Photorésist - Photoresist
Un photorésist (également connu simplement sous le nom de réserve ) est un matériau sensible à la lumière utilisé dans plusieurs processus, tels que la photolithographie et la photogravure , pour former un revêtement à motifs sur une surface. Ce processus est crucial dans l' industrie électronique .
Le processus commence par enduire un substrat d'un matériau organique sensible à la lumière. Un masque à motifs est ensuite appliqué sur la surface pour bloquer la lumière, de sorte que seules les régions non masquées du matériau seront exposées à la lumière. Un solvant, appelé révélateur, est ensuite appliqué sur la surface. Dans le cas d'un photorésist positif, le matériau photosensible est dégradé par la lumière et le révélateur dissoudra les régions qui ont été exposées à la lumière, laissant derrière lui un revêtement où le masque a été placé. Dans le cas d'un photorésist négatif, le matériau photosensible est renforcé (soit polymérisé soit réticulé) par la lumière, et le révélateur ne dissoudra que les régions qui n'ont pas été exposées à la lumière, laissant un revêtement dans les zones où le masque était pas placé.
Un revêtement BARC (revêtement antireflet inférieur) peut être appliqué avant l'application de la résine photosensible, pour éviter que des réflexions ne se produisent sous la résine photosensible et pour améliorer les performances de la résine photosensible au niveau des nœuds semi-conducteurs plus petits.
Définitions
Photorésist positif
Un photorésist positif est un type de photorésist dans lequel la partie du photorésist qui est exposée à la lumière devient soluble dans le révélateur de photorésist. La partie non exposée de la résine photosensible reste insoluble pour le révélateur de la résine photosensible.
Photorésist négatif
Un photorésist négatif est un type de photorésist dans lequel la partie du photorésist qui est exposée à la lumière devient insoluble pour le révélateur de photorésist. La partie non exposée de la résine photosensible est dissoute par le révélateur de la résine photosensible.
Différences entre résistance positive et négative
Le tableau suivant est basé sur des généralisations généralement acceptées dans l' industrie de la fabrication de systèmes microélectromécaniques (MEMS) .
| Caractéristique | Positif | Négatif |
| Adhésion au silicium | Équitable | Excellent |
| Coût relatif | Plus cher | Moins cher |
| Base de développeurs | Aqueux | Biologique |
| Solubilité dans le développeur | La région exposée est soluble | La région exposée est insoluble |
| Fonctionnalité minimale | 0,5 µm | 2 µm |
| Couverture de pas | Mieux | Plus bas |
| Résistance chimique humide | Équitable | Excellent |
Les types
Sur la base de la structure chimique des photoresists, ils peuvent être classés en trois types: photopolymères, photodécomposants, photoréticulants.
Le photorésist photopolymère est un type de photorésist, généralement un monomère allylique, qui pourrait générer des radicaux libres lorsqu'il est exposé à la lumière, puis initie la photopolymérisation du monomère pour produire un polymère. Les photorésists photopolymères sont généralement utilisés pour les photorésist négatifs, par exemple le méthacrylate de méthyle.
Le photorésist photodécomposant est un type de photorésist qui génère des produits hydrophiles sous la lumière. Les photorésists photodécomposants sont généralement utilisés pour les photoresists positifs. Un exemple typique est l'azide quinone, par exemple la diazonaphthaquinone (DQ).
Le photorésist photoréticulant est un type de photorésist, qui pourrait réticuler chaîne par chaîne lorsqu'il est exposé à la lumière, pour générer un réseau insoluble. Le photorésist photoréticulant est généralement utilisé pour le photorésist négatif.
Polymères de thiol-ène hors stoechiométrie (OSTE)
Pour le photorésist SAM monocouche auto-assemblé , un SAM est d'abord formé sur le substrat par auto-assemblage . Ensuite, cette surface recouverte par SAM est irradiée à travers un masque, similaire à un autre photorésist, qui génère un échantillon photo-modelé dans les zones irradiées. Et enfin, le développeur est utilisé pour retirer la partie conçue (peut être utilisé à la fois comme photorésist positif ou négatif).
