Μικρο Νανοκατεργασίες. Δρ. Μηχ. Άγγελος Μαρκόπουλος

Transcript

1 Μικρο Νανοκατεργασίες Δρ. Μηχ. Άγγελος Μαρκόπουλος

2 Μικρο Νανοκατεργασίες Διαχωρισμός Λιθογραφικές μεθόδους (π.χ. Φωτολιθογραφία) Μη λιθογραφικές μεθόδους (π.χ. Μηχανικές μικροκοπές) Μικρο νανοκατεργασίες 3

3 Ιστορική αναδρομή Ηλέξηλιθογραφία(lithography) (αποτελούμενη από τις λέξεις λίθος και γράφω) αναφέρεται στη διεργασία που επινοήθηκε το 1796 από τον Aloys Senefelder. Ο Senefelder ανακάλυψε ότι η πέτρα (χρησιμοποίησε βαυαρικό ασβεστόλιθο), όταν διαποτιστεί επαρκώς με μελάνι και επεξεργαστεί με χημικά μπορεί να μεταφέρει μια εικόνα σε χαρτί. Εξαιτίας της χημικής επεξεργασίας οι περιοχές με εικόνα και χωρίς εικόνα απορροφούν λάδι (υδρόφοβες) και αντίστοιχα δεν απορροφούν λάδι (υδρόφιλες). Με αυτό τον τρόπο απορροφάται μελάνι στις περιοχές με εικόνα και νερό σε αυτές που δεν υπάρχει εικόνα. Πειραματιζόμενος με διάφορες ρητίνες στο φως του ηλίου ο Nicephore Niepce κατάφερε να αντιγράψει μια χαραγμένη γκραβούρα σε λαδωμένο χαρτί, τοποθετώντας τη πάνω από ένα φύλλο γυαλιού επικαλυμμένο με άσφαλτο διαλυμένη σε λάδι λεβάντας (Γαλλία 1822). Μετά από δύο έως τρεις ώρες σε έκθεση στο φως του ηλίου οι μη σκιασμένες επιφάνειες έγιναν σκληρές σε σύγκρισημετιςσκιασμένεςοιοποίεςπαρέμεινανπιοδιαλυτέςκαιμπορούσαννα απομακρυνθούν με την έκπλυση σε ένα διάλυμα από νέφτι και λάδι λεβάντας. Πέντε χρόνια αργότερα, το 1827 με τη χρησιμοποίηση ενός δυνατού οξέος ο Παριζιάνος χαράκτης Lemaitre έφτιαξε ένα χαραγμένο πρότυπο του Καρδινάλιου d Amboise. Αυτό αποτελεί το πρωτοεμφανιζόμενο αντίγραφο με φωτολιθογραφία και τη χρήση χημικής κατεργασίας. Η ακρίβεια της τεχνικής ήταν 0,5 έως 1 mm. Μικρο νανοκατεργασίες 4

4 M.C.Escher Μικρο νανοκατεργασίες 5

5 Φωτολιθογραφία Μικρο νανοκατεργασίες 6

6 Στάδια φωτολιθογραφίας Στο (Α) παρουσιάζεται ένα λεπτό φιλμ (1μm) ενός υλικού, π.χ. διοξείδιο του πυριτίου, το οποίο έχει τοποθετηθεί πάνω σε ένα υπόστρωμα ενός άλλου υλικού π.χ. πυρίτιο. Το ζητούμενο είναι η επιλεκτική αφαίρεση του οξειδίου έτσι ώστε να παραμείνει τμήμα μόνο του υλικού αυτού πάνω στο υπόστρωμα, σε επιλεγμένες περιοχές. Στο (Β) το οξείδιο καλύπτεται από ένα πολυμερές υλικό (πάχος στρώσης περίπου 1μm) το οποίο είναι ευαίσθητο στην υπεριώδη ακτινοβολία (UV), το οποίο καλείται φωτοαντίσταση (ή απλά αντίσταση). Μικρο νανοκατεργασίες 7

