Tekijät: Jenni Karvonen, Tom Nevanpää, Anssi Lindell Päivitetty: 17.11.2008 Aihealue: Fysiikka ja kemia, kokeellinen laboratoriotyö Soveltuvuustaso: Ensisijaisesti yläasteelle ja lukioon, syventävänä työnä 6. luokalle Avainsanat: Mikropiirien valmistus, polymeerit, foto- ja elektronisuihkulitografia, Mooren laki, nanoteknologia Työskentelymuoto: oppilastyö, tutkimustehtävä, projektityö LITOGRAFIA Tässä paketissa tutustutaan kokeellisin keinoin puolijohdeteollisuudessa käytettävään mikropiirien valmistusmenetelmään nimeltä fotolitografia. 1
Sisältö 1. Työohje opettajalle 1.1. Makroskooppista fotolitografiaa piirilevyjen valmistus valotusmenetelmällä 2. Opettajan materiaali 2.1. Johdanto: päteekö Mooren laki ikuisesti? 2.2. Foto- ja elektronisuihkulitografian perusteet 2.3. Fotoresistin kemiaa 3. Yhteys opetussuunnitelmaan 3.1. Vuosiluokat 5.-6. 3.2. Vuosiluokat 7.-9. 3.3. Lukio 4. Lähteet ja kirjallisuus 2
1. TYÖOHJE OPETTAJALLE 1.1. Makroskooppista litografiaa piirilevyjen valmistus valotusmenetelmällä TARVIKKEET 20 OPPILAAN RYHMÄLLE Tarvike Määrä Cu- pinnoitettua piirilevyä sopivan kokoisina paloina 20 Teräsvillaa tai muuta piirilevyn pinnan mekaaniseen puhdistukseen sopivaa Nukkaamatonta kangasta tai paperia kuivaukseen Alkoholia (isopropanoli, sprii) 2dl Valoherkkä lakka (esim. Kontakt Chemie Positiv 20) 1 pullo Paistolevy 1 Lämpömittari paistolevylle (termopari) 1 UV-valon lähde (esim. valohoito- tai elohopealamppu) 1 Fotomaski (esim. kalvot) 1 tai 20 Laimeaa NaOH (valmistusohje alla) Laimeaa HNO 3 (valmistusohje alla) Lasiastioita Pinsettejä Suojahanskoja ja -laseja 20 paria Vetokaappi 1 HUOMIOITA TYÖTURVALLISUUDESTA: - Käytä työn aikana suojahanskoja - Vetokaappi lakkauksen suorittamispaikaksi JÄTTEET: - Valoherkkä lakka on ongelmajätettä. - Työssä tarvittavat NaOH ja HNO 3 voidaan käyttää useamman kerran samassa prosessissa. Hävitettäessä emäs ja hapot neutraloidaan ja kaadetaan runsaan veden kera viemäriin. ENNAKKOVALMISTELU VAIHEET ENNEN TUNTIA: 1. Leikkaa isosta piirilevystä sopivan kokoiset palat maskiin nähden kullekin oppilaalle. 2. NaOH-liuos: m(naoh) = 2 g / V(NaOH) = 2 ml ja V(H 2 O) = 200 ml 3. HNO 3 -liuos: V(HNO 3 ) = 100 ml ja V(H 2 O) = 50 ml NaOH- ja HNO3-liuoksen vahvuudet eivät ole niin tarkkoja. Toleranssi on aika suuri ja väkevyys vaikuttaa lähinnä vaikutusaikaan. 4. UV-valolähteen valmistus halogeenilampusta [1]: - Poista 20W halogeenilampusta suojalasi, joka filtteröi UV-taajuudet pois. - Käytä lamppua lievällä ylijännitteellä, 14-15V. - Valotusetäisyys n.30 cm ja aika n.12 min. Valotuslamppuna voi käyttää mitä vaan UV-valonlähdettä kuten sekavalo-, valohoito-, alppiaurinko-, tai elohopealamppua. Esimerkiksi valohoitolampulla 30 cm etäisyydellä valotusaika on noin 2 minuuttia [1]. 3
