Versuch 6 - TU Ilmenau

Fachpraktikum
Mikro-und Nanotechnologiepraktikum
Versuch:
Lithographie
Versuch: Lihographie Strahlung
Maske
ätzen
beschichten
Resist
Wafer
modifizieren
Belichtung
Entwicklung
prozessierter
Wafer
1 Zielstellung  Kennenlernen der Grundlagen der Lithographie sowie verschiedener Lithographieverfahren.  Praktische Durchführung eines photolithografischen Prozesses der Mikrotechnik. Dabei: - Kennenlernen eines Belackers sowie eines Maskaligners und deren Einsatzmöglichkei‐
ten. - Herstellung einer Lackstruktur zur Oxidstrukturierung für nachfolgende Ätzprozesse. 2 Lithografie 2.1
Prinzip der Lithografie Die Lithografie ist ein wesentlicher Prozessschritt in der Mikroelektronik sowie in der Mikrosystem‐
technik für die Strukturerzeugung in Substraten oder in darauf befindlichen Funktionsschichten. Nur mittels dieses Verfahrens ist eine Strukturierung mit Dimensionen im Mikrometer‐ und Submikrome‐
ter‐Bereich möglich. Weiterhin bietet die Lithographie die Möglichkeit der kostengünstigen Massen‐
fertigung indem von einer Vorlage viele Kopien erstellt werden /Men97/, /Völ00/. Der lithografische Prozess ist im Allgemeinen durch folgende Prozessschritte gekennzeichnet: Durch Belacken wird die gesamte Oberfläche eines Substrates (z.B. Si‐Wafer) mit einem strahlungssensiblen (z.B. UV‐, Röntgen‐, Elektronenstrahlung) Kunststoff (Resist) überzogen welcher für spätere Bearbei‐
tungsschritte resistent ist. Im Schritt Belichten das heißt der Bestrahlung durch eine Maskierung oder über direktschreibenden Verfahren wird die Strukturvorgabe auf den Resist übertragen, welcher an den belichteten Bereichen seine Löslichkeit in speziellen Lösungsmitteln (Entwickler) ändert. Hierbei ist zwischen Positivresist (belichtete Bereiche sind löslich) und Negativresist (unbelichtete Bereiche sind löslich) zu unterschieden. Entsprechend der Eigenschaften des Resistes werden beim Entwickeln nun die löslichen Bereiche des Resistes entfernt und somit das Substrat an diesen Stellen freigelegt. Es schließt sich der eigentliche Schritt der Substratbearbeitung im so genannten „Batch‐Verfahren“ an, indem gesamtflächig auf die Oberfläche des Substrates eingewirkt wird, wobei nur die unge‐
schützten Bereiche verändert werden. Hierbei können die freigelegten Strukturbereiche modifiziert (Oxidation, Dotieren mit Fremdatomen), abgetragen (Ätzen) oder neue Materialien auf ihnen aufge‐
baut werden (CVD, PVD, galvanische Abscheidung) /Men97/. Schließlich wird der Resist durch nass‐
chemische oder trockene Verfahren entfernt. Bild 1 zeigt den prinzipiellen Ablauf der Lithographie mit Positiv‐ bzw. Negativresist wobei eine Maskierung als Träger der Strukturinformationen sowie ein Ätzprozess zur Strukturausbildung verwendet werden. Bild 1: Prinzip der Lithografie mit Maskierung für Positiv‐ bzw. Negativresist /Völ00/ Wie ebenfalls in Bild 1 dargestellt, ist es in vielen Fällen notwendig vor der eigentlichen Bearbeitung des Substrates eine vorher aufgebrachte Funktionsschicht zu strukturieren, falls der Resist den An‐
forderungen des zur Strukturierung des Substrates notwendigen Prozesses nicht genügt (z.B. hohen Temperaturen bei der thermischen Oxidation). Weiterhin gibt es lithographische Prozesse ohne Verwendung von Resisten, zum Beispiel die direkte Belichtung von fotoempfindlichem Glas /Hül92/. Wie schon erwähnt, wird zwischen der Lithographie mit seriellen direkt schreibenden Verfahren so‐
wie parallelen Projektionsverfahren mit Maskierung unterschieden. Im ersten Fall wird ein fein foku‐