7 Στάδια φωτολιθογραφίας Υπάρχουν δύο διαφορετικά είδη αντίστασης, οι θετικές και οι αρνητικές. Όπου η UV προσβάλει μια θετική αντίσταση αδυνατίζει το πολυμερές και αυτό μπορεί να απομακρυνθεί εκ των υστέρων με μια ειδική διαδικασία. Το αντίθετο συμβαίνει με τις αρνητικές αντιστάσεις. Πριν προχωρήσουμε παρακάτω χρειάζεται να κατασκευαστεί μια μάσκα (ή φωτομάσκα), η οποία αποτελεί το αντικείμενο το οποίο θέλουμε να αντιγράψουμε. Αποτελείται από ένα πρότυπο το οποίο συνήθως είναι από χρώμιο, τοποθετημένο πάνω σε ένα υπόστρωμα από γυαλί. Το θετικό ή το αρνητικό αποτύπωμα της μάσκας είναι αυτό που τελικά μεταφέρεται στην αντίσταση, ανάλογα με το αν αυτή είναι θετική ή αρνητική. Μικρο νανοκατεργασίες 8

8 Στάδια φωτολιθογραφίας Στο (Γ) εκτίθεται η αντίσταση σε UV, μέσω της μάσκας, με αποτέλεσμα την επιρροή του στρώματος της αντίστασης, όπου αυτή δεν είναι καλυμμένη. Το εν λόγω σχήμα παρουσιάζει την περίπτωση αρνητικής αντίστασης και για το λόγο αυτό, οι περιοχές που εκτίθενται σε UV σκληραίνουν. Στο (Δ), μετά την έκθεση σε UV ακτινοβολία, το υπόστρωμα ξεπλένεται με ένα διάλυμα ή ψεκάζεται με ένα σπρέι, για την απομάκρυνση των περιοχών της αντίστασης οι οποίες δεν έχουν εκτεθεί στην ακτινοβολία. Με αυτό τον τρόπο στην επιφάνεια του υποστρώματος πυριτίου μένει ένα πρότυπο σχήμα αποτελούμενο από την αντίσταση και από μια γυμνή επιφάνεια. Το πρότυπο σχήμα που παρέμεινε είναι η αρνητική εικόνα της μάσκας. Μικρο νανοκατεργασίες 9

9 Στάδια φωτολιθογραφίας Στο επόμενο στάδιο (Ε), το υπόστρωμα τοποθετείται σε ένα διάλυμα HF ή HF + NH4F το οποίο προσβάλει το οξείδιο αλλά όχι την αντίσταση ή το υπόστρωμα πυριτίου, δηλαδή προκύπτει το συμπέρασμα ότι η φωτοαντίσταση προστατεύει τις οξειδωμένες επιφάνειες τις οποίες καλύπτει. Στο τελευταίο στάδιο, και όταν το οξείδιο του πυριτίου έχει απομακρυνθεί (ΣΤ), η φωτοαντίσταση που παραμένει μπορεί να αποφλοιωθεί μέσω ενός ισχυρού οξέως όπως το H2SO4 Cr2O3, το οποίο προσβάλλει τη φωτοαντίσταση αλλά όχι το οξείδιο του πυριτίου. Άλλοι υγροί αποφλοιωτές εμπεριέχουν οργανικούς διαλύτες και αλκαλικούς διαλύτες. Το οξειδωμένο υπόστρωμα πυριτίου με το χαραγμένο πρότυπο σχήμα μπορεί να οδηγηθεί για περαιτέρω επεξεργασία Μικρο νανοκατεργασίες 10

10 Μάσκες Το διάτρητο πρότυπο το οποίο επαναλαμβανόμενα χρησιμοποιείται για να αναπαράγει ένα επιθυμητό αντικείμενο μοντέλο σε πλάκες πυριτίου, οι οποίες είναι επικαλυμμένες με ένα προφυλακτικό στρώμα, ονομάζεται μάσκα. Στην πράξη η μάσκα είναι ένα επίπεδο γυαλί (διάφανο στην UV ακτινοβολία) ή μια πλάκα χαλαζία (διαφανής στη βαθιά UV ακτινοβολία,deepuv)με ένα απορροφητικό μεταλλικό πρότυπο (π.χ. μια παχιά στρώση χρωμίου 800 Å). Τοποθετείται πάνω από τη φωτοανθεκτικά επικαλυμμένη επιφάνεια, και το υπόστρωμα πυριτίου εκτίθεται σε UV ακτινοβολία. Το απορροφητικό πρότυπο στη μάσκα είναι αδιαφανές στη UV ακτινοβολία, ενώ το γυαλί και ο χαλαζίας είναι διαφανείς. Μιαεικόναμεέναφωτεινό (αντιστοιχεί σε αρνητική αντίσταση) ήσκούροπεδίο(αντιστοιχεί σε θετική αντίσταση), γνωστό και σαν πολικότητα της μάσκας, μεταφέρεται τότε στην επιφάνεια του υποστρώματος πυριτίου. Η όλη διαδικασία έχει ως αποτέλεσμα μια 1:1 εικόνα της μάσκας στο υπόστρωμα πυριτίου. Μικρο νανοκατεργασίες 11