TYÖVAIHEET: 0. Laita paistolevy lämpiämään noin 70-100 asteeseen riippuen siitä, paljonko piirilevysi muovipohja kestää lämpöä. 1. Piirilevyn puhdistus: Puhdista piirilevyn palat huolellisesti ensin mekaanisella puhdistuksella, eli esimerkiksi hankaamalla levyn pintaa teräsvillalla, jolloin kuparin luonnollinen oksidikerros poistuu (kuva 1). Viimeistele pinta pyyhkimällä sitä alkoholilla, jonka jälkeen levyä tulisi käsitellä hanskat kädessä sormesta irtoavan rasvan välttämiseksi. Kuva 1. Vasemmalla on oksidoitunutta ja oikealla puhdistettua kuparipinnoitettua piirilevyä. Oikealla oleva pala on leikattu lopulliseen kokoon. 2. Valoherkän lakan levitys: Suorita valoherkän lakan levittäminen hyvin tuuletetussa, mieluiten VETOKAAPISSA, ja hieman hämärässä paikassa. Aseta piirilevy hieman kaltevaan asentoon (kuva 2 vasen) suojapaperin päälle. Suihkuta lakkaa tasainen kerros piirilevylle ja lakkaa täytyy vielä tasoittaa suihkutuksen jälkeen valuttamalla (kuva 2 oikea). Kuva 2. Vasemmalla suihkutetaan valoherkkää lakkaa piirilevylle ja oikealla tasoitetaan lakka valuttamalla. 3. Valoherkän lakan paisto: Tarkista paistolevyn lämpötila. Laita piirilevy paistolevylle ja levyn päälle reilun kokoinen pahvilaatikko suojaamaan valoherkkää lakkaa valolta (kuva3). Paista piirilevyä noin 10 minuuttia. Mitä korkeampaa lämpötilaa käytät, sitä lyhyempi on paistoaika. Paista kuitenkin vähintään 2 minuuttia 100 asteella. 4
Kuva 3. Vasemmalla piirilevy paistolevyllä ja oikealla valolakka suojataan valolta esimerkiksi pahvilaatikolla. 4. Valottaminen: Aseta maski piirilevyn päälle ja tarvittaessa UV-valoa läpipäästävä punnus maskin päälle (esim. käytettäessä kalvoja matala lasiastia, sillä kalvo tahtoo käpristyä valotuksen aikana kuumuudesta) (kuva 4). Valotusaika riippuu lampun tehosta, etäisyydestä ja lakkakerroksen paksuudesta. Esimerkiksi elohopea- tai valohoitolampulla valotusaika on pari minuuttia ja halogeenilampulla reilu 10 minuuttia [1]. UV-VALOVAHINGOITTAA SILMIÄ, joten vältä katsomasta suoraan elohopealampun valoon tai käytä suojalaseja. Valotuksen jälkeen resististä voi jo nähdä himmeästi haluttu kuvio. Kuva 4. Elohopealamppu, lasiastia, kalvosta valmistettu maski ja piirilevy. 5. Kehitys: Laita laimeaa NaOH liuosta sopivan kokoiseen lasiastiaan, jossa piirilevy mahtuu kokonaan nesteeseen. Varaa viereen toinen reilumpi astia ja täytä se vedellä huuhtelua varten. Laita piirilevy NaOH:diin pinseteillä ja odota 1-2 minuuttia levyä hieman heilutellen, jonka aikana kuvio ilmestyy levylle. Huuhtele piirilevy hyvin vedellä ja kuivaa kevyesti nukkaamattomalla kankaalla/paperilla. 5
Kuva 5. Vasemmalla piirilevy on kehitteessä ja oikealla vesiastiassa huuhtoutumassa. 6. Etsaus: Laita laimeaa typpihappoa jälleen piirilevyn kannalta sopivan kokoiseen lasiastiaan ja viereen huuhtelua varten reilunkokoinen vesiastia. Laita piirilevy typpihappoon, joka syövyttää kuparin pois niiltä alueilta, joissa fotoresisti ei suojaa kuparipintaa (kuva 6). Etsauksen aikana typpihappo värjääntyy kuparista vihertäväksi, mutta happoa voi käyttää useamman kerran uudelleen. Kun kaikki kupari on halutuista paikoista etsaantunut, piirilevy huuhdotaan vedellä ja kuivataan kevyesti. 7. Resistin poisto: Viimeisessä vaiheessa ylimääräinen resisti poistetaan pyyhkimällä piirilevyn pintaa alkoholilla esim. spriillä tai isopropanolilla. Valmis tuote on esitetty kuvassa 6. Kuva 6. Vasemmalla piirilevy on etsaantumassa typpihapossa ja oikealla lopullinen tuotos resistin puhdistuksen jälkeen. 6
