Protokoll_Fotolithographie

JLU Gießen WS 2010/2011Fortgeschrittenenpraktikum Teil I

Protokoll zur Fotolithographie

Daniel [email protected]

Benjamin [email protected]

20. Dezember 2010

Betreut durch Sabrina Darmawi

Inhaltsverzeichnis

1 Motivation und Grundlagen 3

1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2 Verwendete Materialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.3 Fotomaske . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.4 Bedampfungsanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2 Durchführung des Versuchs 5

2.1 Vorbereitung der Proben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.2 Aufbringen des Fotolacks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.3 Belichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.4 Entwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.5 Bedampfung und Lift-Off . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

3 Auswertung 7

3.1 Inspektion nach der Entwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73.1.1 Wafer B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73.1.2 Wafer C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

3.2 Inspektion nach Bedampfen und Lift-Off . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93.2.1 Wafer B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93.2.2 Wafer C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.3 Bildfehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113.4 Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

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WS 10/11 Fotolithographie 20.12.2010

1 Motivation und Grundlagen

1.1 Motivation

Ursprüngliches Ziel des Versuchs war es, die Auswirkung einer unterschiedlichen Belich-tungszeit auf das Auflösungsvermögen zu ermitteln. Im Laufe des Versuchs trat jedoch, wieschon bereits bei anderen Gruppen auch, das Phänomen auf, dass der Fotolack beim Aufbrin-gen auf den Wafer einmal haften blieb und einmal abperlte. Daraufhin wurde das Ziel dahin-gehend geändert, dass beide möglichst gleichen Bedingungen unterworfen werden sollten, umdie Auswirkungen des Abperlens zu untersuchen.

1.2 Verwendete Materialien

Der Versuch lief durchgehend unter Reinraumbedingungen ab. Der Prozessschritt des Be-dampfens und des anschließenden Lift-Offs wurde in einem Reinraum der ISO-Klasse 7 nachDIN EN ISO 14644-1 durchgeführt. Alle anderen Schritte wurden in einem Reinraum derISO-Klasse 6 der selben Norm durchgeführt. Dieser Raum ist gelb beleuchtet, um ungewollteBelichtung des Wafers durch das Arbeitslicht zu verhindern und wird auf Grund dessen auch»Gelbraum« genannt.Als Substrat dienten einseitig polierte Siliziumwafer, welche eine Dicke von 256 bis 306 Na-nometer und einen Durchmesser von 2"±0,015"hatten. Des weiteren wiesen die Wafer Ober-flächenorientierung von (1 0 0) auf.Als Primer wurde der Haftvermittler Microposit verwendet. Der Fotolack trug die Bezeich-nung MA-P1215 und gehört in die Gruppe der Positive-Resists. Dies bedeutet, dass der be-lichtete Teil des Fotolacks bei der Entwicklung abgelöst wird. Die verwendete Entwicklungs-flüssigkeit trug die Bezeichnung ma-D 331.Für die endgültige Struktur wurde Aluminium zum Aufdampfen verwendet, welches eineDichte von 2,7 g

cm3 besitzt.

1.3 Fotomaske

Um Auflösungstests durchzuführen, eignen sich in der Fotolithografie fingerartige Strukturen,da diese eine Vielzahl konkaver und konvexer Ecken bietet. In diesem Versuch wurde die Fo-tomaske TH_20070723_002 verwendet. Die Fotomaske besteht aus einer lichtdurchlässigenGlasscheibe, auf welche mittels Elektronenstrahllithographie die Teststruktur aus Chrom auf-gebracht wurde.

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Abbildung 1.1: Fotomaske TH 20070723 002.Schwarze Flächen sind Chrom.

Die Strukturen auf der Maske sind in ein-zelne Gruppen eingeteilt und innerhalb derGruppen von 1 bis 6 durchnummeriert. DieMaske enthält die Gruppen 2 (größte Struk-turen) bis Gruppe 9 (kleinste Strukturen).Die Linienbreiten der jeweiligen Struktur 1in der Gruppe i beträgt 2−(i+1)mm. Innerhalbeiner Gruppe ist die Struktur j gegenüber derStruktur (j-1) um den Faktor 6

√2 verkleinert.

