פוטורזיסט

פוטורזיסט הוא חומר רגיש לאור המשמש במספר תהליך תעשייתיים, ובמיוחד פוטוליתוגרפיה, כדי ליצור תבנית על משטח. תהליך זה הוא הבסיס ליצור שבבים.

עקרון הפעולה של פוטורזיסט הוא שחשיפה לאור משנה את המסיסות של החומר בממס מסוים. הרזיסט משמש כציפוי דק על משטח, ולאחר חשיפה לאור ולממס, חלקים מסוימים במשטח יוותרו מוגנים על ידי הציפוי, ואחרים יחשפו כי הרזיסט יתמוסס בממס. באזורים החשופים ניתן אז לטפל בדרכים שונות, כמו ציפוי במתכת או תהליך איכול (כמו איכול יבש) כדי לחשוף שכבה עמוקה יותר.

דוגמה לתהליך פוטוליתוגרפי
תהליך פוטוליתוגפי טיפוסי ליצירת תבנית מתכתית יכלול את השלבים הבאים:

 מצע מסוים, כמו סיליקון, עובר תהליך ניקוי כדי להסיר זיהומים, כמו אבק.
 המצע מקבל ציפוי פוטורזיסט בעובי טיפוסי של כמיקרון, בעזרת תהליך ציפוי סיבובי (אנ').
 פוטומסק (אנ'), לוח זכוכית (או חומר שקוף אחר) עם תבנית מתכתית שחוסמת את האור באזורים מסוימים, מוצמד ישירות למצע, או מקרין את האור דרך עדשות כדי להקטין את התבנית המוקרנת.
 לאחר הציפוי לעיתים קרובות מבוצע תהליך חימום (soft bake), שמייבש את הרזיסט.
 אור מוקרן על המצע, דרך התבנית, לזמן קצר (שניות עד כמה עשרות שניות).
 עבור רזיסטים מסוימים, בשלב זה מבוצע תהליך חימום שמקדם את התגובה הכימית הדרושה.
 המצע מוטבל בממס (מימי או אורגני, בהתאם לסוג הרזיסט), המכונה "מפתח" (developer), ובשלב זה קיימות שתי אפשרויות:
 עבור רזיסט חיובי, האזורים בציפוי שנחשפו לאור הפכו למסיסים יותר, ולכן יתמוססו במפתח.
 עבור רזיסט שלילי, האזורים בציפוי שנחפשו לאור הפכו לפחות מסיסים, ולכן האזורים האחרים יתמוססו.
 עבור רזיסטים מסוימים, בשלב זה מבוצע תהליך חימום נוסף (hard bake), כדי לשפר את התכונות התרמיות, כימיות, ופיזיות של הציפוי.
 המצע המצופה ברזיסט מוכנס למכשיר המצפה אותו במתכת. המתכת מצפה את כל המשטח - באזורים מהם הומס הרזיסט, המתכת מצפה ישירות את המצע; באזורים בהם עדיין מצוי רזיסט, המתכת מצפה אותו.
 המצע מוכנס לממס חזק (לעיתים קרובות אצטון), שממיס את הרזיסט בכל האזורים, ואיתו את המתכת שציפתה אותו. בעת נותר ציפוי מתכתי רק באזורים בהם המתכת ציפתה את המצע ישירות.

הרכב כימי
פוטורזיסט טיפוסי כולל שלושה מרכיבים עיקריים: רזין (resin, לעיתים קרובות פולימר) המספק את התכונות המבניות והמכניות, כמו אדהזיה למשטח, עמידות בפני ממסים וכו'; פוטוסנסיטייזר (אנ'), חומר המגיב לאור; וממס, שבזכותו הרזיסט במצב נוזלי ואפשר לצפות איתו משטחים.