11 Μάσκες Οι περιγραφόμενες μάσκες οι οποίες έχουν άμεση φυσική επαφή (αναφέρεται και ως σκληρή επαφή με το υπόστρωμα, hard contact), ονομάζονται μάσκες επαφής. Δυστυχώς αυτές οι μάσκες μειώνουν το πάχος τους γρηγορότερα λόγω φθοράς, σε σχέση με τις μάσκες εγγύτητας οι οποίες δεν έχουν επαφή (ονομάζονται και μαλακές μάσκες). Οι μαλακές μάσκες είναι ελαφρά υπερυψωμένες σε σχέση με το υπόστρωμα πυριτίου περίπου μm. Τα ελαττώματα που προκύπτουν από τις σκληρές μάσκες, στην ίδια τη μάσκα αλλά και στο υπόστρωμα πυριτίου, κάνουν αυτή τη μέθοδο της οπτικής μεταφοράς ενός προτύπου ακατάλληλη για κατεργασίας μεγάλης κλίμακας (Very Large Scale Integration, VLSI). Στις VLSI τα ολοκληρωμένα κυκλώματα έχουν 10 5 έως 10 6 εξαρτήματα. Η αναφορά στις σκληρές μάσκες γίνεται γιατί είναι πολύ χρήσιμες στην έρευνα και ανάπτυξη, στην προτυποποίηση και στην κατασκευή άλλων μασκών. Μικρο νανοκατεργασίες 12

12 Μάσκες Η εκτύπωση με σκληρές και μαλακές μάσκες είναι γνωστή και ως εκτύπωση σκιάς (shadow printing). Μια πιο αξιόπιστη μέθοδος είναι η εκτύπωση προβολής (projection printing), στην οποία αντί της τοποθέτησης μιας μάσκας (σε επαφή ή σε κοντινή απόσταση με το υπόστρωμα πυριτίου), η μάσκα προβάλεται από έναν υψηλής ευκρίνειας φακό στο φωτοανθεκτικά επικαλυμμένο υπόστρωμα. Σ αυτή την περίπτωση η διάρκεια ζωής της μάσκας περιορίζεται μόνο από τη μεταχείρισή της. Ο φακός μπορεί να μειώσει οπτικά τη μάσκα 1:5 έως 1:10 φορές. Πάντως, το μικρότερο αντικείμενο το οποίο μπορεί να αποτυπωθεί με λιθογραφική τεχνική προβολής, είναι περίπου ίσο με το μισό του μήκουςς κύματος της πηγής της ακτινοβολίας που χρησιμοποιείται, όπως θα αναλυθεί στη συνέχεια. Μικρο νανοκατεργασίες 13

13 Σχεδίαση μασκών Η σχεδίαση μιας μάσκας για ICs και για άλλες μικροσκοπικές κατεργασίες απαιτεί τη χρήση ενός κατάλληλου CAD συστήματος. Πολλές φορές ζητούμενο είναι η φτηνή παραγωγή μασκών και η χρήση εναλλακτικών μεθόδων γι αυτές. Αυτό μπορεί να γίνει με τη χρησιμοποίηση χειροκίνητων μεθόδων για τη χάραξη της μάσκας ή με το άμεσο γράψιμο (σε ένα φωτοανθεκτικά επικαλυμμένο δισκίο) μέσω ενός laser plotter (2 μm ανάλυση). Πιο απλά ακόμη μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα σχεδιαστικό πρόγραμμα. Ένα σχέδιο της μάσκας με αυτό τον τρόπο μπορεί να σχεδιαστεί στον υπολογιστή και να σωθεί σαν αρχείο για να εκτυπωθεί με ένα εκτυπωτή υψηλής ανάλυσης (π.χ dpi) σε μια διαφάνεια η οποία επεξεργάζεται κατάλληλα στη συνέχεια. Μικρο νανοκατεργασίες 14