sierter (Licht‐, Röntgen‐, Elektronen‐, Ionen‐) Strahl über das Substrat geführt und die gewünschte Struktur direkt „geschrieben“. Ein wesentlicher Nachteil dieses Verfahrens ist der hohe Zeitaufwand für den Prozess. Wesentlich schneller sind hier parallel arbeitende Verfahren mit Maskierung, da das gesamte Substrat großflächig bestrahlt wird. Allerdings ist für die Erstellung der Masken ein seriell schreibendes Verfahren notwendig (siehe Maskenerstellung). Wesentliche Forderungen an die Lithografie sind:  die hohe Übertragungstreue der lateralen Auflösung (pattern fidelety) sowie  eine exakte Passgenauigkeit der Masken verschiedener Strukturierungsebenen zueinander. Diese Punkte werden im Folgenden noch näher erläutert. 2.2
Belichtungsverfahren und Apparaturen Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal ist die Art der Projektions‐ bzw. Belichtungsverfahren bei der Verwendung von Maskierungen. Zum einen wird das 1:1‐Schattenprojektionsverfahren (Parallelpro‐
jektion) in Form der Proximity‐ oder Kontaktbelichtung und zum anderen das Projektionsverfahren mit Masken im Maßstab von 10:1 oder 5:1 welche als Reticle bezeichnet werden, angewendet. Letz‐
teres wird praktisch meist im Step‐ and Repeat‐Verfahren ausgeführt, wobei immer nur ein Teilfeld eines Wafers belichtet und dann zum nächsten Teilbereich weitergefahren wird um dort die Belich‐
tung zu wiederholen. Angewendet werden kann auch das Wafer‐scan‐Verfahren, bei dem die Waferfläche mit einem Belichtungsstreifen abgescannt wird. Bild 2 zeigt einen Überblick über die genannten Verfahren in Verbindung mit verschiedenen Strahlungsquellen und Bild 3 ein Schema zur Einordnung der Verfahren in den Prozess der Lithographie. Bild 2: Ordnungsschema der Lithographieverfahren /Men97/ 1:1 Schattenprojektion - Kontaktbelichtung - Projektionsbelichtung Projektionsbelichtung (5:1, 10:1) - Waferscan - Step‐and Repeat Direktschreiben UV‐Licht (Hg‐Lampe oder Eximer‐Laser Röntgenstrahlung Synchrotronstrahlung Elektronenstrahl Ionenstrahl Röntgenstrahl‐lithographie Ionenstrahl‐
lithographie Photolithographie Bild 3: Einteilung der Belichtungsverfahren /Menz97/, /Rug91/ Ionenstrahl‐
lithographie Elektronenstrahl‐
lithographie Ionenstrahl‐
lithographie Ein wichtiges Kriterium bei der Lithographie ist die kleinste realisierbare Struktur. Im Fall der er‐
wähnten Belichtungsverfahren haben die in Bild 4 dargestellten geometrischen und physikalischen Größen einen entscheidenden Einfluss. Kontakt
Proximity
Projektion
Quelle
Linse
Maske
Linse

Maske
Resist
Resist
Substrat
Substrat
Proximityabstand
dprox
W
DOF
Bild 4: Belichtungsverfahren Kontakt‐ / Proximitybelichtung: Der wesentliche Unterschied zwischen Kontakt‐ und Proximitybelichtung besteht im Abstand dprox (ca. 3‐15 µm) zwischen Maske und Resist. Dieser ist bei der Kontaktbelichtung gleich null, da die Mas‐
ke direkt auf den Resist aufgelegt wird. Außer einem optischen System zur Erzeugung paralleler Strahlen kommt keine weitere Optik zum Einsatz (1:1 ‐ Abbildung). Strukturbegrenzend wirkt die Frensnel‐Beugung, da die Strahlung durch sehr kleine Öffnungen in der Maske tritt. Die minimale Strukturauflösung ergibt sich nach:  ‐ Wellenlänge der Strahlung d


Amin  1,5     d prox  Re sist  d prox ‐ Abstand Maske‐Resist, Proximityabstand 2 

d Re sist ‐ Dicke Resist Im Fall der Kontaktbelichtung ist der negative Einfluss der Beugungseffekte am geringsten. Allerdings besteht aufgrund des direkten Kontakts eine sehr große Wahrscheinlichkeit der irreparablen Defekt‐
generation in der Maske und dem Resist durch zwischengelagerte Staubpartikel. Dies wird durch den Abstand beim Proximityverfahren umgangen, jedoch führen die Beugungserscheinungen zur Belich‐
tung von eigentlich abgedeckten Bereichen was die minimal erreichbare Strukturbreite vergrößert. Projektionsverfahren: Bei der Projektionslithografie befinden sich zusätzlich zur Optik für parallele Strahlen abbildende Lin‐
sensysteme im optischen Strahlengang zwischen Maske und fotoempfindlicher Schicht. Die numeri‐
sche Apertur dieser Projektionsoptik bestimmt die minimale Strukturbreite. 
