Una fotorresistencia (también conocida simplemente como resina ) 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 solo las regiones del material que no estén enmascaradas 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 estuvieron expuestas a la luz, dejando una capa en las áreas donde no se colocó la máscara. En el caso de una fotorresistencia negativa, el material fotosensible se fortalece (ya sea polimerizado o reticulado) con la luz, y el revelador disolverá solo las regiones que no estuvieron expuestas a la luz, dejando una capa en las áreas donde no se colocó la máscara.
Se puede aplicar un recubrimiento BARC (recubrimiento 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. [2] [3] [4]
Las fotorresistencias convencionales generalmente 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 la resistencia líquida).
Positivo: la luz debilitará la resistencia y creará un agujero.
Negativo: la luz endurecerá la resistencia y creará una máscara resistente al grabado.
Para explicar esto en forma gráfica, puede tener un gráfico sobre el logaritmo de la energía de exposición versus la fracción de espesor restante de la resina. La resina positiva se eliminará por completo con la energía de exposición final y la resina negativa se endurecerá por completo 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.
Una fotorresistencia positiva es un tipo de fotorresistencia en la que una parte se expone a la luz y se vuelve soluble en el revelador de la fotorresistencia. La parte no expuesta de la fotorresistencia permanece insoluble en el revelador de la fotorresistencia.
Algunos ejemplos de fotorresistencias positivas son:
PMMA (polimetilmetacrilato) monocomponente
El DQN de dos componentes resiste:
Una fotorresistencia negativa es un tipo de fotorresistencia en la que la parte de la fotorresistencia que está expuesta a la luz se vuelve insoluble en el revelador de la fotorresistencia. La parte no expuesta de la fotorresistencia se disuelve mediante el revelador de la fotorresistencia.
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 generalmente aceptadas en la industria de fabricación de sistemas microelectromecánicos (MEMS).
Según la estructura química de las fotorresistencias, se pueden clasificar en tres tipos: fotorresistencias fotopoliméricas, fotodescomponedoras y fotorreticuladas.
* La fotorresistencia fotodescomponible es un tipo de fotorresistencia que genera productos hidrófilos bajo la luz. Las fotorresistencias fotodescomponibles se utilizan generalmente para la fotorresistencia positiva. Un ejemplo típico es la azida quinona, por ejemplo, la diazonaftaquinona (DQ).
En litografía, la disminución de la longitud de onda de la fuente de luz es la forma más eficiente de lograr una mayor resolución. [8] Las fotorresistencias 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 las transiciones n-π* (S0–S1) y π-π* (S1–S2) en la molécula DNQ. [ cita requerida ] En el espectro ultravioleta profundo (DUV), la transición electrónica π-π* en benceno [9] o cromóforos de doble enlace de carbono aparece alrededor de 200 nm. [ cita requerida ] 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 mayor energía de fotones . Los fotones con energías que exceden el potencial de ionización de la fotorresistencia (puede ser tan baja como 5 eV en soluciones condensadas) [10] también pueden liberar electrones que son capaces de exponer aún más la fotorresistencia. Desde aproximadamente 5 eV hasta aproximadamente 20 eV, la fotoionización de los electrones de la " banda de valencia " externa 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 aproxima a la región de rayos X, ya que se permiten menos transiciones Auger entre niveles atómicos profundos para la energía fotónica más alta. La energía absorbida puede impulsar reacciones adicionales y, en última instancia, se disipa en forma de calor. Esto está asociado con la desgasificación y la contaminación de la fotorresistencia.
Las fotorresistencias también pueden exponerse a rayos de electrones, produciendo los mismos resultados que la exposición a la luz. La principal diferencia es que mientras que 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 rayos de electrones, y el calentamiento y la desgasificación siguen siendo un problema. La energía de disociación para un enlace CC es de 3,6 eV. Los electrones secundarios generados por la radiación ionizante primaria tienen energías suficientes para disociar este enlace, causando la escisión. Además, los electrones de baja energía tienen un tiempo de interacción con la fotorresistencia más largo debido a su menor velocidad; esencialmente, el electrón tiene que estar en reposo con respecto a la molécula para reaccionar con mayor fuerza a través de la unión electrónica disociativa, donde el electrón se detiene 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 solvente, o bien libera otras especies químicas (ácidos) que catalizan otras reacciones de escisión (ver la discusión sobre las resinas químicamente amplificadas a continuación). No es común seleccionar fotorresistencias para la exposición al haz de electrones. La litografía por haz de electrones generalmente se basa en resinas dedicadas específicamente a la exposición al haz de electrones.
