Химия фотолитографии - Chemistry of photolithography

Солнечный элемент с напылением золота и алюминия, изготовленный из кремниевой пластины p-типа <100> в чистой комнате Cal Poly San Luis Obispo Microfab.

Фотолитография это процесс удаления выбранных частей тонкие пленки используется в микротехнология. Микротехнология - это производство деталей в микро- и наноразмерном масштабе, обычно на поверхности кремниевые пластины, для производства интегральные схемы, микроэлектромеханические системы (МЭМС), солнечные батареи, и другие устройства. Фотолитография делает этот процесс возможным за счет комбинированного использования гексаметилдисилазан (HMDS), фоторезист (положительный или отрицательный), центрифугирование, фотомаска, система воздействия и другие различные химические вещества. Тщательно изменяя эти факторы, можно создать микроструктуру практически любой геометрической формы на поверхности кремниевой пластины.^[1] Химическое взаимодействие между всеми различными компонентами и поверхностью кремниевой пластины делает фотолитографию интересной химической проблемой. Современная наука смогла создать особенности на поверхности кремниевых пластин от 1 до 100мкм.^[2]

Кремниевая пластина

Пластины кремния вырезаются из сплошного слитка почти чистого (99,9999999%) кремния. Это делается в процессе Рост Чохральского, который показан на соседнем изображении, и дает единственный неповрежденный алмаз кубический кристалл кремния. Монокристаллический кремний благодаря своей структуре анизотропный, что придает ему различные структурные и электрические свойства в разных направлениях плоскости. С помощью индексы Миллера Для обозначения различных ориентаций плоскостей в кремниевых пластинах обычно используются грани (1,0,0) и (1,1,1) (см. изображение). Слиток кремния ориентируют и разрезают вдоль одной из этих плоскостей, чтобы открыть эту поверхность для обработки посредством фотолитографии. Причина использования любой из этих плоских поверхностей зависит от приложения, для которого будет использоваться силиконовая пластина, или от того, как она будет обрабатываться. В любом случае, это зависит от использования травителей, фоторезиста и кислот для обработки поверхности, а химическое взаимодействие этих химических веществ с поверхностью кристалла зависит от свойств поверхности этой поверхности кристалла. В таблице справа показаны поверхностные энергии, атомные плотности и межатомное расстояние в трех плоскостях кристалла кремния.^[3]

Формование слитков кремния с использованием процесса Чохральского

Кристаллические грани кристалла кремния

Поверхностная энергия, атомная плотность и расстояние между кремнием для каждого планарного 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
Интервал (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 в процессе травления. Фоторезисты состоят из трех основных компонентов: растворителя, смолы и сенсибилизатора (или фотоактивного соединения). Компаунд наносится на силиконовую пластину в жидкой форме, а полимеризация регулируется воздействием света. Поскольку фоторезисты являются неполярными соединениями, а диоксид кремния имеет полярный характер, между двумя материалами могут возникать проблемы с адгезией. Когда фоторезист не приклеивается должным образом, детали теряют разрешение. Адгезия фоторезиста становится очень важной по мере уменьшения размеров элементов. Чтобы надежно создавать мелкие детали, поверхность кремниевой пластины должна быть гидрофобной, чтобы способствовать адгезии фоторезиста.

Характеристики адгезии можно наблюдать и тестировать с помощью гониометр тестовое задание. Характеристики поверхностной энергии кремниевой пластины можно измерить, поместив каплю деионизованной воды или этиленгликоля и измерив угол смачивания капли. Используя соотношение Юнга и табличные значения межфазной энергии, мы можем оценить поверхностную энергию твердого тела.^[8]

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

      ${\displaystyle \gamma _{\mathrm {SG} }}$ - Межфазная энергия между твердым телом и паром ${\displaystyle {(J/m^{2})}}$      ${\displaystyle \gamma _{\mathrm {SL} }}$ - Межфазная энергия между твердым телом и жидкостью ${\displaystyle {(J/m^{2})}}$      ${\displaystyle \gamma _{\mathrm {LG} }}$ - Межфазная энергия между жидкостью и паром ${\displaystyle {(J/m^{2})}}$      θ   - Угол контакта

Схема капли жидкости на твердой поверхности, позволяющая дополнительно объяснить уравнение отношения Юнга.

