שיטות הציפוי של photoresist מחולקות בדרך כלל לציפוי ספין, ציפוי טבילה וציפוי גליל, ביניהם ציפוי ספין הוא הנפוץ ביותר בשימוש. על ידי ציפוי ספין, פוטו-רזיסט מטפטף על המצע, וניתן לסובב את המצע במהירות גבוהה כדי לקבל סרט פוטו-רזיסט. לאחר מכן, ניתן להשיג סרט מוצק על ידי חימום על פלטה חמה. ציפוי ספין מתאים לציפוי מסרטים דקים במיוחד (כ-20nm) ועד לסרטים עבים של כ-100um. המאפיינים שלו הם אחידות טובה, עובי סרט אחיד בין פרוסות, מעט פגמים וכו' וניתן לקבל סרט בעל ביצועי ציפוי גבוהים.
תהליך ציפוי ספין
במהלך ציפוי ספין, מהירות הסיבוב העיקרית של המצע קובעת את עובי הסרט של הפוטורסיסט. הקשר בין מהירות הסיבוב לעובי הסרט הוא כדלקמן:
ספין=kTn
בנוסחה, ספין הוא מהירות הסיבוב; T הוא עובי הסרט; k ו-n הם קבועים.
גורמים המשפיעים על תהליך ציפוי הספין
למרות שעובי הסרט נקבע על פי מהירות הסיבוב העיקרית, הוא קשור גם לטמפרטורת החדר, הלחות, צמיגות הפוטו-רזיסט וסוג הפוטו-רזיסט. השוואה בין סוגים שונים של עקומות ציפוי פוטו-רזיסט מוצגת באיור 1.
איור 1: השוואה בין סוגים שונים של עקומות ציפוי פוטו-רזיסט
השפעת זמן הסיבוב הראשי
ככל שזמן הסיבוב הראשי קצר יותר, כך עובי הסרט עבה יותר. כאשר זמן הסיבוב העיקרי גדל, הסרט הופך דק יותר. כאשר הוא עולה על 20 שניות, עובי הסרט נשאר כמעט ללא שינוי. לכן, זמן הסיבוב הראשי נבחר בדרך כלל להיות יותר מ-20 שניות. הקשר בין זמן הסיבוב הראשי לעובי הסרט מוצג באיור 2.
איור 2: הקשר בין זמן הסיבוב הראשי לעובי הסרט
כאשר הפוטו-רזיסט מטפטף על המצע, גם אם מהירות הסיבוב הראשית שלאחר מכן זהה, מהירות הסיבוב של המצע במהלך הטפטוף תשפיע על עובי הסרט הסופי. עובי סרט הפוטו-רזיסט גדל עם עליית מהירות סיבוב המצע במהלך הטפטוף, אשר נובעת מהשפעת אידוי הממס כאשר הפוטורסיסט נפרש לאחר הטפטוף. איור 3 מציג את הקשר בין עובי הסרט למהירות הסיבוב העיקרית במהירויות סיבוב שונות של המצע במהלך טפטוף הפוטו-רזיסט. ניתן לראות מהאיור שעם הגדלת מהירות הסיבוב של המצע המטפטף, עובי הסרט משתנה מהר יותר, וההבדל בולט יותר באזור עם מהירות סיבוב ראשית נמוכה יותר.
איור 3: הקשר בין עובי הסרט ומהירות הסיבוב העיקרית במהירויות סיבוב שונות של המצע במהלך הוצאת פוטו-רזיסט
השפעת הלחות במהלך הציפוי
כאשר הלחות יורדת, עובי הסרט גדל, מכיוון שהירידה בלחות מקדמת את אידוי הממס. עם זאת, התפלגות עובי הסרט אינה משתנה באופן משמעותי. איור 4 מציג את הקשר בין לחות וחלוקת עובי הסרט במהלך הציפוי.
איור 4: הקשר בין לחות וחלוקת עובי הסרט במהלך הציפוי
השפעת הטמפרטורה במהלך הציפוי
כאשר הטמפרטורה הפנימית עולה, עובי הסרט גדל. ניתן לראות מאיור 5 שחלוקת עובי הסרט הפוטו-רזיסט משתנה מקמור לקעור. העקומה באיור גם מראה שהאחידות הגבוהה ביותר מתקבלת כאשר הטמפרטורה הפנימית היא 26 מעלות צלזיוס וטמפרטורת הפוטו-רזיסט היא 21 מעלות צלזיוס.
איור 5: הקשר בין טמפרטורה ופיזור עובי הסרט במהלך הציפוי
השפעת מהירות הפליטה במהלך הציפוי
איור 6 מציג את הקשר בין מהירות הפליטה להתפלגות עובי הסרט. בהיעדר פליטה, זה מראה שמרכז הפרוסה נוטה להתעבות. הגדלת מהירות הפליטה תשפר את האחידות, אך אם תגבר יותר מדי האחידות תרד. ניתן לראות שיש ערך אופטימלי למהירות הפליטה.