14 Αντιστάσεις Τα βασικά συστατικά των αντιστάσεων είναι ένα πολυμερές, ένας ευαισθητοποιητής (sensitizer) και ένας διαλύτης(solvent). Το πολυμερές αλλάζει τη δομή του όταν εκτίθεται σε ακτινοβολία. Ο διαλύτης επιτρέπει τον σχηματισμό λεπτών στρώσεων στην επιφάνεια των στρωμάτων πυριτίου με μια διαδικασία που θα περιγραφεί σε ειδική παράγραφο, και οι ευαισθητοποιητές ελέγχουν την φωτοχημική αντίδραση. Αντιστάσεις χωρίς ευαισθητοποιητές λέγονται ενός συστατικού, και με ευαισθητοποιητές λέγονται δύο συστατικών. Ο διαλύτης και άλλα συστατικά που μπορεί να προστεθούν στη συνέχεια δεν επηρεάζουν τον τρόπο που αντιδρά το πολυμερές όταν προσβάλλεται από την ακτινοβολία. Εάν η αντίσταση είναι «θετική» (επίσης γνωστή και ως θετικής απόχρωσης), η φωτοχημική αντίδραση κατά τη διάρκεια της έκθεσης στη ακτινοβολία αποδυναμώνει το πολυμερές και οι εκτιθέμενες επιφάνειες της αντίστασης γίνονται περισσότερο διαλυτές σε διαλύματα εμφάνισης (περίπου δέκα φορές πιο διαλυτές). Εάν η αντίσταση είναι «αρνητική»(αρνητικής απόχρωσης) ηαντίδραση κατά τη διάρκεια της έκθεσης στην ακτινοβολία δυναμώνει το πολυμερές και το κάνει λιγότερο διαλυτό. Μικρο νανοκατεργασίες 15

15 Θετικές Αρνητικές Αντιστάσεις Μικρο νανοκατεργασίες 16

16 Αντιστάσεις Για ένα δεδομένο πάχος οι αρνητικές αντιστάσεις είναι πιο ανθεκτικές από ότι οι θετικές. Γενικά οι αρνητικές αντιστάσεις προσκολλώνται καλά στο υπόστρωμα και είναι πολύ ανθεκτικές σε όξινα και αλκαλικά διαλύματα, όπως επίσης και σε οξειδωτικά μέσα. Ένα μειονέκτημα αυτών των αντιστάσεων είναι ότι η ανάλυση περιορίζεται από το πάχος της στρώσης. Πρακτικά αυτό οδηγεί σε μια μέγιστη ανάλυση 2 3 μm, σε μία στρώση πάχους 2 μm. Άρα για να βελτιωθεί η ανάλυση στην περίπτωση που χρησιμοποιούνται αρνητικές αντιστάσεις πρέπει να γίνει χρήση λεπτότερων στρωμάτων. Η χρησιμοποίηση μιας αντίστασης συγκεκριμένης απόχρωσης εξαρτάται από τη γεωμετρία του πρότυπου. Για παράδειγμα μια απομονωμένη μονή γραμμή ευκολότερα αναλύεται με μια αρνητική αντίσταση ενώ μια απομονωμένη οπή ή ένα αυλάκι, ευκολότερα γίνεται μέσω μιας θετικής αντίστασης. Επειδή όμως οι αρνητικές αντιστάσεις έχουν μια ανάλυση 2 3 μm περίπου και επειδή στη βιομηχανία έχουν εγκαταλειφθεί οι οργανικοί διαλύτες για χάρη αυτών που έχουν βάση το νερό (λιγότερο τοξικοί) οι θετικές αντιστάσεις έχουν γίνει πιο δημοφιλείς. Όμως οι αρνητικές αντιστάσεις χρησιμοποιούνται ακόμα για την παραγωγή φτηνών chip για λόγους οικονομίας. Μικρο νανοκατεργασίες 17