k1 ‐ empirische Konstante (Resist, Substrat, Prozessbedingungen) Wmin  k1 
 ‐ Wellenlänge der Strahlung NA
NA ‐ numerische Apertur der Projektionsoptik 
 k1 
n L ‐ Brechzahl des Mediums zw. Optik und Resist (meist Luft n L  1 ) n  sin 
L
 ‐ halber Öffnungswinkel des Projektionsobjektivs Durch Verringerung der Wellenlänge  und Vergrößerung der numerischen Apertur NA der Optik lässt sich somit die Auflösung verbessern. Allerdings gilt für die Tiefenschärfe DOF (depth of focus) : k 2 ‐ prozessabhängiger Faktor k 
DOF  2 2 NA
Somit hat eine Vergrößerung von NA bei konstanter Wellenlänge einen nachteiligen Einfluss auf die Tiefenschärfe /Völ00/. Jedoch kann bei gegebener Auflösung Wmin durch Verringerung der Wellen‐
länge der Strahlung die Tiefenschärfe verbessert verden. k W 2
DOF  2 2 min k1  
Es ist also nötig einen Kompromiss zwischen hoher Auflösung und großer Fokustiefe zu schließen. Eine prinzipielle Verbesserung des Belichtungsergebnisses kann durch die Beugungsreduzierung er‐
reicht werden wie sie zum Beispiel in der SUSS‐LEGO‐Optik verwendet wird. Dabei werden wie in Bild 5 dargestellt durch Beleuchtung mit einem gezielten Winkelspektrum Beugungseffekte unterdrückt. Bei ansonsten gleichen Parametern können mit dieser Beugungsreduzierung kleinere Strukturbreiten belichtet werden, ohne dass die Beugungs‐Nebenmaxima störend in Erscheinung treten /Ehr02/. Bild 5: Beugungsreduzierung ‐ Die gestrichelte Linie deutet die Ansprechschwelle des Resists an /Ehr02/ 2.3
Verfahrensführung der UV‐Lithographie Im Folgenden sollen nun die Prozessschritte der im Praktikum dargestellten UV‐Lithographie näher erläutert werden. Der Ablauf gliedert sich in: 1. Substratreinigung (Priming)
2. Beschichtung mit Haftvermittler 3. Belackung 4. Softbake (Prebake, Pre Exposure Bake) 5. Belichtung (Exposure) 6. Post Exposure Bake (Pre development bake) 7. Entwicklung (Development) 8. Hardbake (Post Development Bake)  Mikrotechnische Strukturierungs‐/ Wandlungsprozesse 9. Entfernen des Resists (Stripping) Substratreinigung / Beschichten mit Haftvermittler: (Priming) Zu Begin jedes Lithographischen Prozesses steht eine Reinigung des Substrates, der Wafer. Durch die Lösungsmittel Aceton und Isopropanol werden Verunreinigungen entfernt und der Wafer mit DI‐
Wasser gespült. Durch Tempern der Wafer (700°C, 30 min, N2‐Atmosphäre) werden diese getrocknet, um vorhandene Wasserschichten von der Oberfläche zu entfernen. Allerdings kann auch dann das Haften der meist hydrophoben Resiste auf oxidischen Oberflächen (wie SiO2) oder auf oxidbildenden Oberflächen wie Silizium oder Aluminium aufgrund erneuter Anlagerung von OH‐Molekülen während des Handlings der Wafer an diese hydrophilen Oberflächen ein Problem darstellen /Völk00/. Um die OH‐Gruppen zu entfernen hat sich speziell für Siliziumsubstrate die Beschichtung der gereinigten Waferoberflächen mit Hexamethyldisilasan (HMDS: (CH3)3Si‐NH‐Si(CH3)3) als geeignet erwiesen. Hier‐
für werden die Substrate in gasförmigem N2 gespült und in Priming‐Öfen nach Erwärmung der Ober‐
fläche (300°C) in einer gesättigten HMDS‐Atmosphäre behandelt. Alternativ kann auch flüssiges HMDS mittels aufsprühen oder aufschleudern bei Raumtemperatur auf die Wafer aufgebracht wer‐
den. Dies zeigt aber deutlich schlechtere Haftungseigenschaften. Üblicherweise werden Haftvermitt‐
lerdicken von einigen nm realisiert. Belackung: Der Auftrag des Lackes auf die Wafer kann nach verschiedenen Verfahren erfolgen. Dabei bestehen Forderungen nach einer hohen Gleichmäßigkeit der Lackdicke über dem gesamten Substrat, einer homogenen Bedeckung sowie möglichst hoher Defektfreiheit. Die Belackung mit dem Schleuderver‐
fahren (Spin Coating) mit flüssigem Resist ist gegenwärtiger Standard für unstrukturierte Substrate. Wafer mit dreidimensionaler Topographie werden durch Sprühbelackung mit Resist überzogen. Der Ablauf des Spin Coatings gliedert sich in Lackauftrag, Formieren, Schleudern (Bild 6). Bild 6: Spin Coating Entsprechend der Materialeigenschaften des Lackes wie Viskosität, Haftung, Homogenität sowie der gewünschten Parameter der Fotolackschicht können an modernen Belackungsanlagen für das Spin Coating verschiedene Prozessparameter eingestellt werden. Dazu zählen: - Position der Düse zum Lackauftrag bzgl. der Substratoberfläche - Lackvolumen - Dauer des Lackauftrags - Rotationsgeschwindigkeit während des Lackauftrags - Formierdrehzahl - Formierdauer - Schleuderzeit - Beschleunigungsverhalten Softbake (Prebake, Pre Exposure Bake): Nach der Belackung erfolgt generell ein Tempervorgang. Dieser Prozessschritt hat folgende Aufga‐
