Автор работы: Пользователь скрыл имя, 09 Июня 2015 в 11:29, реферат
Термин литография (от греческого lithos — камень, grapho — пишу) первоначально служил для обозначения способа печати, в котором в качестве печатной формы использовался шлифованный известняк. На его гидрофильную (смачиваемую водой) поверхность при помощи жирового карандаша вручную наносили рисунок. Олеофильные места изображения смачивались гидрофобной печатной краской, в то время как свободная поверхность известняка, увлажненная водой, печатную краску не воспринимала. Печатная краска с литографического камня (первой формы плоской печати) с помощью прижима переносилась на бумагу. Перед каждым нанесением краски поверхность известняка снова смачивали водой.
Фоторезисты являются многокомпонентными мономерно-полимерными материалами, в состав которых входят: светочувствительные (поливинилциннаматы — в негативные фоторезисты и нафтохинондиазиды — в позитивные) и пленкообразующие (чаще всего это различные фенолформальдегидные смолы, резольные и новолачные смолы) вещества, а также растворители (кетоны, ароматические углеводороды, спирты, диоксан, циклогексан, диметилформамид и др.).
В процессе фотолитографии фоторезисты выполняют две функции: с одной стороны, являясь светочувствительными материалами, они позволяют создавать рельеф рисунка элементов, а с другой, обладая резистивными свойствами, защищают технологический слой при травлении.
Рельеф образуется в результате того, что под действием актиничного излучения, падающего через фотошаблон на определенные участки слоя фоторезиста, он изменяет свои первоначальные свойства. Для большинства фоторезистов актиничным является ультрафиолетовое излучение.
В основе создания рельефа в пленке негативных фоторезистов лежит использование фотохимической реакции фотоприсоединения - фотополимеризации, а в пленке позитивных фоторезистов - реакции фоторазложения - фотолиза. При фотополимеризации происходит поперечная сшивка молекул полимера, в результате чего они укрупняются. После экспонирования под действием актиничного излучения изменяется структура молекул полимера, они становятся трехмерными и их химическая стойкость увеличивается.
При фотолизе в фоторезисте под воздействием актиничного излучения у молекул полимера происходит обрыв слабых связей и образуются молекулы менее сложной структуры. Таким образом, фотолиз является процессом, противоположным фотополимеризации. Получающийся в результате фотолиза полимер обладает пониженной химической стойкостью.
Многие полимерные вещества, из которых изготовляют фоторезисты, содержат функциональные группы, поглощающие свет в ультрафиолетовой области спектра. Собственная светочувствительность полимера при введении в него специальные добавок — стабилизаторов и сенсибилизаторов может изменяться в широких пределах. Одна и та же добавка для различных полимеров может служить и стабилизатором и сенсибилизатором. Объясняется это тем, что эффект действия добавок определяется не только их химическим составом, но и энергетическим взаимодействием с исходным полимером.
В зависимости от характера протекающих в фоторезисте фотохимических реакций определяется и тип фоторезиста — позитивный или негативный.
Негативные фоторезисты под действием актиничного излучения образуют защищенные участки рельефа. После термообработки - задубливания - в результате реакции фотополимеризации освещенные при экспонировании участки не растворяются в проявителе и остаются на поверхности подложки. При этом рельеф представляет собой негативное изображение элементов фотошаблона.
В качестве негативных фоторезистов применяют составы на основе сложного эфира поливинилового спирта и коричной кислоты (С6Н5—СН = СН—СООН). Эти составы называют поливинилциннаматами (ПВЦ) и их формула имеет вид R1 — [O — R2]n , где R1 — макромолекула поливинилового спирта, содержащая большое количество атомов; R2 - светочувствительные циннамоильные группы, представляющие собой продукты коричной кислоты.
Молекулы ПВЦ представляют собой длинные спирали, состоящие из десятков тысяч атомов (молекулярная масса до 200 тыс. ед.). При поглощении фотонов ультрафиолетового излучения в результате фотохимической реакции фотополимеризации происходит разрыв слабой двойной связи — С = С -циннамоильной группы и образовавшиеся свободные связи сшивают молекулы полимера в химически стойкую трехмерную структуру.
В зависимости от способов получения и свойств исходных продуктов фоторезисты на основе ПВЦ могут обладать различными характеристиками по светочувствительности, разрешающей способности, кислотостойкое и др.