2. OPETTAJAN MATERIAALI 2.1. Johdanto: päteekö Mooren laki ikuisesti? Litografialla tarkoitetaan yleisesti painomenetelmiä tasaiselle alustalle. Tekniikan kehitti alun perin itävaltalainen Alois Senefelder vuonna 1798 [2] tekstin tai taiteen painamiseen paperille. Menetelmän kehittyneimmät versiot, kuten optinen, elektronisuihku- ja pehmeä litografia, ovat tänä päivänä laajasti käytössä puolijohdeteollisuudessa, nanoteknologiassa ja tutkimuskäytössä. Tähän saakka optisen litografian avulla Mooren laki (1965), jonka mukaan transistorien lukumäärä kaksinkertaistuu mikropiireissä joka toinen vuosi, on pitänyt paikkansa. Tästä eteenpäin teknologian täytyy keksiä uusia valmistusmenetelmiä, jotta kehitys jatkuisi samanlaisena. Teollisuuden vaatimukset tulevaisuuden suhteen voidaan kiteyttää kolmeen osa-alueeseen: pienempää, nopeampaa ja vähemmän energiaa kuluttavaa. Nyt alamme olla optisen litografian suorituskyvyn rajoilla ja uutta korvaavaa menetelmää etsitään kiivaasti. KUVA 7:Transistorien lukumäärän kasvu Intellin prosessoreissa (kuva [2]). 7
2.2. Foto- ja elektronisuihkulitografian perusteet Optinen, eli fotolitografia (photolithography), on yleisesti puolijohdeteollisuudessa käytetty metodi mikropiirien valmistuksessa. Tekniikan ylivoimaisuus teollisuudessa perustuu siihen, että kilpailevaa menetelmää ei ole, toistettavuudella ja laajojen sarjojen valmistamismahdollisuudella. Fotolitografialla saavutetaan helposti 0.5 µm yksinkertaisilla ja alle 0.1 µm viivanleveys edistyneemmillä laitteilla [3]. Prosessi alkaa alustan, eli substraatin (esimerkiksi Si, GaAs tai piirilevy), jolle kuvio halutaan prosessoida, puhdistuksella esimerkiksi asetonia, isopropanolia tai muuta alkoholia ja mekaanista hankausta, ultraääntä tai kemiallista puhdistusprosesseja hyväksikäyttäen. Vaihe on erittäin tärkeä, sillä mitä pienemmistä kuvioista/komponenteista on kyse, sitä herkempiä ne ovat epäpuhtauksille. Puhdistus viimeistellään aina alkoholilla. Olipa valmistuksen kohde minkä kokoinen tahansa, tämän vaiheen jälkeen substraattia ei käsitellä paljailla käsillä likaantumisen takia. Seuraavaksi substraatille levitetään tiettyyn valon aallonpituuteen (UV-valo λ<500nm) kemiallisesti reagoiva, nestemäinen aine, jota kutsutaan fotoresistiksi (kaupallisia merkkejä esim. AZ1514H tai Kontakt Chemie Positiv 20) tai valolakaksi. Substraatin pinnalle halutaan homogeeninen ja ohut, paksuudeltaan sadoista nanometreistä millimetreihin oleva kerros resistiä, joten neste levitetään alustalle laitteella nimeltä spinneri tai yksinkertaisesti suihkuttamalla painepullosta. Spinnerissä ensin levossa olevalle alustalle pipetoidaan resistiä. Tämän jälkeen laite pyörittää