151634 (Фізико–технологічні основи фотолітографії)

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

ФІЗИЧНИЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА ТВЕРДОТІЛЬНОЇ ЕЛЕКТРОНІКИ

Фізико–технологічні основи фотолітографії

Курсова робота

ЗМІСТ

ВСТУП

1. МАТЕРІАЛИ ФОТОШАБЛОНІВ – НОСІЇ ЗОБРАЖЕННЯ

1.1 Властивості фотоматеріалів

1.2 Срібловмісні фотоматеріали

1.3 Діазоплівки

1.4 Фотоплівки для виготовлення фотошаблонів

2. .МЕТОДИ ФОТОЛІТОГРАФІЇ

2.1 "Подвійна" фотолітографія

2.2 "Подвійні" фотошаблони

2.3 Фотолітографія з підшаром

2.4 "Вибухова" фотолітографія

2.5 Негативно-позитивна фотолітографія

3. ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ЯКОСТІ ФОТОЛІТОГРАФІЇ

3.1 Порушення якості фотолітографії

3.2 Методи боротьби з причинами порушення якості фотолітографії

ВИСНОВОК

ЛІТЕРАТУРА

ВСТУП

У даній курсовій роботі ми розглянемо основні принципи процесу фотолітографії та матеріали які при цьому використовуються. Фотолітографія на сьогоднішній день займає важливе місце у виготовленні інтегральних схем для мікроелектроніки. Основними факторами які дозволяють нам використовувати цей метод формування малюнку є можливість створення елементів будь-якої конфігурації, висока відтворюваність розмірів і їхніх розташувань, групова обробка великого числа переходів.

Фотолітографія неможлива без використання фотошаблонів (трафаретів). Фотошаблони виготовляють на основі срібловмісних та діазоплівок. Головна відмінність між ними це склад шару речовини який реагує на опромінення і змінює свою структуру. Також важливою компонентою фотолітографії є фоторезист. В залежності від задачі, яку ставить топологія мікросхеми, використовують позитивний або негативний фоторезист. Позитивний характеризується тим, що при проявленні проекспонованого резисту освітлені місця залишаються світлими, а неосвітлені – темними. Негативний фоторезист, навпаки, експоновані місця залишає темними, а неекспоновані – світлими.

1. МАТЕРІАЛИ ФОТОШАБЛОНІВ – НОСІЇ ЗОБРАЖЕННЯ

Фотолітографія - це сукупність фотохімічних процесів, серед яких можна виділити три основні етапи: формування на поверхні матеріалу щару фоторезисту, передавання зображення з шаблону на цей шар, формування конфігурації елементів пристроїв за допомогою маски з фоторезисту [1].

[2]Які б процеси друку не використовувалися, всі вони починаються з фотографічного зображення майбутнього малюнка – фотошаблону, в нашому випадку – із зображення топології схеми зі всіма елементами друкарського монтажу: провідниками, контактними площадками для паяння, для отворів, екрани, друкарські роз'єми, елементи електричної схеми і так далі. Використовуючи фотошаблон отримують масочне зображення на ситі – сітчастий трафарет для трафаретного друку, рельєфне зображення фоторезиста на плоскій підставі для формуванні малюнка субтрактивним або аддитивним методом, рельєфні форми для офсетного друку фарбою або для флексиграфії.

Зі всієї різноманітності фотопроцесів в технічному (не художньому) їх застосуванні встановилися певні традиції, основна спрямованість яких – отримати штрихове (без напівтонів) зображення великої щільності і великої контрастності. Матеріали для фотошаблонів повинні володіти в першу чергу високим градієнтом оптичної щільності, високою зносостійкістю, що дозволяє багато разів використовувати їх в процесах фотодруку і, що дуже важливе, високою розмірною стійкістю.

1.1 Загальні властивості фотоматеріалів

Фотоматеріали – світлочутливі матеріали, призначені для отримання фотографічних зображень. Розрізняють галогеносрібні фотоматеріали, в яких світлочутливим елементом є галогенід срібла (AgHal), і несрібні (світлочутливий елемент – з'єднання заліза, хрому, солі діазонію і ін.

Фотоматеріали для фотошаблонів по загальній класифікації фотоматеріалів виділяються таким чином:

• за призначенням – мікрофільмування;

• по відтворенню кольору об'єкту зйомки – чорно-білі монохроматичні (з однотонним забарвленим зображенням);

• за способом застосування – негативні, позитивні, такі, що обертаються;

• по вигляду підкладки – на гнучкій полімерній основі, на жорсткій основі (фотопластини, найчастіше з скла)

• по формату – листові, рулонні;

• по сенситометричних характеристиках: загальна і ефективна світлочутливість, коефіцієнт контрастності, фотографічна широта, оптична щільність вуалі, максимальна оптична щільність зображення і ін.

