Доклад по дисциплине «Физические и технологические основы фотоники» на тему: «Фоторезисты» Студент гр. Т М-19: Ткаченко Т.П. г.Москва 2019

В случае позитивного резиста вытравливаются экспонированные участки сформированного скрытого изображения, т.е. участки, подвергшиеся воздействию излучения, а в случае негативного – наоборот, неэкспонированные. Фотолитография – процесс формирования на поверхности подложки элементов микросхем с помощью чувствительных к излучениям покрытий, способных воспроизводить заданное взаимное расположение и конфигурацию этих элементов. Фоторезист – светочувствительный материал, изменяющий свои свойства (прежде всего растворимость) под воздействием актинич­ного излучения.

Актиничными, или экспонирующими излучениями служат высокоэнергетические электромагнитные и корпускулярные потоки (лучи, пучки), способные при кратковременном воздействии определенным образом, зависящим от природы излучения и типа резиста, изменять структуру и свойства чувствительного слоя, обеспечивая возможность получения и фиксации скрытого изображения и его последующего проявления. Наиболее распространенным классическим актиничным излучением, используемым в литографических процессах технологий производства, служит оптическая ультрафиолетовая область электромагнитного излучения (УФИ), так называемый ближний и средний ультрафиолет с длинами волн от 360 до 450 нм и от 300 до 360 нм соответственно.

В классической фотолитографии в качестве актиничного излучения обычно используется ближнее и среднее УФИ, а в современных, более продвинутых технологиях – дальнее УФИ (глубокий или экстремальный ультрафиолет с длиной волны около 13,5 нм - ЭУФ или EUV, Extreme Ultraviolet). Источниками ближнего и среднего УФИ в классической фотолитографии служат ртутные лампы, которые в зависимости от выделенной полосы (линии) излучения дают среднее УФИ с длиной волны 365 нм (J линия) и два ближних в видимой оптической области с длинами волн 405 нм (H линия) и 435 нм (G линия). Для получения дальнего (глубокого или экстремального) УФИ используют эксимерные лазеры - газовые лазеры, работающие на электронных переходах эксимерных молекул (от англ. excited dimer - возбуждённых димеров, существующих только в электронно возбуждённом состоянии) инертных газов (Kr, Ar и Хе ) и галогенов, в первую очередь, фтора: KrF (248 нм), ArF (198 нм), а также F 2 (157 нм) и Хе 2 (13 нм).

Фоторезисты представляют собой сложные смеси (композиции) органических веществ (компонентов), образующих исходную тонкую пленку (фоточувствительный слой) на поверхности подложки микроструктуры или пластины фотошаблона, из которой при избирательном воздействии УФИ (экспонировании через фотошаблон) формируется скрытое изображение требуемого рисунка, воспроизводящего топологию микроструктуры, а при проявлении – явное изображение этого рисунка.

Состав фоторезистов 1. Основной полимерный или полимерообразующий (реакционноспосоный преполимерный или олигомерный) компонент, обеспечивающий пленкообразующую способность композиции. 2. Светочувствительный компонент (фотосенсибилизатор, фотоактиватор), который при воздействии соответствующего излучения (экспонировании) в результате протекания сложных фотохимических превращений способствует резкому изменению структуры и свойств основного компонента – обеспечивает сохранение растворимости в облученных областях и ее потерю в необлученных (в позитивном фоторезисте) и, наоборот - потерю растворимости в облученных областях и ее сохранение - в необлученных (в негативном фоторезисте). 3. Растворители или разбавители для однородного распределения компонентов и регулирования вязкости и смачивающей способности исходной композиции. 4. Специальные добавки для придания композиции требуемых свойств, в частности, для изменения спектральной характеристики светочувствительного компонента, для улучшения смачивания и адгезии фоторезистивного слоя к подложке (промоторы адгезии), для повышения плазма стойкости, кислотостойкости и других свойств маски фоторезиста.

Позитивные фоторезисты Позитивные фоторезисты, являющиеся "рабочей лошадкой" как в микроэлектронной промышленности, так и в производстве МЭМС-МСТ, в подавляющем большинстве производятся на основе новолачных (термопластичных) фенол- (обычно крезол-) формальдегидных смол (олигомеров), УФ сенсибилизаторов (производных эфиров диазохинона) и различных органических растворителей. Они экспонируются ближними и средними УФИ, в частности линиями I (365 нм) и G (436 нм) ртутно-кварцевых ламп. В промышленных фоторезистах используются новолачные крезол формальдегидные смолы в виде сложных смесей, реже индивидуальных м- и п-метиленкрезольных олигомеров, содержащих от 20 до 50 повторяющихся звеньев ( с молекулярной массой обычно от от 2400 до 5400). В качестве растворителей в позитивных отечественных фоторезиствах используются диглим (диметиловый эфир диэтиленгликоля), реже – диоксан, а в зарубежных – кетоны или ацетаты, например, метоксипропилацетат, или 2-метокси-1-метилэтил ацетат. Минимальный размер элементов - 0,25 мкм.

