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Relatório sobre litografia.
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Tecnologia de Micro e Nanofabricao
Litograa
M. Xavier, M. Baeta, D. Silva, J. Alho
19 de Abril de 2015
Resumo
Este trabalho instrumental tocou na realizao passo-a-passo do
processo de fotolitograa, anlise de variao de parmetros do pro-
cesso e medidas das dimenses da camada de fotoresiste atravs de
microscpio e perlmetro.
M. Xavier, M. Baeta, D. Silva, J. Alho 19 Abr. 2015
Contedo
1 Introduo terica
2 Procedimento experimental
3 Anlise de resultados e respostas
3.1 Perlmetro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 Microscpio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3 SEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4 Questes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Litograa Tecnologia de Micro e Nanofabricao 2014/2015
M. Xavier, M. Baeta, D. Silva, J. Alho 19 Abr. 2015
Captulo 1
Introduo terica
O processo de litograa - especicamente fotolitograa - consiste no uso
de luz para transferncia dum padro geomtrico duma mscara para um
qumico sensvel luz denominado fotoresiste, num dado substrato. No caso
em anlise, o fotoresiste sensibilizado quando exposto a radiao UV.
Figura 1.1: Diagrama do processo.
O fotoresiste uma juno de resinas, compostos fotossensveis e sol-
vente. Caractersticas desejveis so boa aderncia, alta resoluo, unifor-
midade, alta sensibilidade, facilidade de remoo, elevada pureza qumica e
viscosidade adequada. Tipicamente aplicado no estado lquido.
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Pode ser dividido em dois tipos:
Positivo - grava o padro da mscara litogrca. Negativo - grava o padro negativo (ou seja, inverso) da mscara lito-grca.
A tcnica utilizada neste trabalho para a aplicao denomina-se de spin-
ner, onde xamos o substrato por vcuo no centro dum disco giratrio no
qual aplicado algum fotoresiste. A sua rotao, de alguns milhares de rpm,
provoca o espalhamento do fotoresiste ao longo do substrato. A espessura
do fotoresiste espalhado obedece seguinte expresso:
dft =KP 2(1.1)
Onde dft a espessura do fotoresiste, K a constante relativa ao spinnere ao substrato, P a percentagem de slidos no fotoresiste e a velocidaderotacional do spinner. Procuraremos vericar esta expresso na anlise de
resultados.
Figura 1.2: Imagem de um modelo sosticado de um spinner.
Note-se que as condies experimentais so bastante particulares, para
maximizar a qualidade do processo: deve ser feito sob luz amarela, para
minimizar a irradiao nas zonas UV da luz branca normal, em condies de
presso e temperatura controladas, numa cmara limpa.
De mencionar tambm que o spinner tem fases de rotao: uma com uma
menor velocidade, onde se espalha inicialmente o fotoresiste, e outra de spin,
de maior velocidade.
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Segue-se o processo de soft-baking, onde se coloca o substrato numa placa
de aquecimento de modo a provocar uma melhor adeso do fotoresiste e sec-
lo atravs de remoo do solvente. Aps isto pode-se efectuar a fotolitograa
propriamente dita, onde expomos o substrato luz UV, em alinhamento com
uma dada mscara que queremos impor.
Pode ser feita de dois modos, dependendo de onde est a mscara relativa
ao substrato:
Proximidade - O substrato encontra-se prximo, resultando em menosdanos na mscara.
Contacto - O substrato encontra-se encostado mscara, resultandonuma melhor resoluo devido ao no-espalhamento da luz.
No nal, colocamos o substrato numa tina com um revelador de modo a
revelarmos o nosso produto nal. O processo de revelao simples.
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Captulo 2
Procedimento experimental
O procedimento experimental est explcito no guio e aqui resumido.
Reagentes utilizados:
Acetona lcool isoproplico gua ultra pura Fotoresiste AZ 6612 Revelador AZ 726 MIFInicialmente e antes de realizarmos o trabalho, foram lavados os substra-
tos atravs de acetona, lcool e banho de ultra-sons, seguidos de lavagem
com gua-ultrapura e aquecimento.
Os vrios substratos foram posicionados no spinner, aplicando-se 0,4 mL
de fotoresiste com micropipeta e programando ento as seguintes velocidades
de rotao de spin: 3000, 3750 e 4500 rpm, tendo-se efectuado tempos de
revelao de 20 segundos excepto para o ltimo caso, onde realizmos para
3750 rpm uma revelao de 50 segundos. Temos portanto um total de 4
amostras. Segue-se o soft-baking j mencionado na introduo.
Aps aquecimento, colocmos o substrato no alinhador de mscaras Karl
Sss Microtec MA45, em modo de contacto e alinhmos. Aps exposio
luz UV durante 5 segundos, est pronto para revelar, com as especicaes
dadas acima relativas ao tempo usado. Aps a revelao, lava-se com gua-
ultrapura e seca-se com jacto de azoto.
Depois de completo o processo, analismos os substratos obtidos atravs
de perlmetro, microscpio e ainda SEM (Scanning Electron Microscope),
resultados que apresentaremos no seguinte captulo.
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Captulo 3
Anlise de resultados e respostas
Neste captulo, apresentaremos os resultados e responderemos s perguntas
colocadas no guio.
Os substratos foram analisados com trs aparelhos diferentes: um per-
lmetro XP-200 da Ambios, um microscpio e o SEM (Scanning Electron
Microscope) instalado no CENIMAT.
