ΑΣΚΗΣΗ 4 η. Λιθογραφία θετικού τόνου με συμβατικό φωτοευαίσθητο υλικό. Σκοπός

Transcript

1 ΑΣΚΗΣΗ 4 η. Λιθογραφία θετικού τόνου με συμβατικό φωτοευαίσθητο υλικό. Σκοπός Οπτική λιθογραφία είναι η διαδικασία αποτύπωσης ενός σχεδίου από μία μάσκα σε μία επιφάνεια καλυμμένη με φωτοευαίσθητο υλικό με τη χρήση του φωτός. Στην άσκηση αυτή θα γίνει μεταφορά σχεδίου από μία διαφάνεια σε δισκίο πυριτίου με φωτοευαίσθητο υλικό. Λιθογραφία Τα φωτοευαίσθητα πολυμερικά υμένια είναι πολυμερικά υλικά στα οποία η επίδραση του φωτός έχει ως αποτέλεσμα την αλλαγή των φυσικών ή χημικών ιδιοτήτων του. Η συνήθης ιδιότητα που διαφοροποιείται είναι η διαλυτότητα του υμενίου. Στα υλικά θετικού τόνου η διαλυτότητα του υμενίου αυξάνεται σε συγκεκριμένο διαλύτη (εμφανιστή), οπότε μετά την εμφάνιση οι εκτεθειμένες περιοχές του υμενίου απομακρύνονται και παραμένουν οι ανέκθετες. Στα υλικά αρνητικού τόνου μετά την εμφάνιση παραμένουν οι εκτεθειμένες περιοχές του υμενίου και απομακρύνονται οι ανέκθετες. Επίστρωση Έκθεση Λιθογραφία Θετικού τόνου Λιθογραφία Αρνητικού τόνου Διαδικασία λιθογραφίας Οι βασικές διεργασίες της λιθογραφίας είναι οι εξής: Καθαρισμός του δισκίου Priming 1

2 Επίστρωση ακτινοευαίσθητου πολυμερικού υλικού Θερμικές διεργασίες πριν την έκθεση (soft bake ή post applied bake, PAB) Ευθυγράμμιση και Έκθεση * Καθαρισμός του δισκίου Σκοπός της λιθογραφίας είναι η αποτύπωση πολύ μικρών διαστάσεων και ακόμα και ένα σωματίδιο μεγέθους 1/5 της μικρότερης δομής ενός στοιχείου του κυκλώματος μπορεί να έχει καταστροφικά αποτελέσματα στη λειτουργία του κυκλώματος. Η καθαρότητα, λοιπόν, του δισκίου είναι μεγάλης σημασίας. Priming Στο δισκίο πυριτίου δημιουργείται ένα επιφανειακό οξείδιο όταν αυτό παραμείνει στην ατμόσφαιρα μερικά λεπτά. Αυτό το επιφανειακό οξείδιο δημιουργεί δεσμούς υδρογόνου με τους υδρατμούς του αέρα, με συνέπεια η ρητίνη να προσκολλάται στους υδρατμούς αντί της επιφάνειας. Το αποτέλεσμα είναι η φτωχή πρόσφυση της ρητίνης στο δισκίο. Επίστρωση ακτινοευαίσθητου πολυμερικού υλικού Το ακτινοευαίσθητο πολυμερικό υλικό πρέπει να επιστρωθεί ομοιόμορφα πάνω στο υπόστρωμα. Σημαντική είναι και η ποσότητα του διαλύματος του φωτοπολυμερούς που ρίπτεται στο δισκίο κατά την επίστρωση. Η ρίψη μεγάλης ποσότητας έχει ως αποτέλεσμα το υμένιο να είναι παχύτερο στις άκρες και να έχει αυλακώσεις, αυξάνοντας με αυτό τον τρόπο τα ελαττώματα στην τελική δομή. Ενώ, η ρίψη μικρότερης ποσότητας έχει ως αποτέλεσμα την μη κάλυψη ολόκληρου του δισκίου με φωτοπολυμερικό υλικό. Υπάρχει μία εμπειρική εξίσωση για την εύρεση του πάχους του υμενίου (Τ): Το K είναι μία σταθερά βαθμονόμησης, C η συγκέντρωση πολυμερούς σε gr ανά 100 ml διαλύματος, η το εσωτερικό ιξώδες, και ω η ταχύτητα περιστροφής σε στροφές ανά λεπτό (rpm) Μόλις προσδιοριστούν οι εκθέτες (α, β και γ) η εξίσωση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την πρόβλεψη του πάχους του υμενίου από διαλύματα διαφορετικών συγκεντρώσεων, διαφορετικά μοριακά βάρη πολυμερούς και διάφορες ταχύτητες επιστρώσεων για ένα προκαθορισμένο σύστημα πολυμερούς / διαλύτη. 2