При облучении УФИ молекулы НХД претерпевают сложные химические превращения с перегруппировкой Вольфа (Wolff rearrangement): вследствие электронного возбуждения под действием УФИ НХД теряет диазогруппу в виде молекулы азота и перегруппируется в кетокарбен, а затем в кетен с превращением одного 6-ти членного цикла в 5-ти членный. На конечной стадии перегруппировки образуется инден карбоновая кислота или ее эфир, которые вместе с НС хорошо растворяются в водных растворах оснований. НХД - орто-диазонафтохинон или орто-нафтохинондиазид

Негативные фоторезисты Основным типом негативных фоторезистов, широко применяемым в современной фотолитографии и для формирования жертвенных слоев толщиной до 2 мм и столбчатых структур с высоким (до 20) характеристическим (аспектным) отношением (отношением высоты структуры к минимальному размеру ее поперечного сечения), являются фоторезисты на основе полифункциональных эпоксидных смол, главным образом эпоксидированных новолачных крезол- ибис фенолформальдегидных смол, т.е. глицидиловых эфиров этих смол В качестве сенсибилизаторов - фото активаторов отверждения этих смол под действием УФИ используются смешанные соли триарилсульфония и анионов кислот Льюиса, которые при воздействии УФИ образуют кислоту Льюиса, катализирующую отверждение эпоксидных смол через раскрытие эпоксидных циклов

Схемы реакций разложения соли триарилсульфония и аниона кислоты Льюиса под воздействием УФИ (а) и каталитической реакции отверждаения эпоксидной смолы - образования сетчатого полимера – полигидроксиэфира (б). Проявление негативных фоторезистов заключается в простом растворении необлучённых участков в органических растворителях (толуоле, диоксане, хлорбензоле, трихлорэтилене и других).

Сравнение типов фоторезистов Преимуществом проявления позитивных фоторезистов по сравнению с негативными является отсутствие набухания необлучённых участков в растворе проявителя. Поэтому они имеют большую разрешающую способность и меньшую зависимость её от толщины плёнки фоторезиста. Негативные фоторезисты обладают по сравнению с позитивными фоторезистами рядом преимуществ, в частности: 1. Большую технологическую широту, т.е. широкий выбор технологических параметров, при которых получается резистные маски хорошего качества. 2. Нечувствительность к перепроявлению. 3. Хорошую адгезию и стойкость к жидкостному травлению. 4. Способностью к "самокоррекции", т.е. размеры неэкспонированных участков могут быть подкорректированы в требуемом направлении за счет подтравливания при последующем изотропном жидкостном травлении. 5. Широкий выбор компонентов фоторезистных композиций и составов проявителей. К наиболее серьезным их недостаткам относятся: 1. Разрешающая способность ограничена сравнительно высокой толщиной фоторезистной пленки. Существует эмпирическое правило, согласно которому типичные критические размеры получаемых фотолитографическим методом элементов будут не менее утроенной толщины фоторезистного слоя. 2. Кислород сильно ингибирует процесс образования резистных масок. 3. Их трудно использовать для так называемой "взрывной фотолитографии", или обратной фотолитографии.

Минимальный размер определяется длиной волны используемого света. Длина волны видимого света 0,35 – 0,7 мкм; ультрафиолетового излучения (УФ) – 0,1 – 0,3 мкм. Таким образом, использование УФ позволяет получить с помощью фотолитографии минимальный размер Δl ~ 0,1 мкм. Применяемая сейчас литографическая технология позволяет наносить шаблон с минимальной шириной проводников 0,1 мкм, в то время как EUV-литография делает возможной печать линий гораздо меньшей ширины - до 0,03 мкм. Рентгенорезист также наносят методом центрифугирования, однако толщина его меньше, чем фоторезиста, и составляет 0,1-0,5 мкм. Проецируют изображение фотошаблона на пластину с зазором 3-10 мкм. Проявляют рентгенорезист на основе полиметилметакрилата в смеси, содержащей 40% мет изобутилового кетона и 60% изопропилового спирта. Дифракционные эффекты, препятствующие использованию видимого и даже коротковолнового УФ - света, не являются помехой для рентгеновских лучей, длина волны которых менее 1 нм. Рентгеновская литография