Fotoprotector - Photoresist
Un fotorresistente (también conocido simplemente como resist ) es un material sensible a la luz que se utiliza en varios procesos, como fotolitografía y fotograbado , para formar un revestimiento estampado en una superficie. Este proceso es crucial en la industria electrónica .
El proceso comienza recubriendo un sustrato con un material orgánico sensible a la luz. Luego se aplica una máscara estampada a la superficie para bloquear la luz, de modo que solo las regiones sin máscara del material queden expuestas a la luz. Luego se aplica un solvente, llamado revelador, a la superficie. En el caso de una fotorresistencia positiva, el material fotosensible se degrada con la luz y el revelador disolverá las regiones que fueron expuestas a la luz, dejando una capa donde se colocó la máscara. En el caso de una fotorresistencia negativa, el material fotosensible se refuerza (ya sea polimerizado o reticulado) por la luz, y el revelador disolverá solo las regiones que no fueron expuestas a la luz, dejando una capa en las áreas donde se colocó la máscara. no colocado.
Se puede aplicar un revestimiento BARC (revestimiento antirreflectante inferior) antes de aplicar la fotorresistencia, para evitar que se produzcan reflejos debajo de la fotorresistencia y para mejorar el rendimiento de la fotorresistencia en nodos semiconductores más pequeños.
Definiciones
Fotoprotector positivo
Un fotoprotector positivo es un tipo de fotoprotector en el que la parte del fotoprotector que se expone a la luz se vuelve soluble para el revelador del fotoprotector. La parte no expuesta del fotorresistente permanece insoluble para el revelador del fotorresistente.
Fotoprotector negativo
Un fotoprotector negativo es un tipo de fotoprotector en el que la parte del fotoprotector que se expone a la luz se vuelve insoluble para el revelador del fotoprotector. La parte no expuesta del fotoprotector es disuelta por el revelador del fotoprotector.
Diferencias entre resistencia positiva y negativa
La siguiente tabla se basa en generalizaciones generalmente aceptadas en la industria de fabricación de sistemas microelectromecánicos (MEMS) .
| Característica | Positivo | Negativo |
| Adhesión al silicio | Justo | Excelente |
| Coste relativo | Más caro | Menos costoso |
| Base de desarrolladores | Acuoso | Orgánico |
| Solubilidad en el revelador | La región expuesta es soluble | La región expuesta es insoluble |
| Característica mínima | 0,5 µm | 2 µm |
| Cobertura escalonada | Mejor | Más bajo |
| Resistencia química húmeda | Justo | Excelente |
Tipos
Según la estructura química de los fotorresistentes, se pueden clasificar en tres tipos: fotopoliméricos, fotodescomponentes y fotorreticulantes.
El fotorresistente fotopolimérico es un tipo de fotorresistente, generalmente monómero de alilo, que podría generar radicales libres cuando se expone a la luz, luego inicia la fotopolimerización del monómero para producir un polímero. Los fotoprotectores fotopoliméricos se utilizan normalmente para fotoprotectores negativos, por ejemplo, metacrilato de metilo.
El fotorresistente de fotodescomposición es un tipo de fotorresistente que genera productos hidrófilos bajo la luz. Los fotoprotectores fotodescomponentes se utilizan normalmente para fotoprotectores positivos. Un ejemplo típico es la azida quinona, por ejemplo, diazonaftaquinona (DQ).
El fotorresistente fotocruzante es un tipo de fotorresistente, que podría reticularse cadena por cadena cuando se expone a la luz, para generar una red insoluble. Los fotoprotectores fotocruzantes se utilizan normalmente para fotoprotectores negativos.
Polímeros de tiol-enos fuera de estequiometría (OSTE)
Para el fotorresistente SAM monocapa autoensamblado , primero se forma un SAM en el sustrato por autoensamblaje . Luego, esta superficie cubierta por SAM se irradia a través de una máscara, similar a otro fotorresistente, que genera una muestra foto-estampada en las áreas irradiadas. Y finalmente se usa revelador para quitar la parte diseñada (podría usarse como fotorresistencia positiva o negativa).