ben: - Entfernen des Lösungsmittels - Einstellung einer definierten Strahlungsempfindlichkeit - Erhöhung der mechanischen Stabilität der Lackschicht - Erhöhung der Lackhaftung auf dem Substrat Hierfür verwendet man üblicherweise: - das Tempern im Konvektionsofen (ca. 30 min, 70‐90°C) oder - das Hot‐Plate‐Tempern (ca. 1 min, 100‐120°C) oder - die IR‐Temperung (homogene Behandlung, relativ kurze Bearbeitungszeit) Trotz Softbake verbleiben sehr geringe Anteile des Lösungsmittels im Resist. Dies ist abhängig von der Temperatur und hat auch einen Einfluss auf die Löslichkeit des später belichteten Resists, Bild 7. Bild 7: Lösungsmittelgehalt und Logarithmus der Entwicklungsrate (Dissulution Rate) DR als Funktion der Softbake‐
Temperatur für DNQ/Novolack‐Resist /Völ00/ Justierung und Belichtung: Zur Übertragung der Maskenstruktur in den Fotolack werden Projektionslithografieanlagen (Waferstepper) oder Justier‐ und Gesamtbelichtungseinrichtungen (Maskaligner) eingesetzt. Substrat und Maske werden mittels Positioniermarken zu einander ausgerichtet und belichtet. Die Anlagen sind mit Lichtquellen, die auf die spektrale Empfindlichkeit des Resists abgestimmt sind, ausgestattet. Üblicherweise werden bei der Fotolithografie Hg‐ oder Hg/Xe‐Hochdrucklampen mit ausreichender Strahlungsintensität im UV‐Bereich (Wellenlänge  = 300 bis 450 nm) verwendet. Eine detailliertere Beschreibung der verwendeten Belichtungsapperaturen findet sich später. Prinzipiell soll bei der Belichtung eine bestimmte Energiedosis in den Resist übertrage werden um an den entsprechend belichteten Stellen chemische Veränderungen zu erreichen die zur Änderung der Löslichkeit des Resistes führen. Hauptsächlich wird dies durch die Belichtungsdauer gesteuert, ob‐
wohl in geringem Maße auch eine Steuerung über die Lampenleistung möglich ist. Bei der Belichtung sind hohe Empfindlichkeit und hoher Kontrast wesentliche Forderungen an den Resist beim Belichten. Im Fall der Positivresiste gibt es drei Kennwerte die den Resist kennzeichnen. - Ansprechschwelle D1 : minimale Dosis für das Ansprechen des Resists - Grenzdosis D0 : Dosis die zum vollständigen entfernen des Resistes nötig ist (dose‐to‐clear) - Kontrast  : Resist‐Kontrast, Flankensteilheit Für die Belichtung der Fotoschichten ist also die Lichtmenge/dosis Q( D)  f ( E , t ) E ‐ Lichtstrom t ‐ Belichtungszeit maßgebend. Um einen maximalen Kontrast der entwickelten Fotoschicht zu erhalten, wird t bei konstanter Inten‐
sität für verschiedene Lacke und Dicken optimiert. Bild 8 zeigt die Definition der Parameter und eine typische Kennlinie für Positivresiste. Bild 8: Definition und Beispiel von Ansprechschwelle und Kontrast für Positivresiste /Ehr02/, /Völ00/ Wie in Bild 8 zu erkennen, ist auch in unbelichteten Bereichen mit einem Abtrag der Resistschicht beim Entwickeln zu rechnen. Dies wird als Dunkelabtrag oder Dunkelerosion bezeichnet und ist bei der Festlegung von erforderlichen Resistsdicken zu berücksichtigen. Weiterhin zeigt die Praxis, dass eine Dosis von (1,5  2)  D0 erforderlich ist, um den Resist vollständig zu entwickeln. Dementsprechend wird die Resistempfindlichkeit definiert als Belichtungsdosis (in mJ/cm²) die zur vollständigen 1:1‐Übertragung der Maskenstruktur in den entwickelten Resist nötig ist (dose‐to‐print). Die erforderliche Belichtungsdosis hängt auch von der Resistdicke ab, da die Strahlung im Resist ab‐
sorbiert wird /Völ00/. In Bezug auf die Belichtung mittels Projektionsverfahren sei noch einmal die praktisch nutzbare Tie‐
fenschärfe (depth‐of‐focus, DOF) erwähnt. Nur innerhalb der Umgebung der Focusebene ist eine exakte Abbildung der Maskenstrukturen möglich. Durch die DOF ist die noch akzeptable Abwei‐
chung (durch Justierungenauigkeiten, Linsenfehler, Substratunebenheiten, Schwankungen der Re‐
sistdicke infolge evtl. Topographie) aus der Focusebene bei geforderten Auflösungsgenauigkeiten gegeben ohne dass die Unschärfe der Abbildung zu nicht tolerierbaren Fehlern führt /Völ00/. Post Exposure Bake (Pre development bake): Unter Post Exposure Bake (Pre development bake) ist eine thermische Behandlung des belichteten aber unentwickelten Resists zu verstehen. Ziel des PEB ist es die Auswirkungen einer inhomogenen Belichtungsdosis infolge stehender Wellen zu reduzieren. Durch Temperung (30‐60s, 110‐120°C) wird eine Diffusion der photoaktivierten Moleküle erreicht die die Inhomogenität nahezu vollständig be‐