alustaa noin 1000-10 000 rpm:n kierrosnopeudella sen keskipisteen ympäri, jonka seurauksena neste muodostaa ohuen, tasaisen kalvon, jonka paksuutta voidaan kontrolloida kierrosnopeuden funktiona. Lopuksi fotoresistin liuotin haihdutetaan pois joko paistamalla substraattia levyllä tai uunissa, jolloin resisti muuttuu kiinteäksi (kuva 8A). KUVA 8: Fotolitografian vaiheet. Positiivisen resistin tapauksessa valotettujen alueiden liukoisuus kehitteeseen paranee ja negatiivisen resistin tapauksessa huononee. 8
Resistin paiston jälkeen on vuorossa valotus UV-valolla (kuva 8 B). Tähän askeleeseen tarvitaan ennalta valmistettu fotomaski, jossa valo pääsee halutuista kohti läpi reagoimaan resistin kanssa ja muualta ei. Maski voi yksinkertaisimmillaan olla printattu kalvo tai teipin pala. Yleensä teollisessa käytössä tarvitaan myös laite nimeltä maskinkohdistin, jonka avulla substraatti ja fotomaski saadaan haluttuun asentoon toisiinsa nähden. Kontaktimoodissa toimivissa maskinkohdistimissa fotomaski ja substraatti tuodaan kiinni toisiinsa. UV-valon lähteenä toimii yleensä elohopealamppu, joten resoluutio on noin 1-2 µm viivanleveydelle ja 1µm kohdistukselle. Edistyneemmissä ja kalliimmissa projektiokohdistimissa käytetään myös linssejä fokusoimaan valoa, jolloin voidaan saavuttaa parempi resoluutio. Kuitenkin valon diffraktio on fotolitografian resoluutiota fundamentaalisti rajoittava ilmiö. Valotuksen jälkeen resisti kehitetään, eli alusta laitetaan kehitteeksi kutsuttuun nestemäiseen liuottimeen, jonka valinta riippuu resististä. Fotoresistiä on kahdenlaista, positiivista ja negatiivista. Positiivisen resistin liukoisuus kehitteeseen kasvaa, kun resistiä on käsitelty UV-valolla (kuva 8C). Negatiivinen resisti toimii vastaavasti juuri päinvastoin, eli sen liukoisuus vähenee kehitteeseen. Resistien kemiasta on kerrottu lisää seuraavassa luvussa 2.3. Fotoresistin kemiaa. Kehityksen jälkeen substraattista huuhdellaan vielä ylimääräinen kehite pois ja se kuivataan puhaltamalla esimerkiksi typpikaasulla tai nukkaamattomalla kankaalla/paperilla. Edellä kuvattujen vaiheiden jälkeen voidaan substraattia jatkokäsitellä halutuilla prosesseilla. Substraattia voidaan joko poistaa, eli etsata, tai substraatille voidaan lisätä muita aineita esimerkiksi höyrystämällä tai sähkökemiallisesti (kuva 9). Höyrystyksen/etsauksen jälkeen poistetaan ylimääräinen resisti liuottimella ja tätä vaihetta kutsutaan lift off:ksi. Etsauksen jälkeen voidaan myös höyrystää materiaaleja etsattuihin koloihin. KUVA 9: Fotolitografian avulla substraattia voidaan käsitellä eri tavoin poistamalla (A) ja lisäämällä materiaaleja (B). 9
