Izbira fotorezista

Fotorezist je zmes kemikalij, pri čemer je vsaj ena izmed kemikalij občutljiva na UV svetlobo. Glede na to, kateri del fotorezista ostane na površini po razvijanju substrata, osvetljeni ali neosvetljeni, ločimo dve vrsti fotorezistov. Pri negativnem fotorezistu po osvetljevanju na substratu ostane osvetljeni del fotorezista, pri pozitivnem fotorezistu pa na substratu ostane neosvetljeni del fotorezista.

Pri izdelavi elektrod smo uporabili pozitivni fotorezist. Zaradi lastnosti laserskega osvetljevalnika, ki površino osvetljuje z valovno dolžino 375 nm, smo se sprva odločili za uporabo fotorezista družine AZ 1500, natančneje za fotorezist AZ 1505. Gre za družino pozitivnih fotorezistov, ki se odzivajo na celotni UV spekter (310-440 nm valovne dolžine) in pokrivajo vse zahteve za splošno proizvodnjo polprevodnikov in drugih aplikacij z ločljivostjo do 1 μm. Zaradi težav pri nadaljnjem koraku dvigovanja (ang. lift off), v katerem pride do odstranitve kovinskega sloja, se je izbrani fotorezist izkazal za napačno izbiro.

V nadaljevanju smo se zato odločili za uporabo fotorezista serije AZ ECI 3000, ki je prav tako občutljiv na UV spekter med 320 nm in 440 nm in velja za najsodobnejšo serijo pozitivnih fotorezistov. Serijo ECI 3000 odlikujejo zelo visoka ločljivost, dobra adhezija na običajne substrate, strme stranske stene fotorezista in široko območje procesnih parametrov.

Uporabili smo tip fotorezista AZ ECI 3012, katerega lastnosti so visoka ločljivost, dober oprijem pri postopku odstranjevanja ter dobra toplotna stabilnost [44].

Karakteristična debelina filma fotorezista AZ ECI 3012, kot funkcija hitrosti vrtenja podana s strani proizvajalca, je prikazana na sliki 4.4.

Eksperimentalno delo

Slika 4.4: Debelina filma AZ ECI 3012 v odvisnosti od kotne hitrosti (povzeto po [44])

Pri izbiri ustrezne debeline fotorezista smo vzeli v obzir kasnejša dva postopka pri izdelavi elektrod (to sta postopek napraševanja in postopek dvigovanja zlatega sloja). Po pravilu palca mora biti sloj fotorezista vsaj 10-krat debelejši od kovinskega sloja, ki ga želimo odstraniti. Zaradi procesnih parametrov postopka napraševanja na Institutu Jožefa Štefana (IJS), smo se odločili za debelino fotorezista 1,31 μm. Fotorezist smo torej na substrat nanesli s pomočjo spin coaterja pri kotni hitrosti 3000 RPM. Nanosu fotorezista na površino sledi postopek mehkega pečenja (ang. softbake (SB)). Tekoči fotorezisti imajo po nanosu na površino še vedno previsoko vsebnost topil za nadaljnjo obdelavo in jih je zato potrebno posušiti s toplotno obdelavo. Namen mehkega pečenja je zmanjšati preostalo koncentracijo topila, s čimer med osvetljevanjem preprečimo izločanje dušika (kot stranskega produkta), zmanjšamo nastanek temne erozije med razvijanjem, omogočimo večslojni nanos fotorezista ter izboljšamo stabilnost strukture [44]. Vzorec smo pekli na grelni plošči 90 sekund in pri temperaturi 90 °C. Pri tem velja omeniti, da se celoten postopek priprave vzorca, ki vključuje uporabo fotorezista, izvaja pri t. i. rumeni svetlobi. Do reakcije fotorezista na UV svetlobo pride v spektru valovne dolžine 320 – 450 nm, zato lahko poleg sončne svetlobe tudi bela umetna svetloba (npr. fluorescentne cevkaste luči) nenamenoma osvetli fotorezist.