Sources lumineuses
Absorption aux UV et aux longueurs d'onde plus courtes
En lithographie, la diminution de la longueur d'onde de la source lumineuse est le moyen le plus efficace d'obtenir une résolution plus élevée. Les photorésists sont le plus couramment utilisés à des longueurs d'onde dans le spectre ultraviolet ou plus courtes (<400 nm). Par exemple, la diazonaphtoquinone (DNQ) absorbe fortement d'environ 300 nm à 450 nm. Les bandes d'absorption peuvent être attribuées aux transitions n-π * (S0 – S1) et π-π * (S1 – S2) dans la molécule DNQ. Dans le spectre ultraviolet profond (DUV), la transition électronique π-π * dans les chromophores à double liaison benzène ou carbone apparaît à environ 200 nm. En raison de l'apparition de transitions d'absorption plus possibles impliquant des différences d'énergie plus importantes, l'absorption a tendance à augmenter avec une longueur d'onde plus courte ou une énergie photonique plus grande . Les photons dont les énergies dépassent le potentiel d'ionisation du photorésist (peuvent être aussi bas que 5 eV dans les solutions condensées) peuvent également libérer des électrons qui sont capables d'une exposition supplémentaire du photorésist. D'environ 5 eV à environ 20 eV, la photoionisation des électrons externes de la « bande de valence » est le principal mécanisme d'absorption. Au-dessus de 20 eV, l'ionisation électronique interne et les transitions Auger deviennent plus importantes. L'absorption des photons commence à diminuer à mesure que la région des rayons X est approchée, car moins de transitions Auger entre les niveaux atomiques profonds sont autorisées pour l'énergie photonique plus élevée. L'énergie absorbée peut entraîner d'autres réactions et se dissipe finalement sous forme de chaleur. Ceci est associé au dégazage et à la contamination du photorésist.
Exposition aux faisceaux d'électrons
Les photorésists peuvent également être exposés par des faisceaux d'électrons, produisant les mêmes résultats que l'exposition à la lumière. La principale différence est que tandis que les photons sont absorbés, déposant toute leur énergie à la fois, les électrons déposent leur énergie progressivement et se dispersent dans la résine photosensible pendant ce processus. Comme pour les longueurs d'onde à haute énergie, de nombreuses transitions sont excitées par des faisceaux d'électrons, et le chauffage et le dégazage sont toujours un problème. L'énergie de dissociation pour une liaison CC est de 3,6 eV. Les électrons secondaires générés par le rayonnement ionisant primaire ont des énergies suffisantes pour dissocier cette liaison, provoquant une scission. De plus, les électrons de faible énergie ont un temps d'interaction de la résine photosensible plus long en raison de leur vitesse plus faible; essentiellement l'électron doit être au repos par rapport à la molécule afin de réagir le plus fortement via l'attachement dissociatif d'électrons, où l'électron vient se reposer sur la molécule, déposant toute son énergie cinétique. La scission qui en résulte divise le polymère d'origine en segments de poids moléculaire inférieur, qui sont plus facilement dissous dans un solvant, ou libère d'autres espèces chimiques (acides) qui catalysent d'autres réactions de scission (voir la discussion sur les résines chimiquement amplifiées ci-dessous). Il n'est pas courant de sélectionner des photorésists pour l'exposition à un faisceau d'électrons. La lithographie par faisceau d'électrons repose généralement sur des résistances dédiées spécifiquement à l'exposition au faisceau d'électrons.
Paramètres
Les propriétés physiques, chimiques et optiques des photorésists influencent leur sélection pour différents processus.
- La résolution est la capacité de différer les caractéristiques voisines sur le substrat. La dimension critique (CD) est une mesure principale de la résolution.
Plus la dimension critique est petite, plus la résolution est élevée.
- Le contraste est la différence entre la partie exposée et la partie non exposée. Plus le contraste est élevé, plus la différence entre les parties exposées et non exposées est évidente.
- La sensibilité est l'énergie minimale requise pour générer une caractéristique bien définie dans la résine photosensible sur le substrat, mesurée en mJ / cm 2 . La sensibilité d'un photorésist est importante lors de l'utilisation des ultraviolets profonds (DUV) ou des ultraviolets extrêmes (EUV).
- La viscosité est une mesure du frottement interne d'un fluide, affectant la facilité avec laquelle il s'écoulera. Lorsqu'il est nécessaire de produire une couche plus épaisse, un photorésist avec une viscosité plus élevée sera préféré.