seitigt. Bei Bestrahlung mit polychromatischer anstatt monochromatischer Strahlung kann auf das PED verzichtet werden, da die stehenden Wellen kaum eine Rolle spielen /Völ00/. Entwickeln: Die Fotoentwicklung ist die Entfernung von unbelichtetem Negativlack oder belichtetem Positivlack. Bei Positivlacken erfolgt ein drastischer Anstieg der Löslichkeit belichteter Gebiete in wässrigen basi‐
schen Lösungen (z.B. NaOH, KOH). Aber auch die unbelichteten Gebiete haben eine sehr geringe Lös‐
lichkeit. Durch ihre hydrophobe Eigenschaft nehmen sie wenig Wasser aus dem Entwickler auf und quellen kaum. Bei Substraten die nicht mit Metallionen verunreinigt werden dürfen kommen inzwi‐
schen metallionenfreie (MIF) Entwickler zu Einsatz, bestehend aus gepufferter Tetramethylammoni‐
umhydroxid‐Lösung (TMAH). Bei Negativlackentwicklung erfolgt eine Lösung der nichtpolymerisierten Gebiete in bestimmten or‐
ganischen Lösungsmitteln z. B.: Trichlorethylen, Xylen. Die chemischen Vorgänge bei der Entwicklung sind später näher erläutert. Charakteristische Größen beim Entwickeln sind: - Abtragungsgeschwindigkeit A beim Entwicklungsprozess - Aunbelichtet = 1..2nm/s Abelichtet = 100..200nm/s - K – Wert (Entwicklerkontrast) für Positivlack K = Aunbelichtet / Abelichtet Übliche Verfahren für die Entwicklung sind: - Tauchentwicklung (bei geringen Stückzahlen, erfordert geringen technischen Aufwand) - Sprühentwicklung (meistverwendetes technisches Verfahren, bessere Reproduzierbarkeit, hö‐
herer Durchsatz) Nach der gewünschten Zeit der Entwicklung wird das Substrat gründlich gespült und getrocknet (im rinser‐dryer). Um die Qualität der entstandenen Resistmaske zu überprüfen schließt sich an die Ent‐
wicklung eine Inspektion anhand von Teststrukturen an die folgende Kriterien überprüft /Völ00/: - keine unerwünschten Resistreste (Unterentwicklung !) in den entwickelten Bereichen - gute Resisthaftung - möglichst senkrechte Resistflanken - keine Defekte und exakte Positionierung der Resiststruktur zu vorhandenen Strukturen Hardbake (Post Development Bake): Nach der Entwicklung wird ein Tempervorgang (100‐120°C, 30min, Positivresist) gefahren, um Lö‐
sungsmittelreste zu entfernen und eine bessere mechanische Stabilität, höhere Lackhaftung, bessere Ätzbeständigkeit und größere Lackhärte, sowie eine geringfügige Ausheilung von Löchern und Defek‐
ten zu erzielen. Das Hardbake bewirkt eine weitere Vernetzung und bessere Bindung des Resists an die Substratoberfläche. Für den Prozess werden Konvektionsöfen oder Hot‐Plates verwendet. Probleme der Nachtemperung sind die Abrundungen des Fotolackes an Kanten und die mögliche thermische Zerstörung der Lackschicht. Daraus folgt die Optimierung der Temperatur und Temperzeit nach Lacksorte und –dicke. Entfernung des Resists (strippen): Nachdem die Maskenstruktur in das Substart oder die Funktionsschicht übertragen wurde, wird die Fotolackschicht in den meisten Fällen nicht mehr benötigt und muss entfernt werden. Gleichzeitig kann so eine zusätzliche Reinigung des Substrates erfolgen. Für das Strippen gibt es folgende Varian‐
ten - durch nasse Oxidation - in Lösungsmitteln - mittels Plasma‐Stippen Die Entfernung des ausgehärteten Resists durch nasschemische Oxidation in Gemischen aus H2O2/H2SO4 sowie CrO3/ H2SO4 bei 70°C hat den Vorteil der restlosen Beseitigung der Maskierungs‐
schicht. Allerdings sind die Lösungen wegen der stark oxidierenden Wirkung zur Resistentfernung auf Aluminiumoberflächen nicht geeignet und führen auf Siliziumoberflächen zur Bildung einer SiO2‐
Schicht. Zudem sind die Substanzen hoch toxisch. Bei der Resistentfernung mit Lösungsmitteln kommen Resistentferner aus chlorierten Kohlenwasser‐
stoffen, Phenolen und Benetzungsmitteln (z.B. Aceton, Trichlormethan, N‐Methylperrolidon, Dime‐
thylsulfoxid) bei Temperaturen zwischen 50‐200°C zum Einsatz /Völ00/. In beiden Fällen (nasse Ox., Lösungsmittel) erfolgt die Behandlung der Wafer in entsprechenden Bä‐
dern unter ständiger Bewegung der Wafer und teilweise mit Ultraschallunterstützung zur Beschleuni‐
gung des Prozesses. Eine Spülung bzw. Reinigung mit z.B. deionisiertem Wasser schließt den Prozess der Resistentfernung ab. Wesentlich besser ist die Resistentfernung im Sauerstoffplasma, d.h. das Veraschen des Resists. Hier‐