17 Πρόσφυση αντίστασης Οι αντιστάσεις συνήθως απομακρύνονται μετά τη χρήση τους, όπως προαναφέρθηκε. Όμως, μερικές αρνητικές αντιστάσεις, οι οποίες έχουν σκληρυνθεί μέσω της έκθεσής τους σε UV ακτινοβολία χρησιμοποιούνται ως μόνιμα κομμάτια σε μικροσκοπικές κατασκευές. Στην πραγματικότητα η χημεία των αντιστάσεων είναι πιο πολύπλοκη από αυτή που προαναφέρθηκε. Προσθετικά όπως πλαστικοποιητές, βελτιωτές πρόσφυσης και ταχύτητας βελτιώνουν την συμπεριφορά της αντίστασης. Οι αντιστάσεις (συνήθως οι θετικές) συχνά δεν κολλούν καλά στην επιφάνεια του πυριτίου. Αυτό συμβαίνει όταν η υγρασία είναι μεγάλη ή το δισκίο είχε πριν εμβαπτιστείσενερό. Όσο πιο υδρόφοβη είναι η επιφάνεια του δίσκου τόσο καλύτερη θα είναι η πρόσφυση, και πρέπει να χρησιμοποιούνται κόλλες με βάση τη σιλικόνη πριν την επικάλυψη με την περιστροφική διαδικασία. Μια τυπική κόλλα που χρησιμοποιείται είναι η HMDS (εξα μεθυλοδισιλαζάνη) η οποία χρησιμοποιείται στη βιομηχανία ημιαγωγών. Πρέπει όμως ο χειρισμός της να γίνεται με μεγάλη προσοχή γιατί είναι αρκετά εύφλεκτη και θεωρείται καρκινογόνα. Η διαδικασία πρόσφυσης της αντίστασης στο δισκίο πυριτίου ονομάζεται και γόμωση. Μικρο νανοκατεργασίες 18

18 Σύγκριση θετικών αρνητικών αντιστάσεων Μικρο νανοκατεργασίες 19

19 Κατασκευή αντίστασης Ένα στάδιο πριν την κατασκευή της αντίστασης σε υπόστρωμα πυριτίου είναι ο σχηματισμός μια λεπτής στρώσης οξειδίου στην επιφάνεια του δισκίου πυριτίου θερμαίνοντας το μεταξύ 900 και C σε ατμό η σε ένα ρεύμα αέρα με μεγάλο ποσοστό υγρασίας και οξυγόνου (soft baking). Σαν ένα πρώτο βήμα στη διαδικασία της φωτολιθογραφίας μια λεπτή στρώση από ένα οργανικό πολυμερές εναποτίθεται στην επιφάνεια του οξειδίου. Η στρώση αυτή διανέμεται από ένα παχύρρευστο μίγμα του πολυμερούς στο δισκίο πυριτίου το οποίο εδράζεται σε μια περιστρεφόμενη πλάκα. Έναςσφικτήραςκενούκρατάειτοδισκίοστηθέσητου. Το δισκίο στη συνέχεια περιστρέφεται με μεγάλη ταχύτητα μεταξύ 1500 και 8000 rpm. Η ταχύτητα περιστροφής εξαρτάται από το ιξώδες του ρευστού αλλά και από το πάχος του στρώματος το οποίο θέλουμε, με τελικό στόχο τη κατασκευή ενός ομοιόμορφου φιλμ. Σε αυτές τις υψηλές ταχύτητες η φυγόκεντρος δύναμη κάνει το διάλυμα να ρέει προς τις άκρες όπου και σχηματίζεται η στρώση της αντίστασης. Μικρο νανοκατεργασίες 20

20 Soft baking Μικρο νανοκατεργασίες 21

21 Πάχος πολυμερούς Το τελικό πάχος του πολυμερούς Τ είναι μια συνάρτηση της ταχύτητας περιστροφής, της συγκέντρωσης του πολυμερούς αλλά και του μοριακού βάρους. Η εμπειρική έκφραση για το πάχος Τ είναι η ακόλουθη: όπου Κ = γενική σταθερά βαθμονόμησης, C = συγκέντρωση πολυμερούς σε g/100 ml διαλύματος, η = φυσικό ιξώδες, ω = στροφές ανά λεπτό (rpm). Όταν οι εκθέτες α, β,γ προσδιοριστούν, ησχέση αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την πρόβλεψη του πάχους Τ του φιλμ ενός δεδομένου πολυμερούς, με συγκεκριμένο ιξώδες. Μικρο νανοκατεργασίες 22