סוגי פוטורזיסטים
ממוזער|200px|שמאל|רזיסט פוטופולימרי: פוטופולימריזציה של מונומרים של מתיל מתאקרילט בתגובה לאור על-סגול.
ממוזער|250px|שמאל|רזיסט פוטומצליב: מולקולות SU-8, בהן קבוצות האפוקסיד יוצרת קשרים צולבים עם מולקולות SU-8 אחרות.
ממוזער|350px|שמאל|רזיסט פוטומתפרק: פרוטוליזה של דיאזונפתוקווינון מייצרת קבוצות חומצה קרבוקסילית, המסיסות יותר במים. מולקולות אלה מסייעות להמיס את הרזיסט, המורכב בעיקר מפולימר בקליט או נובולק.
ניתן לחלק את הפוטורזיסטים לשלושה סוגים, בהתאם למנגנון הפעולה הכימי שלהם:
 פוטופולימרי - סוג זה בדרך כלל מבוסס על מונומרים אליליים (בעלי קשר כפול בקצה המולקולה, ובהם נוצר רדיקל על הפחמן ליד הקשר הכפול), שיוצרים רדיקל בתגובה לאור, ועוברים פוטופולימריזציה. פולימריזציה מפחיתה את המסיסות של האזורים שנחשפו לאור, ולכן חומרים מסוג זה משמשים כפוטורזיסטים שליליים. דוגמה לרזיסט זה היא מתיל מתאקרילט.
 פוטומצליב - ברזיסט זה נוצרים קשרים צולבים בין פולימרים בתגובה לחשיפה לאור. הפולימרים המוצלבים מסיסים פחות (או אינם מסיסים בכלל), ולכן סוג זה משמש כפוטורזיסט שלילי. דוגמה אחת לרזיסט מסוג זה היא SU-8, מולקולות המכילות שמונה קבוצות אפוקסיד היוצרות קשרים צולבים עם מולקולות שכנות. במקרה זה, אור מפעיל את קבוצות האפוקסיד, אך הקשרים הצולבים נוצרים רק בשלב החימום שלאחר החשיפה לאור (hard bake).
 פוטומתפרק - רזיסט זה מייצר תוצרים מסיסים (בדרך כלל בתמיסה מימית) בתגובה לאור, ולכן משמש כפוטורזיסט חיובי. דוגמה אחת לרזיסט זה היא רזיסטים מסוג DQN, המשלבים 20-50% דיאזוקווינון או דיאזונפתוקווינון (מכונה DQ, רגיש לאור, לא מסיס במים) עם פולימר נובולק פנולי (מסיס). בחשיפה לאור, DQ הופך למסיס, ותמיסת המפתח ממיסה את הרזיסט.

תכונות
התכונות הפיזיקליות, כימיות ואופטיות של פוטורזיסטים מכתיבות את השימוש בהם בתהליכים שונים. בין התכונות הקריטיות:
 רזולוציה - ההפרדה הקטנה ביותר האפשרית בין שני מבנים שכנים על פני השטח. המימד הקריטי (critical dimension) הוא המדד העיקרי לרזולוציה. ככל שהמימד קטן יותר, כך הרזולוציה גבוהה יותר.
 קונטרסט - ההבדל במסיסות (בנוזל הפיתוח) בין אזורים שנחשפו לאור לאלה שלא נחשפו.
 רגישות - האנרגיה המינימלית הנדרשת כדי ליצור מבנה מוגדר היטב בפוטורזיסט. בדרך כלל נמדד ביחידות של mJ/cm2 (מיליג'ול לסנטימטר רבוע). פוטורזיסט רגיש דורש כמות אור מעטה יחסית, ולכן שימושי במיוחד במקרים בהם מקורות האור חלשים, כמו בפוטוליתוגרפיה באורכי גל על-סגול עמוק (deep UV) או קיצוני (extreme UV).
 צמיגות - מדד לכוח החיכוך הפנימי בנוזל, או יכולתו לזרום. פוטורזיסט צמיג יותר עדיף אם יש צורך ליצור שכבה עבה יותר בשלב הציפוי הסיבובי.
 אדהזיה - יכולת הרזיסט להאחז במשטח היא קריטית, כיוון שאם חלקים מציפוי הרזיסט יפרדו מהמשטח לפני הזמן, התבנית שתיווצר על המשטח לא תתאם לתכנון.
 עמידות בפני איכול - היכולת של הרזיסט לעמוד בפני טמפרטורה גבוהה, סביבות חומציות ובסיסיות, הפגזת יונים, או חומרים מאכלים אחרים. לעיתים קרובות רזיסט משמש להגנה על חלקים מסוימים במשטח מפני תהליכים מאכלים, כמו תהליכים שמאכלים שכבת תחמוצות באזורים מסוימים במשטח.

הגברה כימית
עם השנים, תהליכי ליתוגרפיה התקדמו לשימוש באורכי גל קצרים יותר ויותר, כי אלה מאפשרים רזולוציה גבוהה יותר - יצירת מבנים קטנים יותר, המאפשרים יצירת שבבים עם צפיפות טרנזיסטורים גבוהה יותר, ועל כן ביצועים עדיפים. עם זאת, במיוחד באורכי גל בטווח העל הסגול העמוק, קשה לייצר אור בעוצמה גבוהה, ולכן דרוש פוטורזיסט רגיש יותר לאור. פתרון לכך הוא תהליך הגברה כימית - במקום שפוטונים יגרמו ישירות לשינוי הכימי הרצוי בפוטורזיסט, פוטון גורם לייצור חומצה כאשר הוא נבלע על ידי פוטו-חומצה, והחומצה משמשת כזרז (קטליסט) לתהליך הרצוי. כך, פוטון אחד יכול לגרום לאלפי תגובות כימיות (על ידי ייצור הזרז), במקום רק תגובה אחת בפוטורזיסט ללא הגברה כימית."Positive and Negative Working Resist Compositions with Acid-Generating Photoinitiator and Polymer with Acid-Labile Groups Pendant From Polymer Backbone" J.M.J. Fréchet, H. Ito and C.G. Willson 1985.

הערות שוליים

קטגוריה:מיקרואלקטרוניקה
קטגוריה:ננוטכנולוגיה
קטגוריה:מיקרוטכנולוגיה
קטגוריה:פולימרים