Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0113

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0113
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники"
Название доклада
Разработка технологии формирования наноструктурированных пленок и покрытий трехмерных объектов методом аэрозольно-ультразвукового распыления коллоидных растворов для задач создания функциональных элементов микро- и органической электроники, а также композитных материалов.
Докладчик
Неволин Владимир Кириллович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Существует необходимость нанесения толстых слоев фоторезиста (ФР) (свыше 10 мкм) для создания масок травления при формировании элементов МЭМС, а также при литографии и формировании микропроводников, слоев металлизации СВЧ структур.
Использование центрифугирования при формировании толстых пленок ФР требует высокой вязкости раствора, что создает проблемы с покрытием ФР структур с развитым рельефом, т.к. в ряде случаев необходима обеспечить отсутствие полного заполнения канавок на поверхности ФР. Кроме этого существует проблема задубливания сформированных толстых пленок ФР за один цикл нанесения, ввиду неоднородности растворителя из объема пленки при нагреве. С другой стороны, существующие методы аэрозольного нанесения предполагают наличие высокой скорости нанесения раствора (ввиду особенностей ультразвукового распыления), а соответственно и большого количества материала ФР в единицу времени, что может приводить к недостаточной однородности пленки ФР на поверхностях со сложным рельефом особенно при наличии вертикальных стенок. Данная проблема может быть решена путем нанесения раствора ФР с низкой скоростью нанесения и альтернативной рецептуре состава раствора ФР.
С учетом выше перечисленных задач, необходима разработка альтернативных принципов распыления растворов ФР в качестве возможно использование пневматического принципа формирования аэрозольного потока, обеспечивающее итерационное нанесение пленки ФР.
Актуальность и новизна исследования
Использование низковязких растворов при формировании толстых пленок ФР (свыше 10 мкм) в ряде случаев не позволяет обеспечить приемлемую равномерность ФР по толщине, особенно для структур с развитым рельефом, из-за перераспределения материала, что связано с большим потоком нанесения материала, величина которого составляет в среднем порядка 10-100 мкл/с [1]. Решением данной проблемы может служить послойное нанесение материала ФР. При этом, отсутствие обеспечения высокой скорости ухода остаточного растворителя из объема пленки может приводить к увеличению шероховатости пленки и увеличению однородности её толщины по пластине, что особенно актуально для толстых пленок.
В основном при проведении процессов фотолитографии используются стандартная технология задубливания пленок ФР, однако при использовании послойного нанесения пленки ФР на поверхность подложки ключевым является прогрев непосредственно верхних формируемых слоев, что может быть реализовано посредством инфракрасного нагрева в едином процессе нанесения. Это позволяет отказаться от последующего процесса задубливания и сократить количество технологических операций. Итерационный метод формирования пленки ФР позволяет также избежать изгиба подложки при задубливании толстой пленки (более 30 мкм), связанного с различием температурных коэффициентов расширения пленки и подложки и неравномерностью испарения остаточного растворителя из объема пленки.
1. N.P. Pham, J.N. Burghartz, P.M. Sarro. “Spray Coating of Photoresist for pattern transfer on high topography surfaces”. J. Micromech. Microeng., 15, pp. 691-697, 2005.
Описание исследования

В процессе исследования нанесения толстых пленок (5-50 мкм) из растворов ФР двух типов – SU-8 и ФП-3515, на пластины Si, пластины AlN, а также на гибкие подложки полиэтлентерефталата (ПЭТ) были выявлены основные параметры, влияющие на качество получаемой пленки ФР в процессе аэрозольного распыления раствора: температура прогрева пленки, величина аэрозольного потока, адгезия пленки ФР к подложке. Формирование пленки ФР осуществлялось посредством аэрозольного распыления раствора ФР с варьированием как давления воздуха в распылительном узле, так и эффективного сечения распылительной форсунки, с целью обеспечения минимального среднего размера микрокапель. Длина волны ИК нагревателя выбрана с учетом требований к технологии формирования фоторезистивных пленок, которая должна обеспечивать отсутствие воздействия, как видимого спектра излучения, так и ультрафиолетовой (УФ) составляющей, что может приводить к экспонированию пленки фоторезиста.

Нанесение проводилось двумя способами. В первой методике однородность пленки реализовывалась путем быстрой однородной заливки поверхности материалом (до 3 мл/мин) при условии хорошей смачиваемости поверхности подложки и последующей термической сушки нанесенного слоя. Альтернативный способ, который также был использован в работе заключался в  последовательном многостадийном нанесении материала с сверхнизким потоком (до 0,5 мл/мин) с формированием микрокапель материала и испарения растворителя из их объема под действием термической обработки, которая обеспечивает послойное формирование пленки заданной толщины, а также способствует равномерному уходу растворителя из пленки ФР, что, в свою очередь обеспечивает отсутствие краевых эффектов, возникающих в процессе нанесения и высыхания толстой полимерной пленки.

Температура нагрева формируемого слоя ФР в процессе распыления поддерживалась существенно меньшей, чем температура задубливания фоторезиста (т.е менее 90˚С), превышение данной температуры может приводить к перезадубливанию пленки ФР, а также к расплавлению пленки (в случае ФР SU-8), что может приводить к невозможности использования пленки ФР для ФЛ. Однако, с другой стороны, температура сушки должна быть достаточной для того, чтобы обеспечить эффективный уход растворителя из объема микрокапель, формирующих на поверхности подложки пленку (определяется энтальпией испарения, а также температурой кипения входящих в рецептуру ФР растворителей).