22 Ποιότητα αντίστασης Η ποιότητα της φωτοανθεκτικής επικάλυψης καθορίζει τη ποσότητα των ατελειών οι οποίες μεταφέρονται στη συσκευή κατά τη διάρκεια της κατασκευής. Η ομοιομορφία του φιλμ κατά μήκος μιας μονής στρώσης πρέπει να είναι 5nm (για ένα φιλμ 1,5 μm αυτό είναι 0,3%) για να εξασφαλίζει αναπαραγόμενα πλάτη γραμμών και χρόνους αναπαραγωγής ικανοποιητικούς σε μεταγενέστερα βήματα. Το πάχος επικάλυψης του λεπτού φωτοανθεκτικού φιλμ εξαρτάται από τη χημική αντίσταση η οποία απαιτείται για τη μεταφορά της εικόνας αλλά και από τη λεπτότητα των γραμμών και την απόσταση μεταξύ τους. Η εφαρμογή μεγάλης αντίστασης μειώνει την απόδοση της κατεργασίας (δημιουργία λοφίσκων και κάλυψη ακμών), ενώ πολύ μικρή μπορεί να αφήσει περιοχές ακάλυπτες. Γιαπαράδειγμασταολοκληρωμένακυκλώματατοπάχος της αντίστασης είναι μεταξύ 0,5 και 2 μm. Για μικροσκοπικά τρισδιάστατα αντικείμενα συνήθως απαιτείται μεγαλύτερο πάχος. Με τη επικάλυψη μέσω της περιστροφικής διαδικασία υπάρχουν παραμένουσες τάσεις. Για αυτό το λόγο τα δισκία πυριτίου θερμαίνονται σε χαμηλή θερμοκρασία (επίσης προθερμαίνονται) 75 έως C για την επίτευξη της απομάκρυνσης των τάσεων αλλά και για τη βελτίωση της πρόσφυσης της φωτοανθεκτικής στρώσης στο δισκίο πυριτίου. Μικρο νανοκατεργασίες 23

23 Έκθεση σε ακτινοβολία και επεξεργασία μετά την έκθεση Μετά τη διαδικασία που περιγράφηκε παραπάνω, τα επικαλυμμένα δισκία πυριτίου μεταφέρονται σε ένα σύστημα όπου ευθυγραμμίζονται με τα χαρακτηριστικά της μάσκας. Κάθε λιθογραφική τεχνική πρέπει να παρέχει μια τεχνική ευθυγράμμισης η οποία θα επιτρέπει τοποθέτηση της μάσκας και του δισκίου με πολύ υψηλή ακρίβεια. Το μικρότερο αντικείμενο το οποίο μπορεί να αποτυπωθεί με λιθογραφική τεχνική προβολής, είναι σχεδόν ίσο με το μήκος κύματος της πηγής της ακτινοβολίας που χρησιμοποιείται. Για παράδειγμα θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί έναexcimer laser με μήκος κύματος 248 nm και με ισχύ W. Άλλα υποψήφια συστήματα έκθεσης (μελλοντικά) εμπεριέχουν δύο DUV excimer laser: το ArF στα 193 nm και το F2 στα 157 nm. Η ένταση του φωτός(w/cm 2 ) πολλαπλασιασμένη με το χρόνο έκθεσης δίνει την ενέργεια (J/cm 2 ) ή δόσηd, κατά μήκος της επιφάνειας του φιλμ. Μικρο νανοκατεργασίες 24

24 Έκθεση σε ακτινοβολία και επεξεργασία μετά την έκθεση Μέσω της ακτινοβολίας και των χημικών αντιδράσεων που παίρνουν μέρος στις εκτιθέμενες περιοχές της αντίστασης μεταβάλλεται η διαλυτότητα της αντίστασης, κατευθείαν ή με τη βοήθεια ενός καταλύτη. Κατά τον σχηματισμό της εικόνας ο καταλύτης, στην επίστρωση της αντίστασης, αποχρωματίζεται με άλλα λόγια οι εκτεθειμένες επιφάνειες γίνονται διάφανες στα εισερχόμενα μήκη κύματος. Αυτός ο αποχρωματισμός επιτρέπει τη χρήση χοντρών φιλμ με μεγάλη απορροφητικότητα, αφού το φως θα φτάσει στο υπόστρωμα μέσω της αποχρωματισμένης αντίστασης. Η επεξεργασία μετά την έκθεση είναι συνήθως επιθυμητή, διότι αντιδράσεις οι οποίες έχουν ξεκινήσει μπορεί να μην έχουν ολοκληρωθεί. Για τον τερματισμό αυτών των αντιδράσεων, υπάρχουν πολλές διεργασίες όπως θέρμανση, επηρεασμός με άλλο τρόπο ακτινοβολίας, με αέριο και σε κενό. Μικρο νανοκατεργασίες 25