- L'adhérence est la force adhésive entre la résine photosensible et le substrat. Si la résine se détache du substrat, certaines caractéristiques seront manquantes ou endommagées.
- L'anti-gravure est la capacité d'une résine photosensible à résister à la température élevée, à un environnement de pH différent ou au bombardement ionique en cours de post-modification.
- La tension superficielle est la tension induite par un liquide qui a tendance à minimiser sa surface, qui est causée par l'attraction des particules dans la couche superficielle. Afin de mieux mouiller la surface du substrat, les photorésists doivent posséder une tension superficielle relativement faible.
Photorésist positif
DNQ- novolaque résine photosensible
Un photorésist positif très commun utilisé avec les lignes I, G et H d'une lampe à vapeur de mercure est basé sur un mélange de diazonaphtoquinone (DNQ) et de résine novolaque (une résine phénol-formaldéhyde). Le DNQ inhibe la dissolution de la résine novolaque, mais lors de l'exposition à la lumière, la vitesse de dissolution augmente même au-delà de celle du novolaque pur. Le mécanisme par lequel le DNQ non exposé inhibe la dissolution de la novolaque n'est pas bien compris, mais on pense qu'il est lié à la liaison hydrogène (ou plus exactement au diazocouplage dans la région non exposée). Les résines DNQ-novolaque sont développées par dissolution dans une solution basique (généralement 0,26 N d'hydroxyde de tétraméthylammonium (TMAH) dans l'eau).
Photorésist négatif
Polymère à base d'époxy
Un photorésist négatif très courant est basé sur un polymère à base d'époxy. Le nom commun du produit est le photorésist SU-8 , et il a été initialement inventé par IBM , mais est maintenant vendu par Microchem et Gersteltec . Une propriété unique du SU-8 est qu'il est très difficile à décaper. En tant que tel, il est souvent utilisé dans les applications où un motif de réserve permanent (qui n'est pas pelable et peut même être utilisé dans des environnements à température et pression difficiles) est nécessaire pour un appareil. Le mécanisme du polymère à base d'époxy est présenté en 1.2.3 SU-8.
Polymère de thiol-ènes hors stoechiométrie (OSTE)
En 2016, il a été démontré que les polymères OSTE possédaient un mécanisme de photolitographie unique, basé sur la déplétion des monomères induite par la diffusion, qui permet une haute précision de photostructuration. Le matériau polymère OSTE a été inventé à l'origine au KTH Royal Institute of Technology , mais est maintenant vendu par Mercene Labs . Alors que le matériau a des propriétés similaires à celles du SU8, OSTE a l'avantage spécifique de contenir des molécules de surface réactives, ce qui rend ce matériau attractif pour des applications microfluidiques ou biomédicales.
Applications
Impression par microcontact
L'impression par microcontact a été décrite par Whitesides Group en 1993. Généralement, dans ces techniques, un tampon élastomère est utilisé pour générer des motifs bidimensionnels, en imprimant les molécules «d'encre» sur la surface d'un substrat solide.
Étape 1 pour l'impression par microcontact. Un schéma pour la création d'un tampon maître en polydiméthylsiloxane ( PDMS ). Étape 2 pour l'impression par microcontact Schéma du processus d'encrage et de contact de la lithographie par micro - impression .
Cartes de circuits imprimés
La fabrication de cartes de circuits imprimés est l'une des utilisations les plus importantes de la résine photosensible. La photolithographie permet de reproduire rapidement, économiquement et précisément le câblage complexe d'un système électronique comme s'il était coulé sur une presse à imprimer. Le processus général consiste à appliquer un photorésist, à exposer l'image aux rayons ultraviolets, puis à graver pour éliminer le substrat revêtu de cuivre.
Modélisation et gravure de substrats
Cela comprend les matériaux photoniques spécialisés, les systèmes microélectromécaniques ( MEMS ), les cartes de circuits imprimés en verre et d'autres tâches de micro-motifs . Le photorésist a tendance à ne pas être attaqué par des solutions avec un pH supérieur à 3.
Microélectronique
Cette application, principalement appliquée aux plaquettes de silicium / circuits intégrés en silicium , est la plus développée des technologies et la plus spécialisée dans le domaine.
