Izbira substrata

Pri določanju optimalnih parametrov izdelave elektrod smo za substrat prvotno uporabili objektivno steklo, ki se običajno uporablja za držanje vzorcev pri mikroskopski analizi. Gre za tanek in raven kos stekla, dimenzij 76 x 26 mm in debeline približno 1 mm. Vendar pa smo ugotovili, da pri uporabi stekla prihaja do precejšnjih težav z adhezijo v koraku

Eksperimentalno delo

razvijanja fotorezista. Pri potopu substrata v razvijalec je bila namreč napaka vidna zelo hitro, saj so se na površini substrata že po nekaj sekundah začele formirati luske fotorezista, ki so odstopale od steklene podlage. Pojav je prikazan na sliki 4.1. Adhezija pri uporabi fotorezista je odvisna od različnih dejavnikov. Pomembna faktorja med osvetljevanjem sta elastičnost filma fotorezista in ujemanje notranjih napetosti med substratom in fotorezistom.

Ko je fotorezist izpostavljen ultravijolični (UV) svetlobi, fotoaktivna komponenta v fotorezistu generira dušik. Če je nastala količina plina večja od sproščene količine plina, potem na površini nastanejo luske. Po osvetlitvi fotorezista, odvečni dušik potisne sloj fotorezista stran od površine substrata. Taka formacija lusk je posledica treh dejavnikov:

nizke adhezijske energije fotorezista, deformacijske energije fotorezista ter prenosa obsevalne energije UV svetlobe na fotorezistni film [48]. Težave z adhezijo pri uporabi steklene površine pripisujemo predvsem prenosu UV svetlobe znotraj stekla. Po menjavi steklene podlage z silicijevim substratom, katerega lastnosti so opisane v nadaljevanju, se težava z adhezijo ni več pojavljala.

Slika 4.1: Težave z adhezijo pri uporabi steklene površine

V nadaljevanju smo torej pri eksperimentalnem delu uporabili silicijev substrat. Silicij je že desetletja vodilni polprevodnik na področju mikroelektronike. Glavna prednost silicija v primerjavi z ostalimi prevodnimi materiali, kot sta npr. germanij ali galijev arzenid, je možnost izdelave kemično stabilnega električnega izolatorja, z visoko električno prebojno trdnostjo, s pomočjo toplotne oksidacije v SiO2. Postopek izdelave silicijevega substrata se prične z odstranjevanjem nečistoč iz surovega silicija, saj je le teh preveč za uporabo v mikroelektroniki. Silicijev substrat za mikroelektronska vezja mora biti monokristalne strukture, katero pa proizvajamo iz polikristalne strukture z uporabo metode Czochralskega ali conske rafinacije (ang. float zone). S pomočjo omenjenih tehnik se formira ingote, iz katerih so nato izrezane oblike manjših valjev ter kasneje rezine, ki so prikazane na sliki 4.2.

Premeri rezin silicijevega substrata so običajno podani v inčih, debeline rezin pa variirajo glede na premer in znašajo med 280 μm (za premer 2 inča) in 675 μm (za premer 8 inčev) [41].

Eksperimentalno delo

Slika 4.2: Različne silicijeve rezine [41]

Odločili smo se za uporabo silicijevega substrata premera 4 inčev proizvajalca MicroChemicals. Gre za rezino debeline 525 ± 25 μm, tipa p in orientacije <100> (orientacija glavne osi kristala). Upornost substrata je 1 – 10 Ωcm. Rezina je spolirana samo na eni strani.

Fotorezist in vse nadaljnje sloje smo nanašali na spolirano stran. Osnovo rezine predstavlja silicij, na katerem je film SiO2 debeline 2000 nm. V nasprotju z osnovnim silicijem je sloj SiO2 amorfne strukture. SiO2 se razvije iz osnovnega silicija naravno, s pomočjo termične obdelave ali s pomočjo plazme (ang. plasma enhanced chemical vapour deposition). Ločimo med suho oksidacijo (Si + O2 → SiO2) in mokro oksidacijo (Si + 2H2O → SiO2 + 2H2), pri kateri kot procesni plin uporabimo vodno paro. Pri enakih procesnih parametrih pride pri mokri oksidaciji do večje poroznosti v oksidiranem sloju predvsem zaradi hitrejše rasti.

Kemične reakcije, ki se vršijo na površini pri samem začetku rasti sloja SiO2, omejujejo debelino filma. Na začetku oksidacije debelina filma linearno narašča s časom. Z naraščanjem debeline sloja SiO2 pa vse bolj prevladujoča difuzija kisika omejuje hitrost rasti SiO2. Debelina SiO2 se v tem primeru povečuje s kvadratnim korenom časa rasti. Stopnja rasti SiO2 je odvisna od sestave procesnega plina (O2 / H2O), parcialnega tlaka procesnega plina, temperature podlage in orientacije kristala substrata Si [41]. V primeru izbranega substrata je na osnovnem Si rast SiO2 potekala kombinirano v sosledju suha / mokra / suha oksidacija [45].

4.1.1.1. Čiščenje substrata

Pri substratih onesnaženih z organskimi nečistočami se priporoča dvostopenjsko kaskadno čiščenje, ki je prikazano na sliki 4.3. V prvem koraku smo substrat očistili z acetonom, s čimer se odstranijo vse organske nečistoče. V drugem koraku smo substrat očistili z izopropanolom, ki s površine odstrani onesnažen aceton [44]. Površino substrata smo najprej očistili z acetonom v ultrazvočni kopeli SONIS 4 GT proizvajalca Iskra PIO d. o. o. Enako smo ponovili še z uporabo izopropanola. Ultrazvočna kopel služi za čiščenje površin in pri svojem delovanju izkorišča ultrazvočno valovanje (običajno med 20 in 40 kHz). Ultrazvočni

Eksperimentalno delo

valovi v čistilni tekočini ustvarijo kavitacijo, pri čimer zračni mehurčki komprimirajo do te mere, da implodirajo in pri tem oddajo veliko količino energije. Ta energija se sprošča v umazanijo na površini, kar povzroči odstranitev nečistoč brez poškodb na površini materiala.

Rezultat je čista površina z izgledom mikrokrtačenja, saj mehurčki (ki so običajno manjši od 1 μm) prodrejo v vsako razpoko.

Slika 4.3: Dvostopenjsko kaskadno čiščenje substrata

Substrat po kaskadnem čiščenju osušimo s komprimiranim dušikom. Naknadno izpiranje površine z destilirano vodo ni zaželeno, saj lahko s tem izničimo učinek čiščenja izopropanola. Za čiste površine se priporoča nekajminutno peko na grelni plošči pri temperaturi približno 120 °C. S tem dosežemo desorpcijo molekul vode, ki se običajno absorbirajo na površinah, ki so izpostavljene zračni vlagi. Ta korak je moč preskočiti v primeru čiščenja z izopropanolom. Kljub temu smo se, z namenom optimizacije oprijema na oksidirani površini, odločili za nekajminutno peko pri 140 °C. Pri peki nad temperaturo 140 °C se OH vezi, ki so običajno prisotne na oksidiranih površinah, pretrgajo. Hidrofobnost in adhezija pa se s pretrgom OH vezi povečata [41]. Vodni film se lahko absorbira nazaj na površino, odvisno od relativne vlažnosti zraka in lastnosti materiala, zato je pomembno, da nanos fotorezista izvedemo čim hitreje po peki, a ne preden se substrat ohladi na sobno temperaturo.