивание шероховатых поверхностей». Физический журнал: конденсированное вещество . 10 (27): Л445–Л451. Бибкод : 1998JPCM...10L.445C . дои : 10.1088/0953-8984/27.10.001 . S2CID 250874015 .
^ Дарлинг, РБ «Позитивные фоторезисты» (PDF) . Университет Вашингтона. Архивировано из оригинала (PDF) 15 августа 2010 года . Проверено 3 июня 2012 г.
^ «Стимулирование адгезии при очистке подложки» (PDF) . Проверено 24 мая 2012 г.
^ Чен, Джем-Кун; Се, Хуан; Куо, Чанг (29 октября 2008 г.). «Кисти из поли(метилметакралата)» (PDF) . Макромолекулы . 41 (22): 8729. Бибкод : 2008MaMol..41.8729C . дои : 10.1021/ma801127m . ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
^ Чен, Се, Хуан, Ли, Го, Чанг, Джем-Кун, Чи-И, Чи-Фэн, ПМ, Шиао-Вэй, Фэн-Чжи. «Использование погружения в растворитель для изготовления кистей из поли(метилметакрилата) с различным рисунком на кремниевых поверхностях» (PDF) . Макромолекулы, 2008, 41 (22). {{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
^ Ши, Цзе-Рен; Ян, Юнг-Куанд (26 апреля 2008 г.). «Оптимизация процесса нанесения фоторезистного покрытия для фотолитографии при производстве пластин с помощью нейронной сети радиального базиса: практический пример». Микроэлектронная инженерия . 85 (7): 1664–1670. дои : 10.1016/j.mee.2008.04.019 .
^ Пабо, EF (7–9 декабря 2011 г.). «Достижения в области технологий нанесения покрытий распылением для MEMS, 3DIC и дополнительных приложений». 2011 IEEE 13-я конференция по технологиям упаковки для электроники . Том. 13. С. 349–353. дои : 10.1109/EPTC.2011.6184444 . ISBN 978-1-4577-1982-0 . S2CID 34003957 .

[1] Фуркас, Джон Т. (15 апреля 2010 г.). «Наномасштабная фотолитография видимым светом». Журнал физической химии . 1 (8): 1221–1227. дои : 10.1021/jz1002082 .

[2] Микроэлектромеханические системы

[3] Сяогэ, Грегори Чжан (30 сентября 2001 г.). Интерфейс кремний/электролит . ISBN 9780306465413 .

[4] Сяогэ, Грегори Чжан (30 сентября 2001 г.). Интерфейс кремний/электролит . ISBN 9780306465413 .

[5] Сяогэ, Грегори Чжан (30 сентября 2001 г.). Интерфейс кремний/электролит . ISBN 9780306465413 .

[6] Жаккодин, Р.Дж. (1963). «Поверхностная энергия германия и кремния» . Журнал Электрохимического общества . 110 (6): 524. Бибкод : 1963JElS..110..524J . дои : 10.1149/1.2425806 . Проверено 3 июня 2012 г.

[7] Здыб, А; Ольховик, Муха (2006). «Зависимость поверхностной энергии GaAs и Si от угла разориентации плоскостей кристалла». Материаловедение - Польша . 24 (4): 1110.

[8] Чоу, Т.С. (13 июля 1998 г.). «Смачивание шероховатых поверхностей». Физический журнал: конденсированное вещество . 10 (27): Л445–Л451. Бибкод : 1998JPCM...10L.445C . дои : 10.1088/0953-8984/27.10.001 . S2CID 250874015 .

[9] Дарлинг, РБ «Позитивные фоторезисты» (PDF) . Университет Вашингтона. Архивировано из оригинала (PDF) 15 августа 2010 года . Проверено 3 июня 2012 г.

[10] «Стимулирование адгезии при очистке подложки» (PDF) . Проверено 24 мая 2012 г.

[11] Чен, Джем-Кун; Се, Хуан; Куо, Чанг (29 октября 2008 г.). «Кисти из поли(метилметакралата)» (PDF) . Макромолекулы . 41 (22): 8729. Бибкод : 2008MaMol..41.8729C . дои : 10.1021/ma801127m . ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}

[12] Чен, Се, Хуан, Ли, Го, Чанг, Джем-Кун, Чи-И, Чи-Фэн, ПМ, Шиао-Вэй, Фэн-Чжи. «Использование погружения в растворитель для изготовления кистей из поли(метилметакрилата) с различным рисунком на кремниевых поверхностях» (PDF) . Макромолекулы, 2008, 41 (22). {{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}

[13] Ши, Цзе-Рен; Ян, Юнг-Куанд (26 апреля 2008 г.). «Оптимизация процесса нанесения фоторезистного покрытия для фотолитографии при производстве пластин с помощью нейронной сети радиального базиса: практический пример». Микроэлектронная инженерия . 85 (7): 1664–1670. дои : 10.1016/j.mee.2008.04.019 .

[14] Пабо, EF (7–9 декабря 2011 г.). «Достижения в области технологий нанесения покрытий распылением для MEMS, 3DIC и дополнительных приложений». 2011 IEEE 13-я конференция по технологиям упаковки для электроники . Том. 13. С. 349–353. дои : 10.1109/EPTC.2011.6184444 . ISBN 978-1-4577-1982-0 . S2CID 34003957 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]