Un fotoprotector (también conocido simplemente como resistor ) es un material sensible a la luz que se utiliza en varios procesos, como la fotolitografía y el fotograbado , para formar un revestimiento estampado sobre una superficie. Este proceso es crucial en la industria electrónica . [1]
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 sólo las regiones no enmascaradas del material queden expuestas a la luz. Luego se aplica a la superficie un disolvente, llamado revelador. En el caso de un fotoprotector positivo, el material fotosensible se degrada con la luz y el revelador disolverá las regiones que estuvieron expuestas a la luz, dejando una capa donde se colocó la máscara. En el caso de un fotorresistente negativo, el material fotosensible se fortalece (ya sea polimerizado o reticulado) con la luz, y el revelador disolverá sólo las regiones que no estuvieron expuestas a la luz, dejando una capa en las áreas donde estaba la máscara. no colocado.
Se puede aplicar un recubrimiento BARC (recubrimiento antirreflectante inferior) antes de aplicar el fotorresistente, para evitar que se produzcan reflejos debajo del fotorresistente y mejorar el rendimiento del fotorresistente en nodos semiconductores más pequeños. [2] [3] [4]
Los fotorresistentes convencionales normalmente constan de 3 componentes: resina (un aglutinante que proporciona propiedades físicas como adhesión, resistencia química, etc.), sensibilizador (que tiene un compuesto fotoactivo) y disolvente (que mantiene el resistente líquido).
Positivo: la luz debilitará la resistencia y creará un agujero.
Negativo: la luz endurecerá la capa protectora y creará una máscara resistente al grabado.
Para explicar esto en forma gráfica, es posible que tenga un gráfico sobre la energía de exposición logarítmica versus la fracción del espesor de resistencia restante. La resistencia positiva se eliminará por completo al final de la energía de exposición y la resistencia negativa estará completamente endurecida y será insoluble al final de la energía de exposición. La pendiente de este gráfico es la relación de contraste. La intensidad (I) está relacionada con la energía por E = I*t.
Un fotorresistente positivo es un tipo de fotorresistente en el que una porción se expone a la luz y se vuelve soluble en el revelador del fotorresistente. La porción no expuesta del fotorresistente permanece insoluble en el revelador del fotorresistente.
Algunos ejemplos de fotorresistentes positivos son:
PMMA (polimetilmetacrilato) monocomponente
DQN bicomponente resiste:
Un fotorresistente negativo es un tipo de fotorresistente en el que la parte del fotorresistente que está expuesta a la luz se vuelve insoluble en el revelador del fotorresistente. La parte no expuesta del fotorresistente se disuelve mediante el revelador del fotorresistente.
Función de Transferencia de Modulación
MTF (función de transferencia de modulación es la relación entre la modulación de la intensidad de la imagen y la modulación de la intensidad del objeto y es un parámetro que indica la capacidad de un sistema óptico.
La siguiente tabla [6] se basa en generalizaciones que son generalmente aceptadas en la industria de fabricación de sistemas microelectromecánicos (MEMS).
Según la estructura química de los fotoprotectores, se pueden clasificar en tres tipos: fotoprotectores fotopoliméricos, fotodescomponentes y fotorreticulados.
* El fotorresistente fotodescomponente es un tipo de fotorresistente que genera productos hidrófilos bajo la luz. Los fotorresistentes fotodescomponentes se utilizan generalmente como fotorresistentes positivos. Un ejemplo típico es la azida quinona, por ejemplo diazonaftaquinona (DQ).
En litografía, disminuir la longitud de onda de la fuente de luz es la forma más eficaz de lograr una mayor resolución. [8] Los fotorresistentes se utilizan más comúnmente 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 transiciones n-π* (S0–S1) y π-π* (S1–S2) en la molécula DNQ. [ cita necesaria ] En el espectro ultravioleta profundo (DUV), la transición electrónica π-π * en el benceno [9] o los cromóforos de doble enlace de carbono aparece alrededor de 200 nm. [ cita necesaria ] Debido a la aparición de más transiciones de absorción posibles que involucran mayores diferencias de energía, la absorción tiende a aumentar con una longitud de onda más corta o una energía de fotón más grande . Los fotones con energías que exceden el potencial de ionización del fotorresistente (pueden ser tan bajos como 5 eV en soluciones condensadas) [10] también pueden liberar electrones que son capaces de una exposición adicional del fotorresistente. 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. [11] Por encima de 20 eV, la ionización de electrones internos y las transiciones 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 Auger entre niveles atómicos profundos para la mayor energía de los fotones. La energía absorbida puede impulsar más reacciones y finalmente se disipa en forma de calor. Esto está asociado con la desgasificación y la contaminación del fotoprotector.
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 son absorbidos, depositando toda su energía a la vez, los electrones depositan su energía gradualmente y se dispersan dentro del fotorresistente durante este proceso. Al igual que ocurre 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; Básicamente, el electrón tiene que estar en reposo con respecto a la molécula para poder reaccionar con más fuerza mediante la unión disociativa del electrón, donde el electrón descansa en la molécula, depositando toda su energía cinética. [12] La escisión resultante rompe el polímero original en segmentos de menor peso molecular, que se disuelven más fácilmente en un disolvente, o libera otras especies químicas (ácidos) que catalizan reacciones de escisión adicionales (consulte la discusión sobre resistencias amplificadas químicamente a continuación). . No es común seleccionar fotoprotectores para exposición a haces de electrones. La litografía por haz de electrones generalmente se basa en resistencias dedicadas específicamente a la exposición al haz de electrones.