3 Θερμικές διεργασίες πριν την έκθεση (soft bake ή post applied bake, PAB) για Το υμένιο θερμαίνεται για να απομακρυνθεί ο εναπομείναντας διαλύτης ενώ μειώνεται και ο ελεύθερος όγκος του υμενίου. Αυτό το βήμα είναι απαραίτητο ώστε να αποφευχθεί η ανάμιξη, λόγω του διαλύτη, των προϊόντων της έκθεσης του υμενίου με το ανέκθετο υμένιο. Επίσης, κατά την θέρμανση, βελτιώνεται η πρόσφυση του υμενίου στο υπόστρωμα. Έκθεση Το σχήμα στο δισκίο διαμορφώνεται με ακτινοβολία στο υπεριώδες ή με ακτινοβολία υψηλών ενεργειών. Η επιλογή συγκεκριμένων προς έκθεση περιοχών επιτυγχάνεται με τη χρήση κατάλληλων μασκών, το σχέδιο των οποίων αποτελείται από διαφανείς και αδιαφανείς στην ακτινοβολία περιοχές και μεταφέρεται μέσω της έκθεσης στο φωτοευαίσθητο πολυμερικό υλικό. Δηλαδή, η οπτική λιθογραφία βασίζεται στη διέλευση του φωτός μέσα από τη μάσκα. Το τρισδιάστατο σχέδιο εμφανίζεται στο φωτοπολυμερικό υμένιο κατά την εμφάνιση. Η εμφάνιση γίνεται σε καταλλήλους διαλύτες όπου, στην περίπτωση της λιθογραφίας θετικού τόνου, οι εκτεθειμένες περιοχές διαλύονται ενώ οι ανέκθετες παραμένουν στο υπόστρωμα. Σύστημα Νεολάκας/διαζωναφθοκινόνης/μελαμίνης Ι. Ως Συμβατικό υλικό θετικού τόνου Συμβατικά ονομάζονται τα φωτοευαίσθητα υλικά στα οποία η αλλαγή της διαλυτότητας του υμενίου λαμβάνει χώρα κατά το στάδιο της έκθεσης. Ένα τέτοιο υλικό είναι το σύστημα Νεολάκας/Διαζωναφθοκινόνης. Αναμιγνύοντας την νεολάκα με την υδρόφοβη διαζωναφθοκινόνη, η οποία δρα ως αναστολέας διάλυσης, αναπτύσσονται δεσμοί υδρογόνου αυξάνοντας την υδροφοβικότητα του υλικού και μειώνοντας σημαντικά την διαλυτότητά του σε υδατικό διάλυμα βάσης. Κατά την έκθεση του υλικού στο κοντινό υπεριώδες (αρχικά στα 436, 405 και 365nm) γίνεται φωτοχημική μετατροπή του υδρόφοβου παραγώγου διαζωναφθοκινόνης σε υδρόφιλο, αυξάνοντας τη διαλυτότητα του υλικού σε υδατικό διάλυμα βάσης. Η διαζωναφθοκινόνη φωτολύεται αρχικά προς ένα καρβένιο, το οποίο αναδιατάσσεται προς κετένη μέσω της αντίδρασης Wölff. Η κετένη αντιδρά, στη συνέχεια, με την υγρασία που έχει προσροφηθεί από το υμένιο και παράγει το υδρόφιλο ινδενοκαρβοξυλικό οξύ, οπότε το όλο σύστημα γίνεται υδρόφιλο και διαλυτό σε υδατικό διάλυμα βάσης. 3