Elektronisuihkulitografia (e-beam lithography) koostuu samanlaisista vaiheista kuin edellä kuvattu optinen litografia. Suurin ero periaatteellisesti näiden kahden tekniikan välillä on, että elektronisuihkulitografiassa resisti reagoi elektronisuihkuun. Tällä tekniikalla valmistetaan yksittäiskappaleita, mutta huomattavasti pienemmällä resoluutiolla. Näin ollen se on huomattavasti kalliimpi tekniikka ja sitä käytetään lähinnä tutkimuksessa ja kehitystyössä. 2.3. Fotoresistin kemiaa Resistien toiminta litografiassa perustuu siihen, että resisti reagoi kemiallisesti valon (tai elektronisuihkun) vaikutuksesta siten, että sen liukoisuus kehitteeseen joko voimistuu (positiivinen) tai heikkenee (negatiivinen) lokaalisti. Resistillä on myös toinen tehtävä, sillä sen täytyy olla reagoimaton ja suojata alla olevaa piirilevyä seuraavissa valmistusvaiheissa kuten etsauksissa, metalloinneissa, ioni-implantaatiossa jne. Resistien reagoiminen valoon perustuu polymeerireaktioihin ja resistien kehittäminen on edelleen polymeerikemian keskeinen ja aktiivinen osa-alue. Fotoresistien kehitys alkoi 1970-luvulla [3] negatiivisista resisteistä. Tästä resistityypistä käydään läpi kaksi esimerkkiä, joista toisessa tapahtuu polyadditio- ja toisessa polykondensaatioreaktio. Kuvassa 10 on esitetty polyadditioreaktio, jossa resistiin on lisätty polymeerin lisäksi valoon reagoivaa molekyyliä, jonka päissä on kaksi atsidiryhmää. Valon vaikutuksesta atsidiryhmät muuttuvat erittäin reaktiivisiksi nitreeniksi, joka reagoi vastaavasti polymeerin kanssa monella eri tavalla. Yleisin reaktio, atsiraani renkaanmuodostus, on esitetty kuvassa 10 [4]. Reaktion eteneminen luonnollisesti johtaa polymeerien ristiin linkittymiseen, jolloin loppujen lopuksi valotetut kohdat liukenevat kehitteeseen huonosti. Kuva 10. Atsidi muuttuu valon vaikutuksesta reaktiiviseksi nitreeniksi, joka reagoi polymeerin kanssa muodostaen kehitteeseen huonosti liukenevan polymeeriverkoston ja kaasumaista N 2 :sta. Kuva [4]. Kuvassa 11 on esitetty polyvinyylialkoholin ja kanelihapon happokloridin esteröinti valon vaikutuksesta, jolloin lopputuotteena on jälleen kehitteeseen huonosti liukeneva polyvinyylisinnamaatti (=kanelihapon polyvinyyliesteri, poly(vinyl cinnamate)) ja kaasumainen HCl [4] 10
Kuva 11. Polyvinyylialkoholin ja kanelihapon happokloridin esteröintireaktio, joka jatkuu vielä polyvinyylisinnamaatin ristiin linkittymisellä. Kuva [4]. Positiivisten resistien pohjana on usein Novolak-polymeeri ja pieni määrä valoherkkää diatsonaftakinonia [3,4], joka muuttuu valon vaikutuksesta karboksyylihapoksi fotokemiallisen Wolfin uudelleenjärjestäytymisreaktion kautta (kuva 7 [4]). Karboksyylihappo lisää Novolakpolymeerin liukoisuutta emäksiseen kehitteeseen usealla kertaluokalla, mutta syytä liukoisuuden dramaattiseen lisääntymiseen ei vielä tunneta tarkasti [4]. Kuva 7. Yllä Novolak-polymeerin monomeeri ja alla diatsonaftakinonin reaktio valon kanssa, jolloin muodostuu kehitteeseen hyvin liukenevaa karboksyylihappoa. Kuva [4]. 11