Fuentes de luz
Absorción a UV y longitudes de onda más cortas
En litografía, disminuir la longitud de onda de la fuente de luz es la forma más eficiente de lograr una resolución más alta. Los fotorresistentes se utilizan con mayor frecuencia en longitudes de onda en el espectro ultravioleta o más cortas (<400 nm). Por ejemplo, la diazonaftoquinona (DNQ) absorbe fuertemente desde aproximadamente 300 nm a 450 nm. Las bandas de absorción se pueden asignar a las transiciones n-π * (S0 – S1) y π-π * (S1 – S2) en la molécula DNQ. En el espectro ultravioleta profundo (DUV), la transición electrónica π-π * en cromóforos de benceno o carbono de doble enlace aparece alrededor de 200 nm. Debido a la aparición de más posibles transiciones de absorción que implican mayores diferencias de energía, la absorción tiende a aumentar con una longitud de onda más corta o una mayor energía de fotones . Los fotones con energías que exceden el potencial de ionización de la fotorresistencia (pueden ser tan bajos como 5 eV en soluciones condensadas) también pueden liberar electrones que son capaces de una exposición adicional de la fotorresistencia. Desde aproximadamente 5 eV hasta aproximadamente 20 eV, la fotoionización de los electrones externos de la " banda de valencia " es el principal mecanismo de absorción. Por encima de 20 eV, la ionización de electrones internos y las transiciones de Auger se vuelven más importantes. La absorción de fotones comienza a disminuir a medida que se acerca la región de rayos X, ya que se permiten menos transiciones de Auger entre niveles atómicos profundos para la energía de fotones más alta. La energía absorbida puede provocar más reacciones y, en última instancia, se disipa en forma de calor. Esto está asociado con la desgasificación y la contaminación del fotorresistente.
Exposición al haz de electrones
Los fotorresistentes también pueden exponerse mediante haces de electrones, produciendo los mismos resultados que la exposición a la luz. La principal diferencia es que mientras los fotones se absorben, depositando toda su energía a la vez, los electrones depositan su energía gradualmente y se dispersan dentro de la fotorresistencia durante este proceso. Al igual que con las longitudes de onda de alta energía, muchas transiciones son excitadas por haces de electrones, y el calentamiento y la desgasificación siguen siendo una preocupación. La energía de disociación de un enlace CC es de 3,6 eV. Los electrones secundarios generados por la radiación ionizante primaria tienen energías suficientes para disociar este enlace, provocando la escisión. Además, los electrones de baja energía tienen un tiempo de interacción fotorresistente más largo debido a su menor velocidad; esencialmente, el electrón tiene que estar en reposo con respecto a la molécula para poder reaccionar más fuertemente a través de la unión disociativa del electrón, donde el electrón se detiene en la molécula, depositando toda su energía cinética. La escisión resultante rompe el polímero original en segmentos de menor peso molecular, que se disuelven más fácilmente en un disolvente, o bien libera otras especies químicas (ácidos) que catalizan reacciones de escisión adicionales (ver la discusión sobre resistencias amplificadas químicamente más abajo). No es común seleccionar fotoprotectores para la exposición al haz de electrones. La litografía por haz de electrones generalmente se basa en resistencias dedicadas específicamente a la exposición al haz de electrones.
Parámetros
Las propiedades físicas, químicas y ópticas de los fotorresistentes influyen en su selección para diferentes procesos.
- La resolución es la capacidad de diferenciar las características vecinas del sustrato. La dimensión crítica (CD) es una medida principal de resolución.
Cuanto menor sea la dimensión crítica, mayor será la resolución.
- El contraste es la diferencia de la parte expuesta a la parte no expuesta. Cuanto mayor sea el contraste, más obvia será la diferencia entre las partes expuestas y no expuestas.
- La sensibilidad es la energía mínima que se requiere para generar una característica bien definida en la fotorresistencia en el sustrato, medida en mJ / cm 2 . La sensibilidad de un fotorresistente es importante cuando se usa ultravioleta profundo (DUV) o ultravioleta extremo (EUV).
- La viscosidad es una medida de la fricción interna de un fluido, que afecta la facilidad con que fluirá. Cuando sea necesario producir una capa más gruesa, se preferirá un fotorresistente con mayor viscosidad.