4 Πορεία αλλαγής διαλυτότητας του πολυμερούς νεολάκας με την προσθήκη διαζωναφθοκινόνης (DNQ) και έκθεση. ΙΙ. Ως Υλικό μηχανισμού Χημικής Ενίσχυσης, Αρνητικού τόνου Υλικά μηχανισμού χημικής ενίσχυσης ονομάζονται τα υλικά που περιέχουν μία φωτοχημική ουσία η οποία παρουσία υπεριώδους φωτός παράγει συνήθως ένα ισχυρό οξύ, το οποίο στη συνέχεια καταλύει ή εκκινεί αντιδράσεις που οδηγούν σε αλλαγή της διαλυτότητας του πολυμερούς. Το σύστημα αποτελείται από την νεολάκα ως πολυμερές με δραστικά κέντρα για αντιδράσεις διασταύρωσης, το DNQ ως φωτοευαισθητοποιητή για παραγωγή οξέος και τη μελαμίνη ως παράγοντα διασταύρωσης που ενεργοποιείται με οξύ. Το οξύ καταλύει την αντίδραση ανάμεσα στο πολυμερές και τον παράγοντα διασταύρωσης σχηματίζοντας πολυμερικό δίκτυο το οποίο είναι σε σημαντικό βαθμό αδιάλυτο συγκρινόμενο με το πολυμερές που δεν έχει αντιδράσει. Στο στάδιο της θέρμανσης μετά την έκθεση η αντίδραση συμπύκνωσης ολοκληρώνεται αυξάνοντας την απόδοση του πολυμερικού δικτύου. Με τον τρόπο αυτό αυξάνει η ευαισθησία και βελτιώνεται η αντίθεση της απεικόνισης. Το στάδιο της θέρμανσης είναι επίσης απαραίτητο λόγω του ότι η ενέργεια ενεργοποίησης της αντίδρασης συμπύκνωσης είναι αρκετά μεγάλη. 4

5 Καμπύλη αντίθεσης Η λιθογραφική συμπεριφορά των υλικών τόσο θετικού όσο και αρνητικού τόνου απεικόνισης χαρακτηρίζεται από τις καμπύλες ευαισθησίας ή αντίθεσης. Οι καμπύλες αυτές δίνουν το κανονικοποιημένο πάχος του υμενίου για διάφορες δόσεις έκθεσης, δηλ. το πάχος του υμενίου μετά την εμφάνιση διαιρεμένο με το αρχικό του πάχος (πριν την έκθεση), συναρτήσει της δόσης έκθεσης, η οποία απεικονίζεται σε λογαριθμική κλίμακα. Από τις καμπύλες αντίθεσης προκύπτουν οι δόσεις που χαρακτηρίζουν την ευαισθησία των υλικών καθώς και η τιμή της αντίθεσής τους. 5

6 Πειραματικό Μέρος Όργανα Περιστροφικός επιστρωτής (spinner) Ρύθμιση: Πατήστε το κουμπί «MODE» και περιμένετε να εμφανιστεί το Programming mode. Είναι προγραμματισμένο στην τελευταία ρύθμιση. Για να διαλέξετε ένα διαφορετικό πρόγραμμα πατήστε το κουμπί «PROG» και πατήστε τον αριθμό του προγράμματος που θέλετε (για το σκοπό του εργαστηρίου το 7) και το επιβεβαιώνεται πατώντας το βελάκι. Πρόγραμμα 7 Speed 700rpm/min Step time 60 Acceleration 1000 Vacuum required yes Για την επίστρωση Ανοίξτε την αντλία κενού Τοποθετήστε το δισκίο πυριτίου στην κεφαλή του περιστροφικού επιστρωτή. Πατήστε το κουμπί «VAC» (ανάβει το φωτάκι). Ρίξτε το διάλυμα στο δισκίο (πρώτα HMDS και μετά την επίστρωση αυτού το φωτοπολυμερές). Κλείστε το καπάκι 6