•по структурнорізкістним характеристиках: роздільна здатність, середньоквадратична гранулярність.

• по физико-механічним властивостям: розмірна стійкість в умовах зміни температури і вологості, термостійкість, механічна міцність шарів, вологоємкість, скручуваність.

Основні сенситометричні характеристики фотоматеріалів визначають по експериментальній характеристичній кривій (сенситограмі, Рис.1.1), що виражає залежність між логарифмом експозиції Н і оптичною щільністю почорніння D, утвореного металевим сріблом. Експозицію обчислюють за формулою: Н= Et, де E - освітленість, t – час експонування (витримка). Оптична щільність ділянок фотографічного шару, що не піддавалися дії світла, називається оптичною щільністю фотографічної вуалі D_о. Вона не залежить від експозиції і визначається властивостями самого фотоматеріалу і умовами його обробки. Прийнята у фотографії величина мінімальної оптичної щільності є сумою значень оптичної щільності вуалі і оптичної щільності підкладки. Найбільша оптична щільність почорніння (потемніння) фотоматеріалів, тобто щільність у вищій точці характеристичної кривої, називають максимальною щільністю D.

Рис1.1 Характеристична крива залежності оптичної густини від експозиції (пояснення в тексті)

Сенситометричні випробування фотоматеріалів проводять в стандартних умовах, при яких найважливішим чинником є колірна температура джерела світла – величина, що характеризує спектральний склад випромінювання джерела світла. Колірна температура визначається температурою абсолютно чорного тіла, при якій його випромінювання має такий же спектральний склад і такий же розподіл енергії по спектру, що і випромінювання даного джерела; виражається в Кельвінах. У сенситометричних вимірюваннях зазвичай використовують три колірні температури: 2850^оК - при випробуванні фотопаперів; 3200^оК – для позитивних кіноплівок; 6500^оК – для негативних фотоматеріалів.

Світлочутливість S – здатність фотоматеріалів реєструвати світлове випромінювання і утворювати у фоточутливому шарі матеріалу почорніння (потемніння). Світлочутливість (см²/Дж) розраховується як величина, обернено пропорційна експозиції: S = 1/Et = 1/Н. Світлочутливість вимірюють, як правило, у відносних одиницях – числах світлочутливості – S = k/Н, де Н – експозиція, необхідна для отримання певної оптичної щільності потемніння D (критерій світлочутливості); k – коефіцієнт пропорційності, що має певне прийняте значення для кожного з видів фотоматеріалів. Коефіцієнт контрастності – градієнт прямолінійної ділянки характеристичної кривої – характеризує здатність фотоматеріалів передавати відмінність яскравості об'єкту зйомки по відмінності оптичної щільності потемнінь. Визначається як тангенс кута нахилу прямолінійної ділянки кривою до осі абсцис:

Фотографічна ширина L визначається як інтервал яскравостей об'єктів зйомки, передаваних на зображенні з однаковим коефіцієнтом контрастності; на характеристичній кривій відповідає діапазону логарифмів експозицій: L = lgH₂ – IgH₁. Інтервал експозицій, обмежених верхньою і нижньою межами потемнінь, називають повним інтервалом експозиції L або повною фотографічною широтою.

Роздільна здатність – здатність фотоматеріалу роздільно передавати дрібні деталі (ділянки) об'єкту фотографування; виражається кількістю роздільних ліній на 1мм у фотографічному зображенні спеціального тест-об’єкта.

Гранулярність (зернистість) – флуктуації оптичної щільності рівномірно експонованого і проявленого фотоматеріалу; чисельна оцінка зернистої структури фотографічного зображення визначається середньоквадратичною гранулярністю.

Срібловмісні фотоплівки можуть бути негативними і позитивними. Негатив відтворює чорним прозорі місця і прозорим чорні місця. Позитив відтворює чорне чорним. Діазоплівки зазвичай позитивні. Фотоплівки для фотоплоттерів – негативні. Фотоплівки для контактного друку можуть бути будь-якими, це залежить від завдань репродукції і виду фотооригінала (негатив або позитив). Зазвичай позитивні фотошаблони (чорні лінії – провідники) використовуються для зовнішніх шарів друкованих плат, і негативні (прозорі лінії – провідники) – для внутрішніх шарів.