Insgesamt ergibt sich also für die Auflösungder Struktur j in der Gruppe i folgende For-mel:

A(i, j) = 2−(i+1) · 16√

2j−1 mm (1.1)

Diese Nomenklatur wurde erstmals 1951 von der US Airforce verwendet [1].

1.4 Bedampfungsanlage

Das Bedampfen der Wafer erfolgt im Vakuum, um unerwünschte Reaktionen, insbesonde-re die Oxidation des Schiffchens, in dem das gewünschte Metall verdampft wird sowie diedes Metalls selbst, zu vermeiden. Zur Erzeugung des gewünschten Vakuums wird der Druckzunächst über eine mechanische Pumpe verringert, danach wird die Vorpumpe aus und eineTurbopumpe eingeschaltet, welche den Druck nochmals deutlich verringert. Nun wird das ge-wünschte Metall im Wolfram-Schiffchen verdampft, indem durch dieses ein Strom von bis zu30A fließt. Die Schichtdickenbestimmung auf den Wafern erfolgte über einen Schwingquarz.

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2 Durchführung des Versuchs

Sämtliche Schritte wurden für beide Wafer einzeln, jeweils nacheinander durchgeführt.

Si-Substrat

Maske

negativ positiv

Coating

Belitung

Entwilung

Bedampfung

Li-Off

Photoresist

Abbildung 2.1: Schematischer Ablauf

2.1 Vorbereitung der Proben

Zunächst wurden die drei Siliziumwafer und ihre Aufbewahrungsboxen mit einer Stickstoff-pistole gereinigt. Im Anschluss erfolgte ein Backvorgang der Wafer auf einer 175 °C heißenHeizplatte. Dies hatte das Ziel, die Wafer möglichst vollständig zu dehydrieren.

2.2 Aufbringen des Fotolacks

Anschließend wurde der Wafer auf den Spin-Coater gelegt und als Primer der HaftvermittlerMicroposit aufgebracht. Dieser Schritt dient dazu, die polare Oberfläche des Wafers in eineunpolare zu verwandeln, damit der Fotolack besser haftet. Es wurden dafür 750 µl des Primersmit Hilfe einer Eppendorf-Pipette aufgebracht, welcher zum Einwirken 30s dort verblieb. Da-nach wurden die Reste 3s lang auf dem Spin-Coater bei 3000 U/min abgeschleudert, wobei

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die Ramp-Up-Zeit ebenfalls 3s betrug.Anschließend wurde der Wafer 60s lang bei 98°C gebacken, bevor 750 µl des Fotolacks MA-P1215 aufgebracht wurden. Hierbei war es wichtig darauf zu achten, dass sich keine Luftbla-sen in der aufgebrachten Flüssigkeit befanden. Bei Wafer C perlte der Fotolack hierbei vonder Oberfläche ab, was vermutlich darauf zurückzuführen ist, dass der Primer vorher nichtkorrekt aufgebracht wurde, indem z.B. die Einwirkzeit zu kurz war. Danach erfolgte ein wei-teres Spin-Coating für 30s, bei ebenfalls 3000 U/min und einer Ramp-Up-Zeit von 3s. Diesführt nach Datenblatt [2] zu einer Schichtdicke von 1,5 ± 0.1 µm. Abschließend wurde derWafer noch einmal für 90s bei 98°C gebacken, um den Fotolack auszuhärten.

2.3 Belichtung

Zur Belichtung wurde ein Maskaligner MA56 verwendet. Dessen Lichtquelle ist eine Quecksilber-Hochdrucklampe. Belichtet wurde jeweils 8s lang, bei einer Luftfeuchte von 15,3 %. Die In-tensität der Lampe betrug 6,5 mW

cm2 bei 365nm und 11,7 mWcm2 bei 405nm Wellenlänge.