bei handelt es sich um ein chemisches Abtragen des Resistes. Das Prinzip ist analog dem plasmache‐
mischen Trockenätzen in HF‐Plasma‐Reaktoren. 2.4
Belichtungsapparaturen Bei den Belichtungsapparaturen für die Lithographie wird zwischen den Systemen Maskaligner (Kon‐
takt‐ oder Proximitybelichtung) und Waferstepper (Projektionsbelichtung unterscheiden. Weiterhin wurden spezielle Anlagen wie BSA‐Maskaligner (Bottom Side Alignment), DUV‐Projektionssysteme (Deep UV) oder Anlagen für die Röntgenlithographie entwickelt /Völ00/. Im Bereich der UV‐Lithographie in der Mikrotechnik finden hauptsächlich der Maskaligner mit 1:1‐
Kontakt‐ /Proximitybelichtung Verwendung. Zur Erzeugung der Strahlung werden Hg‐ oder Hg/Xe‐
Hochdrucklampen verwendet. Die in den Anlagen vorkommende NUV‐Standard‐Optik (Near UV) ist für den Wellenlängenbereich von 350‐450 nm transparent. Dementsprechend kommen die Haupte‐
missionslinien der Lampen bei 435,83nm (g‐Linie), 404,65nm (h‐Linie) und 365,48 (i‐Linie) zum Ein‐
satz da diese am stärksten ausgeprägt sind und so vorrangig zur Gesamtintensität beitragen. Die Wellenlängen in diesem Bereich werden auch UV400 genannt. Strahlung mit Wellenlängen um 300nm werden als UV300 bezeichnet. Wellenlängen größer 450nm werden in den Anlagen mittels Kaltlichtspiegel ausgeblendet /Ehr00/. Die Verwendung eines Wellenlängenbereichs (polychromati‐
sches Licht) verringert gegenüber der Belichtung mit monochromatischem Licht das Problem der ste‐
henden Wellen /Völ00/. Für spezielle Anwendungen im Bereich der DUV‐Lihtographie kommen Exi‐
mer‐Laser mit Wellenlängen von 157nm, 193nm oder 248nm zur Anwendung was allerdings sind die Anforderungen an den Resist erhöht, da die Intensität der Strahlung wesentlich geringer ist als bei Dampflampen. Bild 9 zeigt die verwendeten Spektren der Strahlungsquellen und Bild 10 ein Schema einer Anlage. Bild 9: Spektrum einer Hg‐Hochdrucklampe und Emissionswellenlängen einiger Eximer‐Laser (F2, ArF, KrF, XeCl), die als Lichtquellen für die DUV‐Lithographie genutzt werden /Völ00/,/Ehr02/ Bild 10: Belichtungssystem eines Maskaligner (MA6) für Kontakt/Proximity‐Belichtung/Völ00/ Zur Belichtung werden zuerst die auf einem Substrathalter befestigten Wafer mit Hilfe von Abstands‐
haltern völlig parallel zur Maske ausgerichtet. Die Justierung erfolgt dann im Anstand von ca. 50µm unter Beobachtung der Justiermarken mittels zwei Mikroskopen (splitfield‐Mikroskop, Bild 12) die einen möglichst großen Abstand zu einander haben. Durch eine Verschiebung des Wafers werden - der Versatz in x‐Richtung - der Versatz in y‐Richtung sowie - der Winkelversatz korrigiert. Durch Verschiebung in z‐Richtung wird der Wafer unter Erhaltung der Parallelität in den Belichtungsabstand gebracht, Bild 11. Bild 11: Justiereinrichtung eines Maskaligners (MA6) für Proximity‐Belichtung /Völ00/ In der Mikrosystemtechnik ist es oft notwendig eine beidseitige Lithographie durchzuführen. Hierfür wurden BSA‐Maskaligner (Bottom Side Alignment) entwickelt, Bild 12. Das Prinzip dieser Anlagen besteht im Überlagern von zwei Bildern auf einem Monitor zur Ausrichtung der Justiermarken auf der Waferseite die nicht zur Maske zeigt mit den Marken der Maske. Zuerst werden die Justiermarken auf der Maske mit den Objektiven der splitfield‐Mikroskopen fokus‐
siert und ein Bild gespeichert. Danach wird der Wafer unter die Maske gebracht und die Justiermar‐
ken auf dem Wafer fokussiert und auf dem Monitor dargestellt. Durch die folgende Bewegung des Chucks mit dem Wafer werden die Bilder zur Deckung gebracht und somit der Wafer bzw. die Struk‐
turen auf dem Wafer zur Maske ausgerichtet. Abschließend erfolg die Belichtung des Wafers. Bild 12: BSA‐Maskaligner /Völ00/ 2.5
Resiste Resiste sind Mehrkomponentensysteme, die eine Vielzahl von Anforderungen erfüllen müssen /Völ00/: - Kombatibilität mit verschiedenen Substraten (z.B. Si, SiO2, Silizide, Metalle) - hohe Empfindlichkeit gegenüber der differenzierenden Strahlung - hohes Auflösungsvermögen - gutes Haftvermögen zum Substrat - hohe thermische Stabilität - hohe Beständigkeit gegenüber Ätzlösungen - angepasste Viskosität für eine Gleichmäßigkeit des Auftrags - ausreichende Lagerfähigkeit - leichte Entfernbarkeit - Partikelfreiheit - Unempfindlichkeit gegenüber Rot‐ bzw. Gelblicht Prinzipiell sind Resiste aus den Komponenten:  schichtbildendes Polymer (Feststoff): bestimmt die Wärmebeständigkeit und Löslichkeitsei‐
