Fotolack - Photoresist

Ein Fotolack (auch einfach als Resist bekannt ) ist ein lichtempfindliches Material, das in verschiedenen Prozessen wie Fotolithografie und Fotogravur verwendet wird, um eine strukturierte Beschichtung auf einer Oberfläche zu bilden. Dieser Prozess ist in der Elektronikindustrie von entscheidender Bedeutung .

Der Prozess beginnt mit der Beschichtung eines Substrats mit einem lichtempfindlichen organischen Material. Eine gemusterte Maske wird dann auf die Oberfläche aufgebracht, um Licht zu blockieren, so dass nur nicht maskierte Bereiche des Materials Licht ausgesetzt werden. Ein Lösungsmittel, Entwickler genannt, wird dann auf die Oberfläche aufgetragen. Im Falle eines positiven Fotolacks wird das lichtempfindliche Material durch Licht abgebaut und der Entwickler löst die Bereiche auf, die dem Licht ausgesetzt waren, und hinterlässt eine Beschichtung, auf der die Maske platziert wurde. Im Falle eines negativen Fotolacks wird das lichtempfindliche Material durch Licht verstärkt (entweder polymerisiert oder vernetzt), und der Entwickler löst nur die Bereiche auf, die keinem Licht ausgesetzt waren, und hinterlässt in Bereichen, in denen sich die Maske befand, eine Beschichtung nicht platziert.

Fotolack der Fotolithografie

Vor dem Aufbringen des Fotolacks kann eine BARC-Beschichtung (Bottom Anti-Reflectant Coating) aufgebracht werden, um das Auftreten von Reflexionen unter dem Fotolack zu vermeiden und die Leistung des Fotolacks an kleineren Halbleiterknoten zu verbessern.

Definitionen

Positiver Fotolack

Ein positives Photoresist-Beispiel, dessen Löslichkeit sich durch die photogenerierte Säure ändern würde. Die Säure entschützt das tert- Butoxycarbonyl (t-BOC) und induziert den Resist von alkalilöslich zu alkalilöslich. Dies war der erste chemisch verstärkte Resist in der Halbleiterindustrie, der 1982 von Ito, Willson und Frechet erfunden wurde.
Ein Beispiel für einen positiven Einkomponenten-Fotolack

Ein positiver Fotolack ist eine Art Fotolack, bei dem der Teil des Fotolacks, der Licht ausgesetzt ist, für den Fotolackentwickler löslich wird. Der unbelichtete Teil des Fotolacks bleibt für den Fotolackentwickler unlöslich.

Negativer Fotolack

Ein negativer Fotolack ist eine Art Fotolack, bei dem der Teil des Fotolacks, der Licht ausgesetzt ist, für den Fotolackentwickler unlöslich wird. Der unbelichtete Teil des Fotolacks wird vom Fotolackentwickler gelöst.

Eine Vernetzung eines Polyisoprenkautschuks durch ein photoreaktives Biazid als negativen Photoresist
Eine radikalisch induzierte Polymerisation und Vernetzung eines Acrylatmonomers als negativer Photoresist

Unterschiede zwischen positivem und negativem Resist

Die folgende Tabelle basiert auf Verallgemeinerungen, die in der Fertigungsindustrie für mikroelektromechanische Systeme (MEMS) allgemein akzeptiert werden.

Charakteristisch Positiv Negativ
Haftung an Silizium Messe Ausgezeichnet
Relative Kosten Teurer Weniger teuer
Entwicklerbasis Wässrig Bio
Löslichkeit im Entwickler Der exponierte Bereich ist löslich Der exponierte Bereich ist unlöslich
Minimale Funktion 0,5 um 2 um
Schrittabdeckung Besser Niedriger
Nasschemische Beständigkeit Messe Ausgezeichnet

Typen

Basierend auf der chemischen Struktur von Fotolacken können sie in drei Typen eingeteilt werden: photopolymerer, photozersetzender, photovernetzender Photoresist.

Photopolymerer Photoresist ist eine Art Photoresist, üblicherweise Allylmonomer, der bei Belichtung freie Radikale erzeugen kann und dann die Photopolymerisation des Monomers zur Herstellung eines Polymers initiiert. Photopolymer-Photoresists werden üblicherweise für negative Photoresists verwendet, z. B. Methylmethacrylat.