2.4 Entwicklung

Nach der Belichtung wurden die Wafer entwickelt. Dabei wurden diese für eine gewisse Zeitin dem Entwickler geschwenkt und die Entwicklung anschließend mit Wasser gestoppt. UmSchlierenbildung zu vermeiden, wurde möglichst "nass in nass"gearbeitet und die Proben an-schließend möglichst schnell mit Stickstoff trocken geblasen. Wafer B verbrachte 62s im Ent-wicklerbad, Wafer C wurde in zwei Schritten, erst 34s dann 14s lang, entwickelt. Anschließendfolgte eine erste Begutachtung der Wafer unter einem HAL 100 Lichtmikroskop.

2.5 Bedampfung und Lift-O�

Der vorletzte Schritt ist der der Bedampfung. Hierzu wurden die Wafer in die Vakuuman-lage eingebaut und anschließend gewartet, bis das Vakuum in der Kammer hergestellt war.Nun wurden die Wafer mit einer Rate von 10 nm

s mit Aluminium bedampft. Die resultierendeSchichtdicke betrug 62nm. Abschließend erfolgte der Lift-Off in einem Acetonbad. Dieseswar ungefähr 1cm hoch gefüllt und wurde zur Beschleunigung des Vorgangs in ein 50°C war-mes Ultraschallbad gestellt. Nachdem sich keine größeren Stücke mehr vom Wafer lösten,wurden die Wafer dem Bad entnommen, mit Isopropanol abgespült und wiederum trockengeblasen. Bei Wafer C ergaben gravierende Probleme im Ultraschallbad: Der Fotolack löstesich nicht gut vom Wafer ab, weshalb die Probe deutlich länger als üblich im Ultraschallbadverlieb. Dies führte jedoch dazu, dass sich auch das Aluminium auf dem Wafer teilweise löste,wodurch Teile der Probe zerstört wurden. Anschließend erfolgte die abschließende Begutach-tung der Wafer unter dem Mikroskop.

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3 Auswertung

3.1 Inspektion nach der Entwicklung

3.1.1 Wafer B

Abbildung 3.1: Wafer B bei 50-facher Vergrößerung

Wie in Abbildung 3.1 zu erkennen, ist die kleinste noch gut erkennbare Struktur die Grup-pe 8-3. Die Gruppen 8-4 und kleiner sind noch zu erkennen, laufen aber bereits ineinander.Gruppe 9 ist sichtbar, aber schon stark fehlerhaft ausgebildet. Damit ergibt sich die Auflösungnach der Formel 1.3 zu 1,5 µm.

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3.1.2 Wafer C

Abbildung 3.2: Wafer C bei 100-facher Vergrößerung

Leider ist das Bild 3.2 absolut unterbelichtet, was die Bestimmung der Auflösung erschwert.Die kleinste noch aufgelöste Struktur scheint die Gruppe 8-2 zu sein, was einer Auflösung von1,74 µm entspräche.

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3.2 Inspektion nach Bedampfen und Lift-O�

3.2.1 Wafer B

Abbildung 3.3: Wafer B bei 50-facher Vergrößerung

Wie man an Bild 3.3 sieht, ist die kleinste noch einzeln aufgelöste Struktur die Gruppe 8-2.Das entspricht einer Untergruppe größer als noch vor dem Bedampfen und der Änderung derAuflösung von 1,55 µm auf 1,74 µm. Die restlichen Gruppen 8-3 und kleiner sowie 9 sind zwarnoch zu erkennen, aber entweder laufen die Linien ineinander, oder Teile von ihnen fehlen.

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3.2.2 Wafer C

Abbildung 3.4: Wafer C bei 50-facher Vergrößerung

Die kleinste noch erkennbare Struktur bei Wafer C ist nach Bild 3.4 die Gruppe 8-3. Allekleineren Strukturen fehlen nahezu vollständig. Das entspricht einer Auflösung von 1,55 µm.