genschaften  photoempfindliche Komponente: reagiert auf die Strahlung und löst die photochemische Re‐
aktion aus  Lösungsmittel, bestimmt die Viskosität (z.B. Zyklopentan, Zyklohexan, 3‐Methoxybutylazetat) Man unterscheidet Positiv‐ und Negativresiste. Positivresiste beinhalten zumeist Diazonaphtalinon als lichtempfindlichen Bestandteil und Novolak als Trägermaterial. Daher werden sie auch als DNQ‐Resist (für engl. Diazonaphtaquinone) bezeichnet. Negativresiste sind zumeist aus cyclisiertem Polyisopren und einer photoaktiven Diazid‐Verbindung /Ehr02/. Die chemischen Vorgänge im Resistes bei Be‐
strahlung werden im Folgenden näher erläutert. Prinzipiell sind die Photolacke in ihrer Strahlungs‐
empfindlichkeit auf die entsprechende Wellenlänge der verwendeten Strahlung abgestimmt. Somit wäre eine weitere Einteilungsmöglichkeit die Ordnung nach der verwendeten Strahlungsarten wie Foto‐, Röntgen‐, Elektronen‐, Ionenstrahlresiste. Für den Fall der UV‐Lithographie sind in Bild 13 unterschiedliche spektrale Empfindlichkeiten von Re‐
sisten dargestellt. Laser
Hg-Lampe
Bild 13: Relative spektrale Empfindlichkeit handelsüblicher Photolacke 1 AZ 2400, 2 HPR 204, 3 AZ 1350 und AZ 1450 (‐‐‐ Augenempfindlichkeit) /Mün93/ Die photochemischen Reaktionen, die zu einer strahlungsinduzierten Änderung der Löslichkeit des Resist führen, sind: - Kettenbildung (Photopolymerisation) - Polaritätsänderung funktioneller Gruppen - oder aufbrechen von Polymeren (Depolymerisation) Positivresiste Prinzipiell geschieht die Strukturbildung im Positivresist durch das Herauslösen der belichteten Berei‐
che aus der Resistschicht und der Stabilisierung und Verfestigung der unbelichteten Strukturabbil‐
dungen. Dementsprechend ist im Positivresist die photoaktive Komponente ein Löslichkeitshemmer (inhibitor), der die Lösung des Novolak im alkalischen Entwickler behindert. Als Inhibitor wird 2‐
Diazo‐1‐naphthaquinone (DNQ) verwendet, welches durch Photolyse in einen Löslichkeitsbeschleuni‐
ger für die alkalische Entwicklung des Novolaks umgewandelt wird. Die chemische Reaktion ist in Bild 14 gezeigt. Bild 14: Photochemische Reaktion in DNQ/Novolak‐Photoresist /Völ00/,/Men01/ Durch Einwirkung der UV‐Strahlung wird im DNQ das Stickstoffmolekül abgespalten und Elektronen‐
mangelverbindung, ein Carben gebildet. Dieses Carben stabilisiert sich durch eine anionische Wande‐
rung (genannt Wolffumlagerung) eines Restes an das C‐Atom mit dem Elektronensextett unter gleichzeitiger Ausbildung einer C=C Doppelbindung. Es entsteht so ein sehr reaktives Teilchen, ein Keten /Int01/, /Bül00/ welches durch eine Reaktion mit Wasser der Entwicklerlösung in 3‐
Indencarbonsäure umgewandelt wird. Diese wirkt dann als Löslichkeitsbeschleuniger, da sie in alkali‐
schen Entwicklern neutralisiert und somit selbst löslich wird. Die hydrophobe Eigenschaft des unbe‐
lichteten Resists verhindert ein Quellen und begünstigt somit die genaue Strukturabbildung. Negativresist Das Prinzip des Negativresistes besteht im Herauslösen der unbelichteten Bereiche der Resistschicht beim Entwickeln, da die belichteten Gebiete infolge der Bestrahlung durch vernetzen unlöslich wer‐
den. Somit enthalten Negativresiste partiell cyclisiertes Polyisopren als vernetzbare Komponente und einen lichtempfindlichen Vernetzter, eine Diazid‐Verbindung (Bild 15) als photoaktiven Bestandteil /Völ00/. Durch die Bestrahlung wird von den Azidgruppen Stickstoff abgespalten, wobei die sehr re‐
aktiven Nitrene ( ) entstehen, a). Diese reagieren entweder mit sich selber b) oder vernetzen mit dem partiell cyclisiertem Polyisopren d) welches ein idealer Reaktionspartner sowie der Resistbe‐
standteil welcher für die Haftung auf dem Substrat und die chemische Resistenz zuständig ist. In Re‐
aktion c) konkurriert der Luftsauerstoff mit den Vernetzungsreaktionen, es kommt zur Bildung von stark absorbierenden Nitrose‐Verbindungen, die die Abbildungsqualität zerstören. Derartige Resiste werden deshalb häufig unter Stickstoff‐Atmosphäre belichtet /Völ00/. Bild 15: a) Diazidstruktur, b)‐d) Vernetzungsreaktionsschemata für Negativresist /Völ00/ Image Reversal Resist Eine weitere Form von Resist ist der so genannte Image Reversal Resist. Prinzipiell handelt es sich um einen Positivresist der allerdings bei besonderer Prozessführung der Belichtung auch als Negativresist verwendet werden kann, was gerade in Forschungseinrichtungen eine gewisse Flexibilität ermöglicht /Ges04/. Unterschieden werden der indirekte (basisch) und der direkte (sauer‐katalytische) Image Reversal Prozess /Völ00/. Betrachtet man den direkten Prozess, Bild Bild 16, so entsteht ein Positiv‐Bild der Maskenstruktur, wenn unmittelbar nach der NUV‐Belichtung der Resist entwickelt wird (analog dem Standartprozess). Die Anwendung als Negativresist im direkten Prozess geschieht, indem vor der Belichtung ein Image Reversal Bake durchgeführt wird. Dadurch erfolgt in einem DNQ/Novolak‐Resist, dem ein säureakti‐