25 Εμφάνιση Κατά τη διάρκεια της εμφάνισης γίνεται επιλεκτική διαλυτοποίηση της αντίστασης. Δύο τεχνικές είναι διαθέσιμες: η υγρή εμφάνιση η οποία χρησιμοποιείται ευρέως στην κατασκευή κυκλωμάτων και η ξηρή εμφάνιση. Δύο βασικοί τύποι υγρής εμφάνισης χρησιμοποιούνται: εμβάπτισης και ψεκασμού. Κατά τη διάρκεια της εμφάνισης με εμβάπτιση τα δισκία πυριτίου εμβαπτίζονται για ένα χρονικό διάστημα σε ένα διάλυμα, ενώ στον ψεκασμό μέσω ψεκαστήρων το διάλυμα έρχεται σε επαφή με την επιφάνεια του δισκίου. Οι θετικές αντιστάσεις σχηματίζονται σε αλκαλικά διαλύματα και οι αρνητικές σε οργανικά. Τα υγρά διαλύματα προτιμώνται για λόγους υγείας. Ο ρυθμός εμφάνισης με αυτά τα διαλύματα εξαρτάται από το PH του διαλύματος και τη θερμοκρασία η οποία πρέπει να ελέγχεται σε ένα εύρος 0,5 ο C. Η χρησιμοποίηση οργανικών διαλυτών μπορεί να οδηγήσει σε απώλεια πρόσφυσης της αντίστασης και του υποστρώματος και σε διόγκωση των αντιστάσεων (κυρίως στις αρνητικές αντιστάσεις). Η ξηρή εμφάνιση ξεπερνάει αυτά τα προβλήματα γιατί στηρίζεται είτε σε μια φάση εξάτμισης είτε σε πλάσμα. Μικρο νανοκατεργασίες 26

26 Χάραξη του υποστρώματος Μια επεξεργασία με πλάσμα οξυγόνου απομακρύνει τις επιφάνειες της αντίστασης οι οποίες παρέμειναν μετά την εμφάνιση. Οι αρνητικές και σε μικρότερο βαθμό οι θετικές αντιστάσεις αφήνουν ένα λεπτό φιλμ πολυμερούς στη διεπιφάνεια του υποστρώματος και της αντίστασης. Το πρόβλημα αυτό είναι πιο σοβαρό σε μικρές δομές (<1 μm) όπου η μεταφορά μάζας ενός οργανικού διαλύτη είναι φτωχή. Επίσης κατά τη διαδικασία της χάραξης οι επιφάνειες λεπταίνουν αλλά αυτό είναι συνήθως μικρής σημασίας. Πριν από τη χάραξη του υποστρώματος το πλακίδιο πυριτίου πρέπει να θερμανθεί. Με αυτό τον τρόπο απομακρύνονται οι παραμένουσες τάσεις και βελτιώνεται επίσης η πρόσφυση της αντίστασης η οποία μπορεί να είχε μειωθεί εξαιτίας της διείσδυσης του διαλύτη μεταξύ αυτής και του υποστρώματος. Η θέρμανση συνήθως γίνεται στους 120 ο C και για χρονικό διάστημα 20 min. Πρέπει να δοθεί προσοχή, ώστε να μην λειώσουν μερικώς τα άκρα τηςαντίστασηςκαιγίνεταιστησυνέχειαδύσκοληηαπομάκρυνσητης, και ότι σε υψηλές θερμοκρασίες ακαθαρσίες ενσωματώνονται στην αντίσταση. Οι θετικές αντιστάσεις αντέχουν σε υψηλότερες θερμοκρασίες θέρμανσης από ότι οι αρνητικές, αλλά η αποφλοίωση τους είναι πιο δύσκολη. Μικρο νανοκατεργασίες 27

27 Etching Μικρο νανοκατεργασίες 28

28 Αποφλοίωση Υπάρχει η υγρή και η ξηρή αποφλοίωση που σαν σκοπό τους έχουν την ολοκληρωτική απομάκρυνση των αντιστάσεων χωρίς βλάβη του υποστρώματος. Στην υγρή αποφλοίωση η εναπομένουσα φωτοαντίσταση μπορεί να απομακρυνθεί με ένα δυνατό οξύ όπως H2SO4 ή ένα συνδυασμό όπως Η2SO4 Cr2Ο3, τα οποία προσβάλλουν την φωτοαντίσταση αλλά όχι το οξείδιο. Άλλα υγρά διαλύματα που χρησιμοποιούνται είναι οργανικοί και αλκαλικοί αποφλοιωτές. Η ξηρή αποφλοίωση ή πλάσματος οξυγόνου, έγινε δημοφιλής, επειδή παρουσιάζει λιγότερα προβλήματα τοξικότητας, ευφλεκτότητας και επικίνδυνων χημικών. Οι μέθοδοι υγρής αποφλοίωσης χάνουν την ισχύ τους κατά τη διάρκεια της χρήσης, έχονταςωςαποτέλεσμαοιρυθμοί αποφλοίωσης να αλλάζουν με το χρόνο. Μικρο νανοκατεργασίες 29