Las propiedades físicas, químicas y ópticas de los fotoprotectores influyen en su selección para diferentes procesos. [13] Las propiedades principales del fotoprotector son la capacidad de resolución, la dosis del proceso y las latitudes de enfoque necesarias para el curado, y la resistencia al grabado con iones reactivos. [14] : 966 [15] Otras propiedades clave son la sensibilidad, la compatibilidad con el hidróxido de tetrametilamonio (TMAH), la adhesión, la estabilidad ambiental y la vida útil. [14] : 966 [15]
Los fotoprotectores utilizados en la producción para DUV y longitudes de onda más cortas requieren el uso de amplificación química para aumentar la sensibilidad a la energía de exposición. Esto se hace para combatir la mayor absorción en longitudes de onda más cortas. La amplificación química también se utiliza a menudo en exposiciones a haces de electrones para aumentar la sensibilidad a la dosis de exposición. En el proceso, los ácidos liberados por la radiación de exposición se difunden durante el paso de horneado posterior a la exposición. Estos ácidos hacen que el polímero circundante sea soluble en revelador. Una única molécula de ácido puede catalizar muchas de estas reacciones de « desprotección »; por tanto, se necesitan menos fotones o electrones. [16] La difusión ácida es importante no solo para aumentar la sensibilidad y el rendimiento del fotoprotector, sino también para limitar la rugosidad del borde de la línea debido a las estadísticas de ruido de disparo. [17] Sin embargo, la longitud de difusión del ácido es en sí misma un potencial limitador de resolución. [18] Además, demasiada difusión reduce el contraste químico, lo que conduce nuevamente a una mayor rugosidad. [17]
Las siguientes reacciones son un ejemplo de fotoprotectores comerciales amplificados químicamente que se utilizan en la actualidad:
La e - representa un electrón solvatado o un electrón liberado que puede reaccionar con otros constituyentes de la solución. Por lo general, recorre una distancia del orden de muchos nanómetros antes de ser contenido; [21] [22] una distancia de viaje tan grande es consistente con la liberación de electrones a través de óxido espeso en EPROM UV en respuesta a la luz ultravioleta. Esta exposición parásita degradaría la resolución del fotorresistente; para 193 nm, la resolución óptica es el factor limitante de todos modos, pero para la litografía por haz de electrones o EUVL es el rango de electrones el que determina la resolución y no la óptica.
Un fotorresistente positivo muy común que se utiliza con las líneas I, G y H de una lámpara de vapor de mercurio se basa en una mezcla de diazonaftoquinona (DNQ) y resina novolaca (una resina de fenol formaldehído). 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 novolaca no se comprende bien, pero se cree que está relacionado con los enlaces de hidrógeno (o más exactamente, el diazoacoplamiento en la región no expuesta). Las resistencias DNQ-novolac se desarrollan mediante disolución en una solución básica (generalmente hidróxido de tetrametilamonio (TMAH) 0,26 N en agua).
Un fotorresistente negativo muy común se basa en oligómeros de base epoxi. El nombre común del producto es fotorresistente SU-8 , y fue inventado originalmente por IBM , pero ahora lo venden Microchem y Gersteltec. Una propiedad única del SU-8 es que es muy difícil de desmontar. Como tal, a menudo se usa en aplicaciones donde se necesita un patrón de resistencia permanente (uno que no se pueda quitar e incluso se pueda usar en entornos de temperatura y presión hostiles) para un dispositivo. [23] El mecanismo del polímero a base de epoxi se muestra en 1.2.3 SU-8. SU-8 es propenso a hincharse en tamaños de características más pequeños, lo que ha llevado al desarrollo de alternativas de moléculas pequeñas que son capaces de obtener resoluciones más altas que SU-8. [24]
En 2016, se demostró que OSTE Polymers posee un mecanismo de fotolitografía único, basado en el agotamiento del monómero inducido por difusión, que permite una alta precisión de fotoestructuración. El material polimérico OSTE se inventó originalmente en el KTH Royal Institute of Technology , 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 superficiales reactivas, lo que hace que este material sea atractivo para aplicaciones microfluídicas o biomédicas. [13]
HSQ es una resistencia negativa común para haces de electrones , pero también es útil para fotolitografía. Inventado originalmente por Dow Corning (1970), [25] y ahora producido (2017) por Applied Quantum Materials Inc. (AQM). A diferencia de otras resistencias negativas, HSQ es inorgánico y no contiene metales. Por lo tanto, el HSQ expuesto proporciona un óxido rico en Si de baja constante dieléctrica (low-k). En 2015 se informó sobre un estudio comparativo con otros fotoprotectores (Dow Corning HSQ). [26]
La impresión por microcontacto fue descrita por Whitesides Group en 1993. Generalmente, en estas técnicas, se utiliza un sello elastomérico para generar patrones bidimensionales, mediante la impresión de las moléculas de "tinta" sobre la superficie de un sustrato sólido. [27]
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 .
La fabricación de placas de circuito impreso es uno de los usos más importantes del fotorresistente. La fotolitografía permite reproducir el complejo cableado de un sistema electrónico de forma rápida, económica y precisa, como si se ejecutara en una imprenta. El proceso general consiste en aplicar fotoprotector, exponer la imagen a rayos ultravioleta y luego grabar para eliminar el sustrato revestido de cobre. [28]
Esto incluye materiales fotónicos especiales, sistemas microelectromecánicos ( MEMS ), placas de circuito impreso de vidrio y otras tareas de micropatrones . El fotorresistente tiende a no ser atacado por soluciones con un pH superior a 3. [29]
Esta aplicación, aplicada principalmente a obleas de silicio y circuitos integrados de silicio , es la más desarrollada de las tecnologías y la más especializada en el campo. [30]
{{cite book}}: Mantenimiento CS1: otros ( enlace )