Photopolymerisation von Methylmethacrylatmonomeren unter UV, die zu Polymer führt

Photodekomposierender Fotolack ist eine Art Fotolack, der unter Licht hydrophile Produkte erzeugt. Photodekomposierende Fotolacke werden üblicherweise für positiven Fotolack verwendet. Ein typisches Beispiel ist Azidchinon, z. B. Diazonaphthachinon (DQ).

Photolyse eines Dizaonaphthochinons, das zu einer viel polareren Umgebung führt, wodurch die wässrige Base ein Polymer vom Bakelit-Typ lösen kann.

Photovernetzungs- Photoresist ist eine Art Photoresist, der bei Belichtung Licht für Kette vernetzen kann, um ein unlösliches Netzwerk zu erzeugen. Photovernetzender Photoresist wird üblicherweise für negativen Photoresist verwendet.

Chemische Struktur von SU-8 (ein einzelnes Molekül enthält 8 Epoxygruppen)
Mechanismus von SU-8 für negativen Fotolack

Off-Stöchiometrie-Thiol-Enes (OSTE) -Polymere

Für selbstorganisierten Monoschicht- SAM-Fotolack wird zunächst durch Selbstorganisation ein SAM auf dem Substrat gebildet . Dann wird diese von SAM bedeckte Oberfläche durch eine Maske bestrahlt, ähnlich wie bei anderen Fotolacken, die in den bestrahlten Bereichen eine Probe mit Fotomuster erzeugt. Und schließlich wird der Entwickler verwendet, um das entworfene Teil zu entfernen (kann sowohl als positiver als auch als negativer Fotolack verwendet werden).

Lichtquellen

Absorption bei UV und kürzeren Wellenlängen

In der Lithographie ist das Verringern der Wellenlänge der Lichtquelle der effizienteste Weg, um eine höhere Auflösung zu erzielen. Fotolacke werden am häufigsten bei Wellenlängen im ultravioletten Spektrum oder kürzer (<400 nm) verwendet. Beispielsweise absorbiert Diazonaphthochinon (DNQ) stark von ungefähr 300 nm bis 450 nm. Die Absorptionsbanden können n-π * (S0 - S1) - und π-π * (S1 - S2) -Übergängen im DNQ-Molekül zugeordnet werden. Im tiefen Ultraviolett (DUV) -Spektrum erscheint der elektronische π-π * -Übergang in Benzol- oder Kohlenstoff-Doppelbindungschromophoren bei etwa 200 nm. Aufgrund des Auftretens möglicher Absorptionsübergänge mit größeren Energieunterschieden nimmt die Absorption tendenziell mit kürzerer Wellenlänge oder größerer Photonenenergie zu . Photonen mit Energien, die das Ionisationspotential des Photoresists überschreiten (können in kondensierten Lösungen nur 5 eV betragen), können auch Elektronen freisetzen, die in der Lage sind, den Photoresist zusätzlich zu belichten. Von etwa 5 eV bis etwa 20 eV ist die Photoionisierung der äußeren " Valenzband " -Elektronen der Hauptabsorptionsmechanismus. Oberhalb von 20 eV werden innere Elektronenionisation und Auger-Übergänge wichtiger. Die Photonenabsorption beginnt abzunehmen, wenn sich der Röntgenbereich nähert, da für die höhere Photonenenergie weniger Auger-Übergänge zwischen tiefen Atomebenen zulässig sind. Die absorbierte Energie kann weitere Reaktionen auslösen und schließlich als Wärme abführen. Dies ist mit der Ausgasung und Verunreinigung durch den Fotolack verbunden.