- La adherencia es la fuerza adhesiva entre el fotorresistente y el sustrato. Si la capa protectora se desprende del sustrato, algunas características faltarán o se dañarán.
- El anti-grabado es la capacidad de un fotorresistente para resistir la temperatura alta, el entorno de pH diferente o el bombardeo de iones en el proceso de modificación posterior.
- La tensión superficial es la tensión inducida por un líquido que tiende a minimizar su área superficial, que es causada por la atracción de las partículas en la capa superficial. Para humedecer mejor la superficie del sustrato, se requiere que los fotoprotectores posean una tensión superficial relativamente baja.
Fotoprotector positivo
DNQ- novolac fotoprotector
Un fotoprotector positivo muy común que se usa con las líneas I, G y H de una lámpara de vapor de mercurio se basa en una mezcla de diazonaftoquinona (DNQ) y resina de novolaca (una resina de fenol formaldehído). El DNQ inhibe la disolución de la resina de novolaca, pero tras la exposición a la luz, la velocidad de disolución aumenta incluso más allá de la de la novolaca pura. El mecanismo por el cual el DNQ no expuesto inhibe la disolución de la novolaca no se comprende bien, pero se cree que está relacionado con los enlaces de hidrógeno (o más exactamente con el diazoacoplamiento en la región no expuesta). Las resistencias DNQ-novolac se desarrollan por disolución en una solución básica (generalmente hidróxido de tetrametilamonio (TMAH) 0,26 N en agua).
Fotoprotector negativo
Polímero a base de epoxi
Un fotoprotector negativo muy común se basa en un polímero a base de epoxi. El nombre común del producto es fotoprotector SU-8 , y fue originalmente inventado por IBM , pero ahora lo venden Microchem y Gersteltec . Una propiedad única del SU-8 es que es muy difícil de quitar. Como tal, a menudo se usa en aplicaciones donde se necesita un patrón de resistencia permanente (uno que no se puede quitar y que incluso se puede usar en ambientes de temperatura y presión severas) para un dispositivo. El mecanismo del polímero a base de epoxi se muestra en 1.2.3 SU-8.
Polímero de tiol-enos fuera de estequiometría (OSTE)
En 2016, se demostró que los polímeros OSTE poseen un mecanismo de fotolitografía único, basado en el agotamiento del monómero inducido por la difusión, que permite una alta precisión de la fotoestructuración. El material polimérico OSTE se inventó originalmente en el Royal Institute of Technology de KTH , pero ahora lo vende Mercene Labs . Mientras que el material tiene propiedades similares a las del SU8, OSTE tiene la ventaja específica de que contiene moléculas de superficie reactivas, lo que hace que este material sea atractivo para aplicaciones microfluídicas o biomédicas.
Aplicaciones
Impresión por microcontacto
La impresión por microcontacto fue descrita por Whitesides Group en 1993. Generalmente, en estas técnicas, se usa un sello elastomérico para generar patrones bidimensionales, mediante la impresión de las moléculas de "tinta" en la superficie de un sustrato sólido.
Paso 1 para la impresión por microcontacto. Un esquema para la creación de un sello maestro de polidimetilsiloxano ( PDMS ). Paso 2 para la impresión por microcontacto Un esquema del proceso de entintado y contacto de la litografía por microimpresión .
Placas de circuito impreso
La fabricación de placas de circuito impreso es uno de los usos más importantes de la fotorresistencia. La fotolitografía permite que el cableado complejo de un sistema electrónico se reproduzca de forma rápida, económica y precisa, como si saliera de una imprenta. El proceso general consiste en aplicar fotorresistente, exponer la imagen a los rayos ultravioleta y luego grabar para eliminar el sustrato revestido de cobre.
Modelado y grabado de sustratos
Esto incluye materiales fotónicos especiales, sistemas microelectromecánicos ( MEMS ), placas de circuito impreso de vidrio y otras tareas de micropatrón . El fotorresistente tiende a no ser atacado por soluciones con un pH superior a 3.
Microelectrónica
Esta aplicación, aplicada principalmente a obleas de silicio / circuitos integrados de silicio, es la más desarrollada de las tecnologías y la más especializada en el campo.