29 Αποφλοίωση Οι ξηροί αποφλοιωτές είναι πιο ελέγξιμοι από τους υγρούς, λιγότερο διαβρωτικοί, και το σημαντικότερο αφήνουν μια καθαρή επιφάνεια κάτω από τις σωστές συνθήκες. Επίσης δεν προκαλούν την υποκοπή και την διεύρυνση των χαρακτηριστικών της φωτοαντίστασης, όπως γίνεται με τους υγρούς αποφλοιωτές. Στην αποφλοίωση με στερεό αέριο σχηματίζεται ένα πτητικό μίγμα από πλάσμα οξυγόνου, χημικά αέρια (όζον) και ακτινοβολία UV ή συνδυασμός τους. Σε αυτή τη μέθοδο με το πλάσμα οξυγόνου εφαρμόζεται διαχωρισμός του Ο 2 σε ατομικό Ο. Στην όζοντος, το όζον σε ατμοσφαιρική πίεση προσβάλλει την αντίσταση, και στην UV/όζοντος ή UV ακτινοβολία βοηθάει στο σπάσιμο του δεσμού της αντίστασης, ανοίγοντας τον δρόμο για μια πιο αποτελεσματική προσβολή με όζον. Ηαποφλοίωσηόμως με το πλάσμα είναι η κυρίαρχη εμπορικά, εξαιτίας του μεγάλου βαθμού αποφλοίωσης και του ότι δεν προκαλεί καμία βλάβη στις συσκευές κατά τη διάρκεια της διεργασίας Μικρο νανοκατεργασίες 30

30 Αποφλοίωση Μικρο νανοκατεργασίες 31

31 Χώρος που λαμβάνει χώρα η διαδικασία της φωτολιθογραφίας Ένα σημαντικό στάδιο πριν τη γόμωση του δισκίου πυριτίου είναι ο καθαρισμός του από μολυσματικά συστατικά. Μολυσματικά συστατικά μπορεί να είναι, στίγματα διαλύτη, σκόνη από χειριστές και εξοπλισμό, μόρια καπνού κλπ. Τα στίγματα διαλύτη και άλλα μπορούν εύκολα να παρατηρηθούν σε ειδικό μικροσκόπιο. Όλες οι λιθογραφικές διεργασίες λαμβάνουν μέρος μέσα σε ένα αποστειρωμένο δωμάτιο, το οποίο είναιέναςειδικάκατασκευασμένοςκλειστόςχώρος ο οποίος περιβαλλοντικά ελέγχεται για αιωρούμενα σωματίδια, θερμοκρασιακή αλλαγή 0,1 ο F, πίεση αέρα, υγρασία, δονήσεις και φωτισμό. Μικρο νανοκατεργασίες 32

32 Χώρος που λαμβάνει χώρα η διαδικασία της φωτολιθογραφίας Το επιτρεπτό μέγεθος μολυσματικών σωματιδίων στην κατασκευή IC έχει μειωθεί με τη μείωση των μεγεθών των κυκλωμάτων. Για παράδειγμα σε ένα chip (DRAM) 64ΚΒ μέγεθος 0,25 μm είναι ανεκτό, αλλά για 4ΜΒ DRAM το μέγεθος είναι 0,05 μm, με τα μικρότερα χαρακτηριστικά που εμφανίζονται σε κάθε περίπτωση να είναι 2,5 και 0,5 μm αντίστοιχα. Σαν ένα σημείο αναφοράς μπορεί να αναφερθεί ότι μια ανθρώπινη τρίχα έχει διάμετρο 75 έως 100 μm, ο καπνός περιέχει σωματίδια από 0,01 έως 1 μm και τα κύτταρα του αίματος έχουν μέγεθος 9 μm. Μικρο νανοκατεργασίες 33

33 Κανονισμοί για το χώρο που λαμβάνει χώρα η φωτολιθογραφία Μικρο νανοκατεργασίες 34

34 Εργαστήριο φωτολιθογραφίας Μικρο νανοκατεργασίες 35