Las propiedades físicas, químicas y ópticas de las fotorresistencias influyen en su selección para diferentes procesos. [13] Las propiedades principales de la fotorresistencia son la capacidad de resolución, la dosis del proceso y las latitudes de enfoque requeridas para el curado, y la resistencia al grabado de iones reactivos. [14] : 966 [15] Otras propiedades clave son la sensibilidad, la compatibilidad con hidróxido de tetrametilamonio (TMAH), la adhesión, la estabilidad ambiental y la vida útil. [14] : 966 [15]
Las fotorresistencias utilizadas 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 haz 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 el revelador. Una sola molécula de ácido puede catalizar muchas de estas reacciones de " desprotección "; por lo tanto, se necesitan menos fotones o electrones. [16] La difusión ácida es importante no solo para aumentar la sensibilidad y el rendimiento de la fotorresistencia, 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 ácida es en sí misma un limitador potencial 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 fotorresistencias químicamente amplificadas comerciales que se utilizan hoy en día:
El e − representa un electrón solvatado o un electrón liberado que puede reaccionar con otros constituyentes de la solución. Normalmente recorre una distancia del orden de muchos nanómetros antes de ser contenido; [21] [22] una distancia de recorrido 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 de la fotorresistencia; 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 lo que determina la resolución en lugar de la óptica.
Una fotorresistencia positiva 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 novolac (una resina de fenol formaldehído ). La DNQ inhibe la disolución de la resina novolac, pero al exponerla a la luz, la velocidad de disolución aumenta incluso más que la de la novolac pura. El mecanismo por el cual la DNQ no expuesta inhibe la disolución de la novolac no se entiende bien, pero se cree que está relacionado con el enlace de hidrógeno (o más exactamente, el diazoacoplamiento en la región no expuesta). Las resinas DNQ-novolac se desarrollan por disolución en una solución básica (generalmente hidróxido de tetrametilamonio (TMAH) 0,26 N en agua).
Una fotorresistencia negativa muy común se basa en un oligómero a base de epoxi. El nombre común del producto es fotorresistencia SU-8 , y fue inventada originalmente por IBM , pero ahora es vendida por Microchem y Gersteltec. Una propiedad única de SU-8 es que es muy difícil de pelar. Como tal, a menudo se utiliza en aplicaciones donde se necesita un patrón de resistencia permanente (uno que no se pueda pelar, e incluso se pueda usar en entornos de temperatura y presión severos) 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 los polímeros OSTE poseen un mecanismo de fotolitografía único, basado en la reducción de monómeros inducida 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. Si bien el material tiene propiedades similares a las del SU8, OSTE tiene la ventaja específica de que contiene moléculas reactivas en la superficie, lo que hace que este material sea atractivo para aplicaciones microfluídicas o biomédicas. [13]
El HSQ es un material fotorresistente negativo común para rayos e , pero también es útil para fotolitografía. Originalmente inventado por Dow Corning (1970), [25] y ahora producido (2017) por Applied Quantum Materials Inc. (AQM). A diferencia de otros materiales fotorresistentes negativos, el 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 de un estudio comparativo con otros fotorresistentes (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, a través de la impresión de moléculas de “tinta” sobre la superficie de un sustrato sólido. [27]
Paso 1 para la impresión por microcontacto. Esquema para la creación de un sello maestro de polidimetilsiloxano (PDMS). Paso 2 para la impresión por microcontacto. Esquema del proceso de entintado y contacto de la litografía de microimpresión .
La fabricación de placas de circuitos impresos es uno de los usos más importantes de la fotorresistencia. La fotolitografía permite reproducir de forma rápida, económica y precisa el cableado complejo de un sistema electrónico como si saliera de una imprenta. El proceso general consiste en aplicar la fotorresistencia, 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 circuitos impresos de vidrio y otras tareas de micropatrones . La fotorresistencia tiende a no ser atacada 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 de CS1: otros ( enlace )