3. YHTEYS OPETUSSUUNNITELMAAN 3.1. Vuosiluokat 5-6 Ala-asteen fysiikka ja kemia keskittyy oppilaan lähiympäristöön ja pohjautuu vahvasti havainnointiin ja kokeelliseen lähestymistapaan. Opetussuunnitelmassa painotetaan esimerkiksi seuraavaa: Oppilas oppii elinympäristöön kuuluvien aineiden ja tuotteiden alkuperä, käyttö ja kierrätys sekä niiden turvallinen käyttö.. Tietotekniikka on nykyään jokapäiväistä arkea lähes kaikille tämän ikäisille lapsille sukupuoleen katsomatta. Näin ollen mikropiirien valmistusmenetelmän tunteminen ja nanoteknologian esitteleminen tarjoaa teknologiakasvatusta erittäin ajankohtaisesta tieteenalasta, josta kumpuaa entistä enemmän sovelluksia jo kuluttajillekin. Työ innostaa myös oppilaita fysiikan ja kemian opintoihin nyt ja jatkossa sen ajankohtaisen luonteen takia. Työskentelymuoto: Oppilastyö Suoritusaika kokeellisessa osuudessa: 3 oppituntia 3.2. Vuosiluokat 7-9 Sekä fysiikan että kemian osalta opetussuunnitelmassa painotetaan nykyaikaisten teknologioiden esittelyä ja tuntemusta sekä kykyä arvioida niiden vaikutusta ihmiseen, ympäristöön ja yhteiskuntaan. Oppilaan tulisi saada ajankohtaista tietoa, jotta hän voisi muodostaa ajan hermolla olevan maailmankuvan ja elää vastuuntuntoisena ja asiantunteva kuluttajana. Litografia-työ palvelee hyvin edellä mainittuja tavoitteita teknologiakasvatuksen ja tieteen uusimpien saavutuksien laaja-alaisten vaikutuksien arvioinnin osalta. Työ sopii esimerkiksi seuraavien aihekokonaisuuksien yhteyteen: Fysiikka - Kokeelliset työskentelytaidot - Virtapiirit ja elektroniset peruskomponentit Kemia - Kokeelliset työskentelytaidot - Yhdisteiden rakenne ja polymeerit - Raaka-aineet ja tuotteet Työskentelymuoto: Oppilastyö, tutkimustehtävä Suoritusaika kokeellisessa osuudessa: 2 oppituntia 3.3. Lukio Lukion fysiikan ja kemian opinnoissa painotetaan entistä voimakkaammin oppilaan kasvua tiedostavaksi ja ajanhermolla olevaksi kansalaiseksi. Teemoissa korostuu ihmisten ja ympäristön hyvinvointi ja turvallisuus sekä teknologia yhteiskunnassamme. Nanotieteen perusasioiden, kuten valmistusmenetelmien, esittely koulussa on ehdoton edellytys, että oppilas osaa nyt ja tulevaisuudessa arvioida oikeissa mittasuhteissa nanosovellusten vaikutuksen itseensä ja ympäristöön. Oppilaan tulee myös osata arvioida kriittisesti valtamedioiden ja kaupallisen alan antamaa tietoa kaupallisista nanomittakaavan sovelluksista. 12
Fysiikka - Kokeellinen työskentely - Sähkö (FY6): elektroniikan komponenttien valmistus - Aine ja säteily (FY8): sähkömagneettinen säteily käyttö työkaluna ja sen rajoitukset nanosovelluksissa. Kemia - Kokeellinen työskentely - Ihmisen ja elinympäristön kemia (KE1): orgaanisten yhdisteiden sovellukset - Reaktiot ja energia (KE3): kemian käyttö teknologiateollisuudessa ja orgaanisten yhdisteiden reaktiomekanismeja. - Metallit ja materiaalit (KE4): polymeerit Työskentelymuoto: Oppilastyö, tutkimustehtävä, projektityö Suoritusaika kokeellisessa osuudessa: 2 oppituntia 4. LÄHTEET JA KIRJALLISUUS [1] Piirilevyn valmistus valotusmenetelmällä, Kouluelektroniikka Oy, www.kouluelektroniikka.fi [2] http://fi.wikipedia.org [3] A.N. Cleland, Foundations of Nanomechanics [4] S. Franssila, Introduction to Microfabrication [5] http://chem.chem.rochester.edu/~chem421/polymod2.htm 13