Elektronenstrahlbelichtung

Fotolacke können auch mit Elektronenstrahlen belichtet werden, wodurch die gleichen Ergebnisse erzielt werden wie mit Licht. Der Hauptunterschied besteht darin, dass während Photonen absorbiert werden und ihre gesamte Energie auf einmal ablagern, Elektronen ihre Energie allmählich ablagern und während dieses Prozesses innerhalb des Photoresists streuen. Wie bei hochenergetischen Wellenlängen werden viele Übergänge durch Elektronenstrahlen angeregt, und Erwärmung und Ausgasung sind immer noch ein Problem. Die Dissoziationsenergie für eine CC-Bindung beträgt 3,6 eV. Sekundärelektronen, die durch primäre ionisierende Strahlung erzeugt werden, haben Energien, die ausreichen, um diese Bindung zu dissoziieren und eine Spaltung zu verursachen. Zusätzlich haben die niederenergetischen Elektronen aufgrund ihrer geringeren Geschwindigkeit eine längere Photoresist-Wechselwirkungszeit; Im Wesentlichen muss das Elektron in Bezug auf das Molekül in Ruhe sein, um am stärksten über die dissoziative Elektronenanlagerung zu reagieren, wobei das Elektron am Molekül zur Ruhe kommt und seine gesamte kinetische Energie ablagert. Die resultierende Spaltung zerlegt das ursprüngliche Polymer in Segmente mit niedrigerem Molekulargewicht, die sich leichter in einem Lösungsmittel lösen oder andere chemische Spezies (Säuren) freisetzen, die weitere Spaltreaktionen katalysieren (siehe die Diskussion über chemisch amplifizierte Resists unten). Es ist nicht üblich, Fotolacke für die Elektronenstrahlbelichtung auszuwählen. Die Elektronenstrahllithographie beruht normalerweise auf Resists, die speziell für die Belichtung mit Elektronenstrahlen vorgesehen sind.

Parameter

Die physikalischen, chemischen und optischen Eigenschaften von Fotolacken beeinflussen ihre Auswahl für verschiedene Prozesse.

  • Die Auflösung ist die Fähigkeit, die benachbarten Merkmale auf dem Substrat zu unterscheiden. Die kritische Dimension (CD) ist ein Hauptmaß für die Auflösung.

Je kleiner die kritische Dimension ist, desto höher wäre die Auflösung.

  • Der Kontrast ist der Unterschied zwischen dem belichteten Teil und dem unbelichteten Teil. Je höher der Kontrast ist, desto offensichtlicher wäre der Unterschied zwischen belichteten und unbelichteten Bereichen.
  • Die Empfindlichkeit ist die minimale Energie, die erforderlich ist, um ein genau definiertes Merkmal im Fotolack auf dem Substrat zu erzeugen, gemessen in mJ / cm 2 . Die Empfindlichkeit eines Fotolacks ist wichtig, wenn tiefes Ultraviolett (DUV) oder extremes Ultraviolett (EUV) verwendet wird.
  • Die Viskosität ist ein Maß für die innere Reibung einer Flüssigkeit, die beeinflusst, wie leicht sie fließen wird. Wenn es erforderlich ist, eine dickere Schicht zu erzeugen, wird ein Fotolack mit höherer Viskosität bevorzugt.
  • Die Haftung ist die Haftfestigkeit zwischen Fotolack und Substrat. Wenn sich der Resist vom Substrat löst, fehlen einige Merkmale oder werden beschädigt.
  • Anti-Ätzen ist die Fähigkeit eines Fotolacks, der hohen Temperatur, der unterschiedlichen pH-Umgebung oder dem Ionenbeschuss während des Nachmodifizierungsprozesses zu widerstehen.
  • Oberflächenspannung ist die Spannung, die durch eine Flüssigkeit induziert wird, die dazu neigt, ihre Oberfläche zu minimieren, was durch die Anziehung der Partikel in der Oberflächenschicht verursacht wird. Um die Oberfläche des Substrats besser zu benetzen, müssen Fotolacke eine relativ niedrige Oberflächenspannung aufweisen.

Positiver Fotolack

DNQ- Novolac- Fotolack

Ein sehr häufiger positiver Fotolack, der mit den I-, G- und H-Linien einer Quecksilberdampflampe verwendet wird, basiert auf einer Mischung aus Diazonaphthochinon (DNQ) und Novolakharz (einem Phenolformaldehydharz). DNQ hemmt die Auflösung des Novolakharzes, aber bei Belichtung steigt die Auflösungsrate sogar über die von reinem Novolak hinaus an. Der Mechanismus, durch den unbelichtetes DNQ die Auflösung von Novolak hemmt, ist nicht gut verstanden, es wird jedoch angenommen, dass es mit der Wasserstoffbindung (oder genauer der Diazokopplung im unbelichteten Bereich) zusammenhängt. DNQ-Novolac-Resists werden durch Auflösen in einer basischen Lösung (üblicherweise 0,26 N Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) in Wasser) entwickelt.