Фоторезисты на основе ПВЦ представляют собой белый порошок, растворяющийся в органических растворителях (смесях толуола с хлорбензолом, ацетата этиленгликоля с метаксилолом и др.). Проявителями для этих фоторезистов служит трихлорэтилен или его смесь с изопропиловым спиртом. Время проявления 0,5 — 1 мин. Фоторезисты на основе ПВЦ имеют удовлетворительную кислотостойкость: они не выдерживают воздействия концентрированной плавиковой кислоты, но устойчивы к травителям с небольшим ее содержанием.
Повышенной кислотостойкостью обладают негативные фоторезисты на основе изопропилового каучука, циклокаучука и других каучуков с различными добавками. Так как сами каучуки не являются светочувствительными веществами, в состав фоторезистов вводят светочувствительные диазосоединения — сенсибилизаторы. Под действием света молекула диазосоединения разлагается с потерей молекулы азота, образуя новые вещества — нитрены, которые вступают в реакцию с макромолекулами каучука. В результате образуется стойкая трехмерная структура. Растворителем для таких фоторезистов служит смесь ксилола с толуолом, а в качестве проявителей используются составы на основе ксилола-толуола, уайт-спирита.
В зависимости от характера протекающих в фоторезисте фотохимических реакций определяется и тип фоторезиста — позитивный или негативный.
Негативные фоторезисты под действием актиничного излучения образуют защищенные участки рельефа. После термообработки — задубливания — в результате реакции фотополимеризации освещенные при экспонировании участки не растворяются в проявителе и остаются на поверхности подложки. При этом рельеф представляет собой негативное изображение элементов фотошаблона.[15]
В зависимости от механизма фотохимических процессов, протекающих под действием излучения, растворимость экспонированных участков фоторезиста может либо возрастать, либо падать. В первом случае фоторезисты называют позитивными, во втором — негативными. Пленка позитивного фоторезиста под действием излучения становится неустойчивой и растворяется при проявлении (рисунок 1.4 а), пленка негативного фоторезиста, наоборот, под действием излучения становится нерастворимой, в то время как неосвещенные участки при проявлении растворяются (рисунок 1.4 б).
Рисунок 1.4- Получение рисунка для позитивного (а) и негативного (б) фоторезистов: 1 — фотошаблон; 2— пленка фоторезиста; 3 — пленка; 4 — подложка
Широкое распространение получили фоторезисты, чувствительные к ультрафиолетовому излучению. Это негативные фоторезисты на основе поливинилциннамата, в которых в результате фотохимических реакций происходит сшивание молекул в полимерные структуры, и позитивные фоторезисты на основе нафтохинондиазидов, в которых под действием света происходит разрушение межмолекулярных связей. Спектры поглощения этих фоторезистов представлены на рисунке 1.5.
Рисунок 1.5-. Спектры поглощения фоторезистов: 1 — позитивный; 2 — негативный
Для позитивного фоторезиста спектральная характеристика содержит несколько максимумом поглощения, длинноволновая граница поглощения соответствует 460—480 нм. Для негативного резиста длинноволновая граница 310 нм. Введением специальных веществ — сенсибилизаторов — она сдвигается до 400—420 нм (штриховая линия).
Критерием чувствительности является получение локальных участков с высокими защитными свойствами. Для негативных фоторезистов это означает задубливание или полимеризацию в экспонированных участках на глубину, достаточную для защиты от воздействия травителей. Экспериментально найдено, что с увеличением экспозиции Н (энергии излучения на единицу площади) растет толщина слоя hs, в котором произошло сшивание молекул. Зависимость, связывающая толщину этого слоя с экспозицией, называется характеристической кривой (рисунок 1.6).
Рисунок 1.6 –Характеристическая кривая: а) негативного фоторезиста, б) позитивного фоторезиста
Как показали исследования, наилучшее качество рисунка, в частности четкость края, достигается, если hs близка к полной толщине слоя фоторезиста. Критерием чувствительности позитивного фоторезиста является полное удаление пленки фоторезиста в экспонированных участках. Полное удаление происходит в том случае, если достигается максимальная скорость проявления. Зависимость скорости проявления от экспозиции является характеристической кривой для позитивного фоторезиста изображена на рисунке 1.6 б.
Разрешающая способность слоя фоторезиста определяется как число задубленных линий на 1 мм, разделенных свободными от резиста промежутками. Разрешающая способность слоя зависит от его толщины и составляет для используемых в настоящее время фоторезистов 2000 лин./мм при толщине 0,2—0,3 мкм.