Положительное сопротивление

Положительные фоторезисты состоят из новолачной смолы, этиллактатного растворителя и диазонафтахинона (DQ) в качестве фотоактивного соединения.^[9] Положительный фоторезист реагирует со светом, вызывая разрушение полимера и его растворение в растворе проявителя. Положительный резист имеет лучшую стойкость к травлению, чем отрицательный фоторезист. Положительные резисты лучше подходят для создания элементов небольшого размера, но они не прилипают к кремниевым пластинам так же, как отрицательные резисты. При создании мелких деталей очень важно иметь хорошую адгезию.

Отрицательное сопротивление

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

HMDS

Обработка кремниевой пластины HMDS, чтобы сделать кремниевую пластину гидрофобной.

Распространенным методом увеличения адгезии фоторезиста к поверхности кремниевой пластины является обработка пластины Гексаметилдисилазан (HMDS). Новая кремниевая пластина имеет полярную поверхность и немного адсорбированной воды на поверхности.^[10] Вафля может подвергаться обезвоживанию для удаления адсорбированной воды, после чего следует обработка HMDS, также известная как этап грунтовки. HMDS можно наносить в жидкой форме на пластину с помощью шприца, в то время как пластина прикреплена к вакуумному патрону в центрифугирование. HMDS также может применяться в газовой форме в процессе, известном как первичный пар. HMDS способствует хорошей адгезии фоторезиста к пластине, поскольку обеспечивает гидрофобный. После обработки HMDS поверхностный оксид кремния становится силикатным, оставляя неполярную поверхность.^[11] Чистая кремниевая грань (100) имеет значение поверхностной энергии 56,9 мН / м, которое снижается до значения 44,1 мН / м после обработки HMDS.^[12] Молекулярная формула гексаметилдисилазана: C₆ЧАС₁₉NSi₂.

Химический состав гексаметилсилазана

3D изображение HMDS

Покрытие отжимом

При нанесении покрытия центрифугированием используются четыре основных параметра: вязкость раствора, содержание твердого вещества (плотность), угловая скорость и время центрифугирования.^[13] Путем нанесения покрытия центрифугированием можно добиться различной толщины. Чаще всего толщина составляет от 1 до 200 мкм. Основные свойства, влияющие на толщину пленки, - это вязкость и скорость отжима. Чем более вязким будет растворитель, тем толще будет пленка и чем быстрее будет вращаться пластина, тем тоньше будет пленка. Манипулируя этими двумя факторами, можно получить различный диапазон толщины.

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

      ρ - плотность ${\displaystyle {(kg/m^{3})}}$      μ - вязкость ${\displaystyle {(Pa\cdot s)}}$      ω - угловая скорость ${\displaystyle {(rad/s)}}$      т - время ${\displaystyle {(s)}}$

Плотность и вязкость относятся к реальным свойствам фоторезиста. Этим параметром можно управлять, разбавляя фоторезист и добавляя к нему различные компоненты, чтобы изменить его свойства. Угловая скорость и время зависят от машины для нанесения покрытий, а также от того, насколько быстро она вращается и как долго.

Распространенной проблемой при нанесении покрытий методом центрифугирования является "скопление" растворителя на краю кремниевой пластины. Процесс, известный как промывка тыльной стороны, обычно используется для отделения этой бусинки от вафли. Путем программирования нескольких различных скоростей вращения в устройстве для нанесения покрытия центрифугированием толщину растворителя можно сделать однородной без «вздутий» по краям.