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3.3 Bildfehler

Nach dem Entwickeln ließen sich einige Bildfehler feststellen, welche über den ganzen Waferverteilt waren.

(a) Kreise (b) Schlieren und Kreise

Abbildung 3.5: Bildfehler Wafer B

Auf Wafer B waren einige kreisförmig angeordnete Kugeln zu finden. Am Rand des Wafers,am Grenzbereich der Fotomaske, waren überall vertikale Schlieren zu finden.

(a) Schlieren (b) Kreisförmige Kratzer

Abbildung 3.6: Bildfehler Wafer C

Auf Wafer C ließen sich die kreisförmigen Strukturen nicht finden. Dafür waren die Schlie-ren über den ganzen Wafer verteilt und stärker ausgeprägt. Zusätzlich waren kreisförmigeKrater zu finden, hauptsächlich in dem linken oberen Bereich.

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Abbildung 3.7: Abgelöste Aluminiumschicht bei Wafer C

An Abbildung 3.7 sieht man sehr schön, wie besonders am Rand große Stücke des aufge-dampften Aluminiums beim Lift-Off entfernt wurden.

3.4 Fazit

Bei beiden Wafern erfolgte die Strukturierung mit nahezu den selben Parametern. Unterschie-de gab es in der Entwicklungszeit (Wafer B: 62s, Wafer C: 48s) und bei der Zeitdauer imAcetonbad während des Lift-Offs. Daher sollte sich auch für beide in etwa dieselbe Auflösungergeben. Da für Wafer C leider keine guten Aufnahmen nach dem Entwickeln vorliegen undbeim Lift-Off an einigen Stellen schon wieder Teile der Aluminiumstruktur entfernt wurden,ist es effektiv nicht möglich, Aussagen über das Auflösungsvermögen aufzustellen. Interessantwäre es zu klären, ob das Ablösen des Aluminiums durch zu langes Verweilen im Acetonbadverursacht wurde, oder ob ein Zusammenhang mit dem Abperlen des Fotoresists besteht. Dielange Verweildauer von Wafer C im Lift-Off-Bad war nötig, da sich zunächst nur sehr lang-sam überhaupt etwas löste. Zunächst scheint das Abperlen des Fotoresists im Widerspruchzum schweren Löseverhalten zu stehen. Falls das Abperlen jedoch wirklich auf ein falsches

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Aufbringen des Primers zurückzuführen ist, könnte der Fotolack aufgrund fehlender Haftungsequenziell nur sehr dünn aufgetragen worden sein, auch wenn Wafer C nach dem Aufbrin-gen des Fotolacks rein optisch nicht von Wafer B zu unterscheiden war. Diese sehr dünneFotolackschicht könnte wiederum dazu führen, dass es dem Lösemittel während des Lift-Offsnicht gelang, an diesen Stellen unter das Metall vorzudringen und den Fotolack zu lösen. Viel-leicht bestand durch die sehr dünne Fotolackschicht auch an einigen Stellen direkter Kontaktzwischen Metall und Wafer. Jedoch sind all dies nur hypothetische Überlegungen, welche inweiteren Untersuchungen konkretisiert bzw. widerlegt werden müssten.

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Abbildungsverzeichnis

1.1 Fotomaske TH 20070723 002. Schwarze Flächen sind Chrom. . . . . . . . . 4

2.1 Schematischer Ablauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

3.1 Wafer B bei 50-facher Vergrößerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73.2 Wafer C bei 100-facher Vergrößerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83.3 Wafer B bei 50-facher Vergrößerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93.4 Wafer C bei 50-facher Vergrößerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103.5 Bildfehler Wafer B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113.6 Bildfehler Wafer C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113.7 Abgelöste Aluminiumschicht bei Wafer C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

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Literaturverzeichnis

[1] [4]_F-Praktikum-Fotolithografie-lang.pdf

[2] ProcessingGuidelinesMicroresist_ma-P1200Series.pdf

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