Разрешающая способность, характеризующая слой фоторезиста, обычно не достигается при создании рисунка в пленке SiО2. Это обусловлено рядом факторов, влияющих на процесс фотолитографии, таких как параметры источника излучения, метод получения пленки Si02 и обработка ее поверхности, выбор травителя и так далее. В связи с этим вводится еще одно понятие разрешающей способности, характеризующей для данного фоторезиста фотолитографический процесс в целом. Разрешающая способность процесса определяется как число линий, вытравленных в пленке Si02 (толщиной 0,5—1 мкм) на 1 мм и чередующихся с линиями окисла такой же ширины. Эта разрешающая способность достигает -400 лин./мм.
Этот параметр определяет стойкость фоторезистов к воздействию агрессивных травителей. Нестойкость проявляется в растравливании пленки Si02 на границах рельефа, в результате чего возникает «клин» — растравленная область с переменной толщиной Si02. Кислотостойкость принято характеризовать отношением толщины пленки Si02 h к ширине растравленной области х, которое называют обычно клином травления (рисунок 1.7).
Рисунок 1.7- Подтравливание на границе рельефа окисной пленки: 1 —пленка фоторезиста; 2 — пленка Si02; 3 — подложка
Основные требования к фоторезистам состоят в повышении их чувствительности, разрешающей способности и кислотостойкости. Кроме этих требований выдвигается ряд других, выполнение которых также существенно влияет на качество фотолитографического процесса. Фоторезисты должны обеспечивать получение тонких (от 0,2 до 3 мкм) и сплошных пленок, достаточно легко наносимых и удаляемых с подложки, обладать высокой адгезией к подложке.
Следующим важным свойством резиста является его адгезия. В приложении к фотолитографии, адгезия – это способность слоя фоторезиста препятствовать проникновению травителя к подложке по периметру создаваемой резистной маски.
Адгезию фоторезистного слоя определяют как время отрыва слоя фоторезиста заданных размеров от подложки в ламинарном потоке растворителя. Адгезия считается удовлетворительной, если слой резиста 20 х 20 мкм2 отрывается за 20 мин.
И, наконец, чрезвычайно важным свойством фоторезиста служит дефектность сформированной из него резистной маски. Под дефектностью понимается количество микроскопических дефектов пленки, проявляющих себя на последующих стадиях технологических стадиях обработки подложек через резистную маску. Обычно дефектность выражают в [см-2] [16,17].
Нанесение фоторезиста — одна из важнейших операций, так как от нее зависят качество покрытия, а значит, и кислотостойкость, адгезия и воспроизводимость геометрических размеров рисунка. Слой фоторезиста чаще всего наносят центрифугированием (рисунок 1.10).
Рисунок 1.10 – Нанесение фоторезиста центрифугированием:
1— дозатор для подачи резиста; 2— подложка; 3— столик центрифуги; 4— привод; 5— двигатель; 6—тахометр;
Пластину с каплей фоторезиста помещают в центре платформы центрифуги (от латинских слов centrum — центр + fuga — бегство), прижимают с помощью вакуумного присоса и приводят во вращение вместе с платформой. Центробежные силы выравнивают фоторезист на поверхности. Таким методом за 20...30 с получают слой 0,5...20 мкм в зависимости от числа оборотов центрифуги (500...2000 об/мин) и вязкости фоторезиста. При центрифугировании толщина и качество слоя зависят от температуры и влажности окружающей среды. Центрифугированием трудно получить равномерные слои толщиной более 2 мкм, разброс по толщине составляет ±10 %, в слое резиста имеются механические напряжения. В центр вращения пластины или подложки возможно засасывание включений из внешней среды.
Достоинства данного способа состоят в следующем:
Недостатки этого метода:
Нанесение резиста распылением позволяет получать широкий интервал толщины слоев, причем подложка может иметь неплоскую поверхность (рисунок 1.11).
Рисунок 1.11 – Нанесение резиста распылением (пульверизацией ): 1—область разрежения; 2— сопло; 3—форсунка подачи резиста; 4-регулирующая игла; 5- распыляющий газ; 6-подача ФР
Резист наносится из пневматической форсунки. Параметры слоя зависят от давления и температуры воздуха, расстояния от сопла до подложки, вязкости резиста и концентрации сухого продукта, типа растворителя.