3.1 Perlmetro
No perlmetro, o intuito era obter a espessura da camada de fotoresiste
aplicado e essencialmente retirar concluses acerca da variao da mesma
com os parmetros que tommos. Do perlmetro retirmos resultados do
tipo:
Podemos retirar a espessura para cada um atravs da mdia de espessuras
no topo dos picos, obtendo ento:
Parmetros Espessura mdia ()
3000 rpm, 20 s 8988.45
3750 rpm, 20 s 8633.89
4500 rpm, 20 s 8670.81
3750 rpm, 50 s 8596.5
Tabela 3.1: Espessura mdia da camada de fotoresiste no substrato.
Vemos imediatamente que para menores velocidades do spinner, obte-
mos maiores espessuras mdias para o mesmo tempo de revelao, o que faz
sentido pois uma maior rotao ir remover ligeiramente menos fotoresiste.
Podemos ento fazer uma regresso para tentarmos obter a expresso
(1.1), usando apenas 3 pontos, dando ento uma aproximao algo grosseira.
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Figura 3.1: Medio de espessura obtida para a ltima amostra preparada.
Portanto, faz-se uma regresso de dft em ordem a1. No entanto, o R2
obtido foi de 13, pelo que simplesmente os dados no se adequam bem expresso utilizada. De qualquer forma, verica-se largamente o compor-
tamento esperado, precisando-se de uma maior quantidade de pontos para
obter concluses mais apropriadas.
3.2 Microscpio
No microscpio, obtiveram-se os resultados nais:
Larguras (m)Parmetros 1 2
3000 rpm, 20 s 29.87 47.67
3750 rpm, 20 s 29.87 47.04
4500 rpm, 20 s 28.63 50.23
3750 rpm, 50 s 27.33 47.04
Tabela 3.2: Largura de elementos impressos no substrato.
Foram retirados atravs da interface informtica do aparelho, com recurso
ferramenta de medio. Aqui, o intuito era ter uma melhor ideia sobre a
resoluo da fotolitograa efectuada, de modo a podermos tirar concluses
acerca da sua dependncia na velocidade de rotao e tempo de revelao.
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As imagens obtidas por microscpio tinham forma:
Figura 3.2: Imagem obtida para a ltima amostra preparada.
Podemos tirar concluses acerca da resoluo olhando "sombra" que
cada um dos elementos deixa, para cada imagem obtida em cada caso, aliando
aos resultados do perlmetro, onde podemos vericar o declive de ascenso
ou descenso da espessura da camada de fotoresiste. O que se retira o facto
de no encontrarmos grandes diferenas de resoluo nem de dimenses das
microestruturas pelos mtodos utilizados ao alterarmos a velocidade. Tal
faz algum sentido: de facto, o processo de irradiao UV dene a resoluo
da mscara depositada no substrato, tendo como limitantes a j mencionada
distncia ao substrato, o prprio comprimento de onda da radiao utilizada e
outros, dentro dos quais pensamos que o tempo de revelao ser signicativo,
mas no a velocidade.
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3.3 SEM
A observao em SEM foi mais ilustrativa e serve para complementar o men-
cionado anterior, pelo que a apresentamos aqui em adio pstuma ao rela-
trio:
Figura 3.3: Imagem SEM obtida para a ltima amostra preparada.
3.4 Questes
Questo 1 - Quais so os princpios bsicos da fotolitograa e quais
as suas aplicaes?
A fotolitograa um processo essencialmente utilizado no mbito da mi-
croeletrnica para denir padres para a superfcie de uma bolacha semi-
condutora, neste caso, silcio. Este tcnica consiste na exposio radiao
UV dum fotoresiste, com o objectivo de sensibilizar o prprio fotoresiste.
O fotoresiste constitudo por resinas, compostos fotossensveis e solvente,
sendo responsveis pelas propriedades mecnicas do fotoresiste. A litograa
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tem algumas exigncias para que os dispositivos obtenham o melhor desem-
penho possvel, como controlar o ambiente a nvel de presso, humidade,
temperatura e numa sala limpa de modo a reduzir a quantidade e tamanho
das partculas que esto no ambiente que podero afectar o dispositivo. Apli-
caes incluem qualquer tipo de micro e nanoelectrnica, e consequentemente
qualquer aparelho que utilize ICs est inevitavelmente ligado a este processo.
Questo 2 - Que tipos de fotoresiste existem?
Como mencionado na introduo terica, os tipos de fotoresiste so de-
nidos de acordo com a sua polaridade:
Positivo, que tem a funcionalidade de gravar no substrato a mscarautilizada neste processo, tendo como vantagem uma melhor resoluo,
devido facilidade de remoo das reas expostas.
Negativo, que tem como funcionalidade gravar no substrato o inverso damscara utilizada, tendo como vantagens melhor adeso ao substrato
e maior resistncia eroso.
Questo 3 - Qual a inuncia da velocidade de rotao durante o
espalhamento na espessura nal do fotoresiste e na constante spin-
ner/substrato? Responda fazendo os clculos e/ou grcos ade-
quados.
Questo resolvida na anlise de resultados, seco Perlmetro.
Questo 4 - Ao serem utilizados diferentes programas de veloci-
dade, observada alguma alterao na denio do fotoresiste aps
a revelao?
Questo resolvida na anlise de resultados, seco Microscpio.
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Bibliograa
[1] Guio da aula de laboratrio
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