После нанесения ФР пленки исследовались на предмет однородности и толщины в оптический микроскоп Centaur U HR (ООО «Нано Скан Технология») с нахождением границ раздела воздух-ФР и ФР-подложка по фокусировке лазерного пятна. Для позитивного ФР осуществлялось проведение лазерной бесшаблонной фотолитографии, благодаря которой возможно создание существенной  дозы воздействия – более 1 кДж/см2, посредством чего возможно осуществление экспонирования толстых пленок ФР.

Результаты исследования

Использование ИК нагревателей в сочетании с послойным нанесением и прогревом каждого формируемого слоя ФР позволяет обеспечить приемлемую однородность по толщине на пластине. Следует учитывать тот факт, что в случае нанесения пленки фоторезиста толщиной более 5 мкм даже на ровную поверхность важную роль на формирование однородной пленки оказывают эффекты перерастворения уже сформированной пленки микрокаплями нового слоя [2]. Ввиду существенности данного эффекта результирующая шероховатость пленки на микро-уровне и в плане однородности по толщине пленки существенно ограничена. Для нивелирования данного эффекта необходимо использование не легко испаряющихся, а сложно испаряющихся растворителей, которые в процессе своего нанесения на уже имеющуюся пленку не приводили бы к образованию существенного рельефа. Также в силу этого же ограничения существует ограничение на предельное разбавление ФР таким растворителем, поскольку в таком случае время его удаления также возрастает и может стать неприемлемым, что, даже при использовании ИК нагрева, не позволит предотвратить перераспределение материала ФР в пленке. В случае же нанесения на развитую поверхность с перепадом высот превышающем толщину пленки необходимо для однородного покрытия пленкой пластины максимально снизить перераспределение метариала ФР, дабы избежать утонения пленки ФР на выступающих краях рельефа [3].

Проведенные эксперименты показали, что высокая скорость нанесения раствора в аэрозольном потоке при неизменной температуре сушки приводит к неполному уходу растворителя из предыдущего слоя, что, в свою очередь, приводит к образованию мест скапливания жидкой фазы ФР и последующему перерастворению уже сформированных слоев с образованием волнообразной структуры [3]. Решить данную проблему можно снизив скорость распыления раствора ФР до значений менее 1 мл/мин, а также путем введения в рецептуру компонент низколетучих растворителей, позволяющих обеспечить эффективный уход растворителя из объема микрокапли.

Эксперименты выявили, что наиболее существенный вклад в формирование однородной пленки при толщине свыше 3 мкм на поверхности подложки вносит именно эффективный прогрев верхнего слоя, обеспечивая тем самым быстрое испарение и удаление растворителя из объема фоторезистивной пленки. При этом каждый нанесенный фоторезистивный слой снижает общую температуру поверхности формируемой пленки при резистивном нагреве снизу и, тем самым, препятствует эффективному испарению растворителя, что приводит к существенному растраву поверхности вновь нанесенного слоя. При этом, увеличение эффективного сечения распылительного сопла и, как следствие, увеличение количества материала, осевшее на подложку в единицу времени при отсутствии эффективного прогрева напыляемых слоев, приводит к образованию волнообразной структуры на поверхности подложки. С другой стороны использование ИК нагрева сверху в совокупности с использованием медленно испаряющегося растворителя решает проблему формирования однородных толстых пленок ФР (свыше 3-5 мкм) и позволяет воспроизводимо формировать подобные пленки на подложках различных типов, пригодные для проведения ФЛ.

2. Pu G., Severtson S. J. Water evaporation on highly viscoelastic polymer surfaces //Langmuir. – 2012. – Т. 28. – №. 26. – С. 10007-10014.

3. N. P. Pham, et al. "Photoresist coating and patterning for through-silicon via technology." Journal of Micromechanics and Microengineering, 18(12), p. 125008, 2008.

Практическая значимость исследования
Практическая значимость полученных в результате экспериментов по аэрозольному распылению растворов ФР на различные подложки заключается в практической применимости разрабатываемого метода аэрозольного распыления для обеспечения равномерного покрытия толстыми пленками ФР поверхностей с развитым рельефом. При этом, разрабатываемый метод распыления, за счет итерационного способа формирования пленки, позволяет обеспечить однородную полостей рельефа без образования характерного мениска. В силу отсутствия высокой скорости распыления, а также благодаря наличию термической обработки пленки в процессе нанесения, существует возможность обеспечения покрытия обеих сторон пластины в едином процессе, т.к. не происходит паразитного подтекания распыляемого раствора под подложку.
Возможность отказаться от операции задубливания после формирования пленки фоторезиста позволяет существенно сократить процесс фотолитографии, а также снизить процент потенциальных ошибок связанных с перегревом слоя, либо недостаточностью времени термической обработки, что также приводит к высокому содержанию остаточного растворителя в объеме пленки.
Возможность покрытия подложек любой геометрической формы, в том числе использование гибких подложек позволяет потенциально внедрить разрабатываемый способ аэрозольного распыления для формирования элементов гибкой электроники, а также прозрачных проводящих покрытий.
В перспективе следует отметить возможно существенное улучшение качества наносимых пленок ФР, а следовательно и качества и разрешающей способности фотолитографии при формировании, в том числе, МЭМС структур.
Работа была выполнена при поддержке гранта Министерства образования и науки Российской Федерации, контракт №14.578.21.0113 (ID RFMEFI57815X0113).