Negativer Fotolack

Polymer auf Epoxidbasis

Ein sehr häufiger negativer Fotolack basiert auf einem Polymer auf Epoxidbasis. Der gebräuchliche Produktname ist SU-8 Photoresist und wurde ursprünglich von IBM erfunden , wird aber jetzt von Microchem und Gersteltec verkauft . Eine einzigartige Eigenschaft von SU-8 ist, dass es sehr schwierig ist, sich zu entfernen. Als solches wird es häufig in Anwendungen verwendet, in denen ein permanentes Resistmuster (eines, das nicht abziehbar ist und sogar in rauen Temperatur- und Druckumgebungen verwendet werden kann) für ein Gerät benötigt wird. Der Mechanismus des Polymers auf Epoxidbasis ist in 1.2.3 SU-8 gezeigt.

Offstöchiometrisches Thiol-Enes (OSTE) -Polymer

Im Jahr 2016 wurde gezeigt, dass OSTE-Polymere einen einzigartigen Photolitographiemechanismus besitzen, der auf diffusionsinduzierter Monomerverarmung basiert und eine hohe Photostrukturierungsgenauigkeit ermöglicht. Das OSTE-Polymermaterial wurde ursprünglich am KTH Royal Institute of Technology erfunden und wird jetzt von Mercene Labs verkauft . Während das Material ähnliche Eigenschaften wie SU8 aufweist, hat OSTE den besonderen Vorteil, dass es reaktive Oberflächenmoleküle enthält, die dieses Material für mikrofluidische oder biomedizinische Anwendungen attraktiv machen.

Anwendungen

Mikrokontaktdruck

Der Mikrokontaktdruck wurde 1993 von der Whitesides Group beschrieben. Im Allgemeinen wird bei diesen Techniken ein Elastomerstempel verwendet, um zweidimensionale Muster durch Drucken der "Tinten" -Moleküle auf die Oberfläche eines festen Substrats zu erzeugen.

Erstellen des PDMS-Masters
rightInking und Kontaktprozess

Schritt 1 für den Mikrokontaktdruck. Ein Schema zur Erstellung eines Polydimethylsiloxan ( PDMS ) -Masterstempels. Schritt 2 für den Mikrokontaktdruck Ein Schema des Farb- und Kontaktprozesses der Mikrodrucklithographie .

Leiterplatten

Die Herstellung von Leiterplatten ist eine der wichtigsten Anwendungen von Fotolack. Durch die Fotolithografie kann die komplexe Verkabelung eines elektronischen Systems schnell, wirtschaftlich und genau reproduziert werden, als würde sie von einer Druckmaschine ablaufen. Der allgemeine Prozess besteht darin, Fotolack aufzutragen, das Bild ultravioletten Strahlen auszusetzen und dann zu ätzen, um das kupferkaschierte Substrat zu entfernen.

Eine Leiterplatte-4276

Strukturieren und Ätzen von Substraten

Dies umfasst spezielle Photonikmaterialien, MicroElectro-Mechanical Systems ( MEMS ), Leiterplatten aus Glas und andere Mikromusterungsaufgaben . Photoresist neigt dazu, nicht durch Lösungen mit einem pH-Wert von mehr als 3 geätzt zu werden.

Ein mikroelektrisch-mechanischer Cantilever, der durch Photoätzen hergestellt wurde

Mikroelektronik

Diese Anwendung, die hauptsächlich auf integrierte Siliziumwafer / Siliziumschaltungen angewendet wird, ist die am weitesten entwickelte und auf diesem Gebiet am meisten spezialisierte.

Ein 12-Zoll-Siliziumwafer kann Hunderte oder Tausende von Würfeln für integrierte Schaltkreise tragen

Siehe auch

Verweise