Zusammenfassung

In vielen Bereichen der Mikrostrukturtechnik werden DNQ-Novolak-Photoresists für dünne Schichten von einigen Mikrometern Dicke verwendet. Oftmals werden Simulationsprogramme eingesetzt, um die Herstellungsprozesse zu planen und zu optimieren. Diese Simulationsprogramme lassen sich nicht auf die Dickschichtlithographie übertragen, da sie die Strukturentstehung dicker Schichten von mehreren Zehn Mikrometern nicht ausreichend genau beschreiben.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein Simulationsprogramm zur Beschreibung des Strukturprofils bei großen Strukturhöhen mit DNQ-Novolak-Resist AZ4562 entwickelt. Das Programm simuliert nicht nur den Entwicklungsverlauf, sondern auch den Belichtungsvorgang sowie den Trocknungsverlauf des Resists. Es ermöglicht damit erstmalig, Strukturprofile dicker Photoresistschichten bis zu 100µm Schichtdicke zu simulieren. Die nötigen Parameter im Modell zur Beschreibung der chemischen und physikalischen Vorgänge bei der optischen Lithographie wurden in Experimenten und aus der Literatur ermittelt. Darüberhinaus wurde das Modell zur Beschreibung der Entwicklungsrate so erweitert, daß der Einfluß des Restlösemittels nach dem Trocknen berücksichtigt wird.

Die aus dem Bereich der Trocknungstechnik bekannte Theorie zur Trocknung lösemittelfeuchter Polymere wurde auf das Photoresistsystem übertragen. Das Modell beschreibt den Trockungsprozeß durch drei Teilprozesse: Diffusion des Lösungsmittels im Resist, Phasenübergang an der Grenzfläche und Stofftransport in der Gasphase. Mit dieser Berechnungsmethode der Trocknung angewandt auf dieses Resistsystem lassen sich die Konzentrationsprofile des Lösungsmittels im Resist nach der Trocknung berechnen.

Die Zersetzung der photoaktiven Komponente durch das Belichten wurde mit dem Dillschen Modell beschrieben. Die ABC-Parameter des Modells wurden experimentell durch Transmissionsmessungen bestimmt. Das Restlösemittel wirkt sich nicht auf die ABC-Parameter aus.

Während die Verteilung des Lösemittels im Resist als eindimensional angesehen wird, muß die Verteilung der photoaktiven Komponente auf Grund der Beugung an der Maskenkante zweidimensional berechnet werden. Hierzu wurde eine vereinfachte Formel verwendet, in der eine exponentiell abfallende Lichtintensität angenommen wird; die Wellenlänge und der Proximity-Abstand gehen als weitere Parameter in die Berechnung ein. Zusammen mit den ABC-Parametern ergibt sich nun die zweidimensionale Verteilung der photoaktiven Komponente im Resist mit der Belichtungsdosis als wesentlicher Parameter für die Entwicklungssimulation.

Die Entwicklungsrate wurde experimentell als Funktion der Restlösemittelkonzentration und der Konzentration der photoaktiven Komponente durch Interferenzmessungen bestimmt. Als weitere Parameter wurden die Entwicklerkonzentration und die Entwicklertemperatur variiert. Um die Ergebnisse der Messungen mathematisch zu beschreiben, wurde die Perkolationstheorie herangezogen und um den Einfluß der Lösemittelkonzentration erweitert. Die photoaktive Komponente DNQ, ihr Zersetzungsprodukt ICA und das Lösemittel tragen in dem Modell additiv zum Perkolationsparameter bei.

Das erarbeitete Simulationsprogramm errechnet in guter Übereinstimmung mit den Experimenten die Strukturentstehung für das Resisttyp AZ4562. Die Implementierung für alle Teilschritte Trocknung, Belichtung und Entwicklung erfolgte auf einem PC.

Simulation of Structure Profiles in Optical Lithography of thick DNQ-Novolak based Photoresists

Abstract

For the manufacture of microstructures the optical lithography represents a cost-efficient method. DNQ-Novolak-Photoresists are applied in many fields of micro structure technology for thin layers of a few microns thickness. Simulation programmes are often used in order to optimize and plan manufacturing processes. These programmes can’t be used for thick layer lithography because the calculation of structure formation are not accurate enough beyond ten microns thickness.

In the course of this work a simulation program has been developed to describe structure profile by using DNQ-Novolak-Resist. This programme simulates drying, exposure and development process for thick photoresists. It‘s now possible to calculate the structure profiles for thick photoresist layers up to 100 µm thickness. The many necessary process parameters to describe chemical and physical procedures in the optical lithography were appropriated through many experiments. The model to describe the development process was extended considering residual solvent influence in the resists after drying process.

State of the art of drying technology was applied to photoresistsystem AZ4562. The theory of drying processes can be divided into three parts: diffusion of solvents in the polymer, phase equilibrium and mass transfer in the gas phase. By using this model of resist drying the profiles of the solvent concentration can be caculated for any given drying conditions. The distribution of residual solvents in photoresist can be regarded as one-dimensional.

The decomposition of photoactive compound (pac) is described by Dill’s Model. The model’s ABC-Parameter were determined by transmission measurements. Residual solvent has no influence on the ABC-Parameters.

Because of the diffraction of light at the edge of the mask the pac distribution has to be calculated two-dimensionally. A simplified equation was applied considering an exponentially decreasing light intensity providing the wavelength and the proximity distance as parameters. By using ABC-parameters of Dill’s Model the two-dimensional pac distribution being essential for the development simulation can be calculated.

Finally a development rate function is required for the simulation of the structure profile which takes the residual solvent and pac into account. Therefore quantitative course of the development rate was measured by an interference method. Furthermore the developer’s temperature and the developer’s concentration were varied. For the mathematical description of the development rate percolation theory was used. The pac, the decomposition product ICA and the residual solvent all contribute to the percolation parameter.

Up to now the acquired knowledge is adequate in order to simulate the structure formation with photoresist AZ4562. All necessary steps of drying, exposure and development were implemented on a personal computer.