vierbarer Polymerisator (HMMM) beigemischt wurde, eine dreidimensionale Vernetzung der belich‐
teten Bereiche. Durch eine anschließende NUV‐Flutbelichtung des gesamten Wafers (etwa 1000‐
2000mJ/cm²) wird in den zuvor unbelichteten Bereichen Indenkarbonsäure gebildet, welche somit löslich werden. Beim indirekten Prozess wird der Resist nach der Belichtung einer Diffusion von Amin‐Dampf oder von Amoniak‐Lösung ausgesetzt, um einen basischen Katalysator bereitzustellen. Im nachfolgenden Image Reversal Bake führt der basische Katalysator zur Zersetzung der gebildeten Indenkarbonsäure zu Indenderivaten, die als sehr wirksame Löslichkeitshemmer fungieren /Völ00/. Analog dem direkten Prozess schließt sich die Flutbelichtung des gesamten Wafers an die zur Löslich‐
keit der vorher unbelichteten Bereiche führt (Negativbild). Da in beiden Fällen (direkt, indirekt) die zweite Belichtung mit sehr hoher Belichtungsdosis geschieht wird ein hoher Kontrast im Resist erzielt. Weiterhin kann durch die Prozessführung (z.B. Variation der Belichtungszeit der ersten Belichtung) der Flankenwinkel der Resistprofile eingestellt werden. Somit können senkrechte sowie auch unterschnittene Flanken erzeugt werden. Letztere sind bei der Lift‐Off Technik besonders vorteilhaft, da die abgeschiedenen Schichten an den unterschnittenen Flanken abreißen und das Ablösen der Schichten problemlos gelingt, Bild Bild 16. Bild 16: Direkter Image Reversal Prozess und Lift‐Off‐Technologie /Völ00/ 3 Versuchsvorbereitung Kurze schriftliche Beantwortung folgender Fragen: 1. Erklären Sie das Prinzip der Lithographie. 2. Nennen Sie die Belichtungsverfahren der Lithographie und geben Sie Vor‐ und Nachteile an. 3. Welche Faktoren beeinflussen die minimale Strukturbreite bei der Photolithographie? 4. Erklären Sie den Ablauf des photolithographischen Prozesses. 5. Nennen Sie Art und Wirkungsweise verschiedener Belichtungsapparaturen. 6. Erklären Sie die Wirkungsweise von Positiv‐, Negativ und Image Reversal Resist. 4 Literatur /Bül00/ /Ehr02/ /Ges04/ /Hül92/ /Int01/ /Mad02/ /Men01/ /Men93/ /Men97/ /Mün93/ /Rug91/ /Völ00/ Bülle, Jan; Hüttermann, Aloys: Das Basiswissen der organischen Chemie: Die wichtigsten organi‐
schen Reaktionen im Labor und in der Natur. 1. Auflage. Stuttgart: Thieme Verlag, 2000. (59 NAT VK 5010 B928) Ehrfeld, Wolfgang: Handbuch Mikrotechnik. 1. Auflage. München: Carl Hanser Verlag, 2002. (79 ELT ZN 3700 E33) Geschke, Oliver; Klank, Henning; Telleman Pieter: Microsystem Engineering of Lab‐on‐a‐chip De‐
vice. 1. Auflage. Weinheim: WILEY‐VCH Verlag, 2004. (69 ELT ZN 3750 G389) Hülsenberg, Dagmar: Glas in der Mikrotechnik. 1. Auflage. Berlin: Akademie Verlag, 1992. (69 ELT ZN 4980 H887) www.bdsoft.de Madou, Marc: Fundamentals of microfabrication : the science of miniaturization. 2. Auflage. Boca Raton: CRC Press Verlag, 2002. (69 ELT ZN 4136 M183(2)) Menz, Wolfgang; Mohr, Jürgen; Paul, Oliver: Microsystem Technology. 1. Auflage. Weinheim: WILEY‐VCH Verlag, 2001. (69 ELT ZN 3750 M551 M6) Menz, Wolfgang; Bley, Peter: Mikrosystemtechnik für Ingenieure. 1. Auflage. Weinheim: VCH Ver‐
lag, 1993. (79 ELT ZN 3750 M551) Menz, Wolfgang; Mohr, Jürgen: Mikrosystemtechnik für Ingenieure. 2. Auflage. Weinheim: VCH Verlag, 1997. (79 ELT ZN 3750 M551) Münch, Waldemar von: Einführung in die Halbleitertechnologie. 1. Auflage. Stuttgart: Teubner Verlag, 1993. (79 ELT ZN 4100 M948) Ruge, Ingolf; Mader, Hermann: Halbleiter ‐ Technologie. 3. Auflage. Berlin: Springer Verlag, 1991. (79 ELT ZN 4100 R928) Völklein, Friedemann; Zetterer, Thomas: Einführung in die Mikrosystemtechnik. 1. Auflage. Braun‐
schweig/Wiesbaden: Vieweg Verlag, 2000. (79 ELT ZN 3700 V873) Buddrus, Joachim: Grundlagen der organischen Chemie. 3. Auflage. Berlin: de Gruyter Verlag, 2003. (77 CHE VK 5010 B927(3)) Becker, Heinz Georg Osmar; Beckert, Rainer: Organikum : organisch‐chemisches Grundpraktikum. 22. Auflage. Weinheim: WILEY‐VCH Verlag, 2004. (77 CHE VK 5100 B395(22))