Ko se vzorec ohladi na sobno temperaturo je pripravljen na korak osvetljevanja. S pomočjo direktnega laserskega osvetljevanja (LDI) smo izdelali vzorec na sloj pozitivnega fotorezista. Direktno lasersko osvetljevanje uporablja različne mehanizme za usmerjanje enega ali več laserskih žarkov na podlago. Največja slabost LDI je počasen pretok podatkov, saj je prenašanje na kompleksni maski z enim laserjem dolgotrajno. Veliko prednosti pa ponuja pri postopku mikrostrukturiranja [42]. V magistrskem delu smo za izdelavo fotolitografije uporabili laser proizvajalca miDALIX, tip DaLI, katerega tehnične specifikacije so prikazane v preglednici 4.1.

0

2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

Debelina sloja d [μm]

Kotna hitrost ω[RPM]

Eksperimentalno delo

Preglednica 4.1: Tehnične specifikacije laserskega osvetljevalca MiDALIX [44]

Vrsta laserja diodni laser

Moč laserja 20 mW

Maksimalen naklon vzorca ± 27 mrad Valovna dolžina osvetljevanja 375 nm

Širina laserja 1 μm (ang. fine tool) / 3 μm (ang. coarse tool) Hitrost osvetljevanja < 100 000 točk/s Frekvenca pulziranja laserja konstantno

Pri nastavitvi parametrov laserja smo določili velikost snopa žarka 3 μm, izpostavljenost vzorca UV svetlobi pa 100 mJ/cm². Slika 4.5 prikazuje razporeditev elektrod v delovni mreži laserskega osvetljevalnika, pri uporabi grobega tipa laserja (ang. coarse tool). Vsako polje delovne mreže predstavlja posamezen korak osvetljevanja. Dozo izpostavljenosti smo določili na podlagi nadaljnjih postopkov, kot sta postopek razvijanja ter postopek dvigovanja.

Slika 4.5: Delovna mreža laserskega osvetljevalnika

Po končanem postopku osvetljevanja sledi druga toplotna obdelava vzorca imenovana pečenje po osvetlitvi (ang. post exposure bake (PEB)). Vzorec smo pekli na grelni plošči 90 sekund in pri temperaturi 110 °C. Medtem, ko je pri običajnih pozitivnih fotorezistih fotoreakcija z osvetlitvijo zaključena, pa kemično ojačani fotorezisti potrebujejo nadaljnji korak toplotne obdelave. PEB zaključi fotoreakcijo sproženo med osvetlitvijo. Brez PEB se fotorezist ne bi razvil oz. bi bilo razvijanje zelo počasno [44].

V skladu s priporočili proizvajalca fotorezista smo pri koraku razvijanja fotorezista uporabili razvijalec AZ 351B MIC. Gre za razvijalec, ki vsebuje kovinske ione in je zato idealen pri uporabi kovin. Gre za vodno, anorgansko alkalno raztopino brez vonja, ki je združljiva s postopki šaržnega in linijskega razvijanja. AZ 315B MIC je osnovan na puferskem NaOH in se običajno uporablja v razredčitvi z destilirano vodo v razmerju 1:3-4. Mi smo se poslužili

Eksperimentalno delo

Postopek razvijanja ima velik vpliv na kvaliteto izdelanega vzorca. Slike v nadaljevanju prikazujejo posnetke substrata po koraku razvijanja. Pri tem slika 4.8 prikazuje preveč razvit vzorec (substrat je bil predolgo potopljen v zmesi razvijalca in destilirane vode). V tem primeru vidimo, da se je zaradi predolge izpostavljenosti v razvijalcu, vzorec stika med elektrodami izbrisal. Slika 4.9 prikazuje idealno razvit fotorezist na substratu. Vzorec zig-zag je jasno viden, brez nepravilnosti na robovih. Slika 4.10 prikazuje premalo razvit fotorezist (vzorec ni bil dovolj dolgo potopljen v zmesi razvijalca in destilirane vode). V tem primeru na substratu vidimo ostanke delovne površine laserskega osvetljevalca.

Celotno sosledje postopka fotolitografije z vsemi pripadajočimi parametri je povzeto na sliki 4.6.

Slika 4.6: Sosledje postopka fotolitografije

Po razvijanju je na vzorcu moč s prostim očesom videti izrisane elektrode, kot je prikazano na sliki 4.7.

Eksperimentalno delo

Slika 4.8: Preveč razvit fotorezist

Slika 4.9: Idealno razvit fotorezist

Slika 4.10: Premalo razvit fotorezist

Eksperimentalno delo