איור 6: הקשר בין מהירות הפליטה להתפלגות עובי הסרט
טיפול HMDS
על מנת להפוך את הפוטו-רזיסט לציפוי יותר, יש לטפל בפרוסה עם hexamethyldisilazane (HMDS). במיוחד כאשר לחות מחוברת לפני השטח של סרט תחמוצת Si, נוצר silanol, אשר מפחית את ההידבקות של photoresist. על מנת להסיר לחות ולפרק את הסילנול, בדרך כלל מחממים את הפרוסה ל-100-120 מעלות צלזיוס, ומחדירים ערפל HMDS כדי לגרום לתגובה כימית. מנגנון התגובה מוצג באיור 7. באמצעות טיפול HMDS, המשטח ההידרופילי עם זווית מגע קטנה הופך למשטח הידרופובי עם זווית מגע גדולה. חימום רקיק יכול להשיג הידבקות פוטו-רזיסט גבוהה יותר.
איור 7: מנגנון תגובת HMDS
ניתן לראות את ההשפעה של טיפול HMDS על ידי מדידת זווית המגע. איור 8 מציג את הקשר בין זמן הטיפול ב-HMDS וזווית המגע (טמפרטורת הטיפול 110 מעלות צלזיוס). המצע הוא Si, זמן הטיפול ב-HMDS גדול מ-1 דקות, זווית המגע גדולה מ-80°, והשפעת הטיפול יציבה. איור 9 מציג את הקשר בין טמפרטורת הטיפול ב-HMDS וזווית המגע (זמן טיפול 60 שניות). כאשר הטמפרטורה עולה על 120℃, זווית המגע יורדת, מה שמצביע על כך ש-HMDS מתפרק בגלל חום. לכן, טיפול ב-HMDS מבוצע בדרך כלל ב-100-110℃.
איור 8: הקשר בין זמן הטיפול ב-HMDS
וזווית מגע (טמפרטורת טיפול 110℃)
איור 9: הקשר בין טמפרטורת הטיפול ב-HMDS וזווית המגע (זמן טיפול 60 שניות)
טיפול HMDS מתבצע על מצע סיליקון עם סרט תחמוצת ליצירת תבנית פוטו-רזיסט. לאחר מכן, סרט התחמוצת נחרט בחומצה הידרופלואורית בתוספת חיץ, ונמצא כי לאחר טיפול ב-HMDS, ניתן למנוע את נפילת תבנית הפוטו-רזיסט. איור 10 מציג את ההשפעה של טיפול HMDS (גודל הדפוס הוא 1um).
איור 10: אפקט הטיפול ב-HMDS (גודל התבנית הוא 1um)
אפייה מוקדמת
באותה מהירות סיבוב, ככל שטמפרטורת האפייה גבוהה יותר, כך עובי הסרט קטן יותר, מה שמעיד שככל שטמפרטורת האפייה גבוהה יותר, כך מתאדה יותר ממס, וכתוצאה מכך עובי הסרט דק יותר. איור 11 מציג את הקשר בין טמפרטורת האפייה המוקדמת לפרמטר A של שמיר. הפרמטר A מציין את ריכוז החומר הרגיש לאור. כפי שניתן לראות מהאיור, כאשר טמפרטורת האפייה המוקדמת עולה למעל 140 מעלות צלזיוס, הפרמטר A יורד, מה שמעיד על כך שהחומר הרגיש לאור מתפרק בטמפרטורה גבוהה מזו. איור 12 מציג את השידור הספקטרלי בטמפרטורות שונות לפני אפייה. ב-160 מעלות צלזיוס ו-180 מעלות צלזיוס, ניתן להבחין בעלייה בשידור בטווח אורכי גל של 300-500 ננומטר. זה מאשר שהחומר הרגיש לאור נאפה ומתפרק בטמפרטורות גבוהות. לטמפרטורת האפייה המוקדמת יש ערך אופטימלי, הנקבע על פי מאפייני האור והרגישות.
איור 11: הקשר בין טמפרטורת האפייה המוקדמת לפרמטר A של שמיר
(ערך נמדד של OFPR-800/2)
איור 12: העברה ספקטרלית בטמפרטורות שונות לפני אפייה
(OFPR-800, עובי סרט של 1um)
בקיצור, לשיטת ציפוי הספין יתרונות ייחודיים כמו שליטה מדויקת בעובי הסרט, ביצועי עלות גבוהים, תנאי תהליך מתונים ותפעול פשוט, כך שיש לה השפעות משמעותיות בהפחתת הזיהום, חיסכון באנרגיה ושיפור ביצועי העלויות. בשנים האחרונות, ציפוי ספין זוכה לתשומת לב גוברת, ויישומו התפשט בהדרגה לתחומים שונים.
זמן פרסום: 27 בנובמבר 2024