7 Πατήστε το κουμπί «Ι/0» Η επίστρωση ξεκίνησε μόλις τελείωση σβ ληνει το λαμπάκι του κουμπιού «Ι/0» Ανοίξτε το καπάκι, πατήστε το κουμπί «VAC» (σβήνει το φωτάκι) και πάρτε το δισκίο πυριτίου. Θερμαινόμενη πλάκα (hotplate) Λάμπα υπεριώδους φωτός Με λάμπες UVA (4x15W) με κορυφή στα 365nm (ισχύoς 4-5 mj/cm 2 ) Ανοίγουμε την λάμπα από τον διακόπτη στα πλάγια (δεξιά) Ο χρονοδιακόπτης θα δείξει για λίγο την ένδειξη 888 και στη συνέχεια 0. Ρυθμίζουμε την ώρα έκθεσης σε sec (0-500) με τα κουμπιά + και (για γρήγορη ρύθμιση πατάμε το κουμπί συνεχόμενα). Η έκθεση ξεκινά μόλις πατήσουμε το κουμπί «START» και το χρονόμετρο αρχίζει την αντίστροφη μέτρηση. Για καλύτερα αποτελέσματα πριν τη πρώτη έκθεση καλό είναι να θερμάνουμε τις λάμπες κάνοντας μία έκθεση για 5 λεπτά. Το δισκίο με τη μάσκα τοποθετούνται «κοιτάζοντας» προς τις λάμπες!!!! Κλείνουμε πάντα το καπάκι όταν κάνουμε έκθεση!!!! Χημικές Ουσίες Primer: HMDS Φωτοευαίσθητο υμένιο: διάλυμα νεολάκας/διαζωναφθοκινόνης/μελαμίνης (AZ5214 E, Microchemicals) Εμφανιστής: Υδατικό διάλυμα υδροξειδίου του τετραμέθυλο αμμωνίου με επιφανειοδραστικές ουσίες 0,26Μ (ΑΖ 726 MIF, Microchemicals) 7

8 Θετικού τόνου λιθογραφία Καμπύλη Αντίθεσης Επίστρωση HMDS Επίστρωση AZ5214 E Θέρμανση μετά την επίστρωση 7000rpm/30s 7000rpm/30s 90⁰C/10min Έκθεση mj/cm 2 ΑΖ 726 MIF/ 1min Λιθογραφική διαδικασία για θετικού τόνου λιθογραφία Επίστρωση HMDS Επίστρωση AZ5214 E Θέρμανση μετά την επίστρωση 7000rpm/30s 7000rpm/30s 90⁰C/10min Έκθεση mj/cm 2 (250 mj/cm 2 ) ΑΖ 726 MIF/ 1min Αρνητικού τόνου λιθογραφία Καμπύλη Αντίθεσης Επίστρωση HMDS Επίστρωση AZ5214 E Θέρμανση μετά την επίστρωση 7000rpm/60s 7000rpm/60s 110⁰C/1min Έκθεση mj/cm 2 Θέρμανση μετά την έκθεση 120⁰C/1min Έκθεση χωρίς μάσκα 400 mj/cm 2 ΑΖ 726 MIF/ 1min 8

9 Λιθογραφική διαδικασία για αρνητικού τόνου λιθογραφία Επίστρωση HMDS Επίστρωση AZ5214 E Θέρμανση μετά την επίστρωση 7000rpm/60s 7000rpm/60s 110⁰C/1min Έκθεση mj/cm 2 Θέρμανση μετά την έκθεση 120⁰C/1min Έκθεση χωρίς μάσκα 400 mj/cm 2 ΑΖ 726 MIF/ 1min 9