Типичное устройство для нанесения покрытия методом центрифугирования для нанесения HMDS 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 пластины, таким как некруглые подложки, негабаритные подложки, хрупкие подложки и расход материала. Одно из возможных решений этой проблемы - распыление фоторезиста на поверхность.^[14] Распыляя фоторезист на поверхность пластины вместо нанесения покрытия центрифугированием, можно сэкономить много фоторезиста, и можно будет изготавливать более мелкие и более точные детали. Покрытие распылением все еще находится в стадии разработки, и необходимо провести гораздо больше исследований, чтобы сделать его рентабельным и применимым.

Смотрите также

• фотолитография
• микротехнология
• литография
• фотомаска
• HMDS
• фоторезист
• центрифугирование

использованная литература

1. Фуркас, Джон Т. (15 апреля 2010 г.). «Наноразмерная фотолитография в видимом свете». Письма в Журнал физической химии. 1 (8): 1221–1227. Дои:10.1021 / jz1002082.
2. Микроэлектромеханические системы
3. Сяоге, Грегори Чжан (30 сентября 2001 г.). Интерфейс кремний / электролит. ISBN  9780306465413.
4. Сяоге, Грегори Чжан (30 сентября 2001 г.). Интерфейс кремний / электролит. ISBN  9780306465413.
5. Сяоге, Грегори Чжан (30 сентября 2001 г.). Интерфейс кремний / электролит. ISBN  9780306465413.
6. Жакодин, Р. Дж. (1963). «Поверхностная энергия германия и кремния». Журнал Электрохимического общества. 110 (6): 524. Дои:10.1149/1.2425806. Получено 3 июн 2012.
7. Здыб, А; Ольховик, Муха (2006). «Зависимость поверхностной энергии GaAs и Si от угла разориентации кристаллических плоскостей». Материаловедение - Польша. 24 (4): 1110.
8. Чоу, Т. С. (13 июля 1998 г.). «Смачивание шероховатых поверхностей». Журнал физики: конденсированное вещество. 10 (27): L445 – L451. Bibcode:1998JPCM ... 10L.445C. Дои:10.1088/0953-8984/10/27/001.
9. Дарлинг, Р. Б. «Позитивные фоторезисты» (PDF). Вашингтонский университет. Архивировано из оригинал (PDF) 15 августа 2010 г.. Получено 3 июн 2012.
10. «Продвижение адгезии при очистке подложки» (PDF). Получено 24 мая 2012.
11. Чен, Джем-Кун; Се, Хуанг; Куо, Чанг (29 октября 2008 г.). «Кисти из поли (метилметакралата)» (PDF). Макромолекулы. 41 (22): 8729. Bibcode:2008MaMol..41.8729C. Дои:10.1021 / ma801127m.^{[постоянная мертвая ссылка ]}
12. Чен, Се, Хуан, Ли, Го, Чанг, Джем-Кун, Чжи-И, Чжи-Фэн, П.М., Шяо-Вэй, Фэн-Чжи. «Использование погружения в растворитель для изготовления кистей из поли (метилметакрилата) с различным рисунком на кремниевых поверхностях» (PDF). Макромолекулы, 2008, 41 (22).^{[постоянная мертвая ссылка ]}
13. Ши, Джи-Рен; Ян, Юнг-Куанд (26 апреля 2008 г.). «Оптимизация процесса покрытия фоторезистом для фотолитографии в производстве пластин с помощью радиальной базовой нейронной сети: тематическое исследование». Микроэлектронная инженерия. 85 (7): 1664–1670. Дои:10.1016 / j.mee.2008.04.019.
14. Пабо, Э.Ф. (7–9 декабря 2011 г.). «Достижения в технологиях нанесения покрытий распылением для МЭМС, 3DIC и других приложений». Конференция по технологиям упаковки электроники. 13: 349–353. Дои:10.1109 / EPTC.2011.6184444. ISBN  978-1-4577-1982-0. S2CID  34003957.