Срібловмісні фотоплівки не байдужі до процесів проявки і типів проявників. Вибір проявника може позначитися на швидкості і глибині прояву, на зернистості і на реалізації чутливості плівки. Тому для проявки фотоплівки потрібно дотримуватися рекомендацій в специфікації, що додається.

Срібловмісні і діазоплівки відрізняються і по властивостях і по фізичних процесах обробки, про що буде сказано далі. Але візуальна прозорість, опір до стирання і явно краща розмірна стабільність діазоплівок роблять їх незамінними для виготовлення прецизійних фотошаблонів. Проте, срібловмісні фотоплівки по більшій кількості фотографічних характеристик краще для використання у фотоплоттерах, перетворення зображень і більшої частини робіт, що фотокопіюють.

1.2 Срібловмісні фотоматеріали

Сенситометричні і структурнорізкісні показники срібловмісних фотоматеріалів залежать в основному від розмірів, форми і складу мікрокристалів AgHal, а також умов їх хімічної або спектральної сенсибілізації.

Всі галогеносрібні фотоматеріали складаються зі світлочутливих (емульсивних) і додаткових (допоміжних) шарів, нанесених на підкладку (Рис.1.2.1).

Рис1.2.1. Будова чорно-білих негативних і позитивних фотоплівок:1.захиний шар;2-світлочутливий шар; 3-підшар; 4-підкладка; 5-протискручующий антистатичний безкольоровий лаковий шар.

Основою всіх фотоматеріалів є світлочутливий шар товщиною 3-30 мкм, який є суспензією мікрокристалів AgHal в розчинах желатину, що пов'язують – водних, ефірах целюлози, агарі, Альбуміні і ін. Нанесена на підкладку і висушена фотоемульсія утворює світлочутливий шар фотоматеріалів. Концентрація желатину у фотоемульсіях складає зазвичай 5 - 10% по масі, концентрація AgHal (у перерахунку на металеве срібло) – 30-150 г. Ag на 1л. об'єму фотоемульсії. Середні лінійні розміри мікрокристалів 0,01-10 мкм, їх кількість в 1см³ – 10¹⁰-10¹⁶.

Поверхнева концентрація AgHal (у перерахунку на срібло) від 0.1 г./м² у малочутливих фотоматеріалах до 5-10 г./м² у високочутливих негативних фотоматеріалах і до 10–35г./м² – в радіографічних матеріалах. У світлочутливому шарі фотоматеріалів міститься до 40-60% AgHal.

Підкладкою для різних фотоматеріалів можуть служити скляні пластинки товщиною 0,8-5 мкм (і більше), гнучкі полімерні плівки з триацетату целюлози товщиною 60–220 мкм або поліетилентерефталату товщиною 25-175 мкм. Для додання фотоматеріалам високих фізико-механічних, протиореольних, антистатичних і ін. властивостей на підкладку і світлочутливі шари зазвичай наносять допоміжні і додаткові шари: підшар, захисний, протиореольний, такий, що протискручує, антистатичний, фільтровий, проміжний, восковий і ін. Підшар – допоміжний шар товщиною 0.5-1 мкм. нанесений на підкладку в цілях забезпечення міцного зчеплення (адгезії) світлочутливого шару з підкладкою. Підшар для фотоплівок містить колоїдний розчин желатин у воді, органічний розчинник, підрозчинювальний полімер підкладки, і органічну кислоту, що стабілізує колоїдний розчин желатину. Підшар для фотопластин містить, крім того, рідке скло.

Захисним шаром є шар сильно задубленого желатину з добавкою синтетичного полімеру (наприклад, латексу) товщиною 0,5-1,5 мкм. Він наноситься на поверхню емульсивного шару фотоплівки і оберігає його від механічних пошкоджень і дії навколишнього середовища.

Для зменшення ореолів віддзеркалення в негативних фотоплівках і фотопластинах під світлочутливий шар або на зворотну сторону підкладки наносять протиореольний лаковий або желатиновий шар, що містить плівкотвірну речовину і фарбник або пігмент (наприклад, сажу), які обезбарвлюються або вимиваються в процесі обробки фотоматеріалів, інакше вони зроблять фотошаблон непрозорим. Желатиновий протиореольний шар, нанесений на зворотну сторону підкладки, служить також і шаром, що протискручує. Антистатичний шар – допоміжний шар товщиною 0,5-1 мкм; є шарами полімерів з добавками електролітів, електропровідних наповнювачів (високодисперсні сажа, графіт і ін.), ПАВ і інші з'єднання, здатних поглинати з повітря заряджені частинки, нейтралізуючи заряд фотоматеріалів, або вологу, що підвищує його поверхневу провідність.[3]