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Capítulo 3: Fotolitografía

Proyecto Fin de Carrera: Tecnologías y Procesos de fabricación de microsistemas Capítulo 3: Fotolitografía

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3. FOTOLITOGRAFÍA

3.1 Introducción Para realizar la fotolitografía, además de conocer los pasos que constituyen el proceso fotolitográfico se necesita elegir adecuadamente materiales básicos como el material substrato (oblea de silicio), la resina y el fotolito o máscara a utilizar. En este capítulo se exponen los fundamentos en los que nos basaremos para la elección del tipo de resina y máscara; la teoría de cada uno de los pasos del proceso fotolitográfico y los parámetros más relevantes de cada uno de ellos.

3.2 Máscaras La plantilla usada para generar repetitivamente un modelo deseado sobre obleas que poseen una fina película de resina se denomina máscara. La polaridad de la máscara define si esta es de campo claro (usada con resina negativa) o de campo oscuro (usada con resina positiva). La máscara se coloca directamente sobre la superficie de la oblea que posee la capa de resina y el conjunto es expuesto a radiación UV. La luz UV cambia la composición de la resina sobre la que incide.

Figura 3. Máscaras


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3.3 Resina Las componentes principales de una fotorresina son tres: un polímero (resina base), un sensibilizador (también llamado inhibidor), y un solvente. El polímero cambia su estructura cuando es expuesto a una radiación; el solvente permite su aplicación y formación de un fina película sobre la superficie de la oblea; los sensibilizadores controlan las reacciones fotoquímicas en la fase polimérica.

Existen dos tipos de fotorresinas:

Fotorresina positiva - La solubilidad en un solvente, llamado revelador, de las regiones

expuestas a la radiación es mucho mayor que para la región no expuesta.

- Produce una imagen positiva de la máscara.

Fotorresina negativa - La solubilidad en el revelador, de la región expuesta a la radiación es

mucho menor que para la región no expuesta. - Produce una imagen negativa de la máscara.

Figura 4. Tipos de fotorresina


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Tabla 1. Comparación fotorresina positiva y negativa

Propiedad Fotorresina Positiva Fotorresina Negativa Resolución Alta Baja (>1 µm) Revelador Sensible a la temperatura (-) Insensible a la temperatura (+)

Tipo de máscara Campo oscuro: baja en defectos Campo claro: mayores defectos Aclarado En agua (+) En disolvente (n-butilacetato)(-)

Coste Más cara Más barata Velocidad de

revelado 3 o 4 veces más rápido

Adherencia Mejor Ambiente En aire (+) En nitrógeno (-)

Eliminador En acetona (+) En disolvente (metiletilcetona) (-)


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3.4 Limpieza previa La etapa de limpieza previa es tan importante como las demás. El objetivo de la limpieza es eliminar los contaminantes de la superficie de la oblea que puedan suponer carga fija o móvil al añadir la fotorresina.

3.4.1 Contaminantes típicos que deben ser eliminados previa a la deposición de la resina Cuando se va proceder a la deposición de la resina, previamente es necesario eliminar una serie de contaminantes que podemos encontrarnos sobre la superficie del substrato que deseamos mecanizar. Algunos de estos contaminantes son:

Polvo de mecanizado (minimizado mediante mecanizado láser) Polvo del ambiente (minimizado con un uso adecuado de la Sala Blanca) Partículas abrasivas Hilos de paños (minimizado con el uso de paños libre de hilos) Residuos de fotorresina procedente de fotolitografías previas (minimizado por

la combustión del plasma de oxígeno) Bacterias (minimizado por un buen sistema de agua DI) Películas de otras fuentes:

- Residuos de solventes - Residuos de agua - Residuos de fotorresinas o reveladores - Aceite - Silicona

3.4.2 Desgrasado estándar Es habitual que las obleas contengan algo de grasa por mínima que sea. Para eliminarla es necesario seguir una serie de pasos: Sumergir en acetona durante 2-5 min. con agitación por ultrasonidos. Sumergir en metanol durante 2-5 min. con agitación por ultrasonidos. Sumergir en agua DI durante 2-5 min. con agitación por ultrasonidos. Enjuagar bajo un flujo continuo de agua DI durante 30s.


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Secado de las obleas por fuerza centrífuga; Flujo de N2 para secar herramientas.

3.4.3 Eliminación de manchas de grasa, aceite o cera especialmente molestas Si la grasa que contiene la oblea es más persistente, el desgrasado estándar por si solo no resulta efectivo, hay que proceder a una limpieza más severa. Para ello, antes del desgrasado estándar hay que: Empezar sumergiendo durante 2-5 min. en 1,1,1-tricloroetano (TCA) o tricloroetileno (TCE) con agitación ultrasónica previa a la acetona.

3.4.4 RCA Los contaminantes presentes en la superficie de obleas de silicio al comienzo de un proceso, o acumulados durante el proceso, tienen que ser eliminados en los pasos de procesos específicos para obtener alto rendimiento y alta fiabilidad del resultado final, y para prevenir la contaminación del equipo de proceso. La limpieza RCA es un tipo de limpieza muy extendido que se realiza comúnmente en una sala blanca. Si se parte de una oblea de silicio nueva que esta fuera de la caja, el proceso de limpieza RCA consta de tres pasos que se llevan a cabo secuencialmente:

Eliminación de contaminantes orgánicos insolubles con una solución compuesta por H2O: NH4OH (29%): H2O2 (30% no estabilizada) en proporciones (5:1:1). RCA 1. La oblea debe introducirse en el baño a 75-80 ºC durante 10 min. Este paso es crítico ya que la solución se empobrece en H2O2 y el NH4OH ataca de forma anisótropa al silicio. Para evitar que esto ocurra, la solución debe ser siempre fresca y su temperatura no debe superar los 80 ºC.

Eliminación de una fina capa de óxido de silicio donde los contaminantes

metálicos pueden haberse acumulado como resultado de la reacción provocada por la solución anterior usando una solución de ácido fluorhídrico diluida. Este baño de HF esta formado por H2O: HF (49%) en proporciones (50:1). RCA 2. La oblea permanece en el baño 15 s. Este paso no es necesario si la oblea esta originalmente cubierta de óxido no nativo.


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Desorción de contaminantes atómicos e iónicos residuales usando una solución de H2O: H2O2: HCl (37% p/p) en proporciones (6:1:1). RCA 3. La oblea debe introducirse en el baño a 75-80 ºC durante 10 min. La solución debe ser fresca y debe mantenerse separada de la solución RCA 2 para evitar que los vapores de ambas formen partículas de NH4Cl que contaminan las obleas.

Después de cada baño es necesario aclarar la oblea con abundante agua DI durante 5min para frenar los ataques y después de RCA 3 además de enjuagar con agua DI hay que secar la oblea. Las pinzas son de teflón para no introducir contaminantes metálicos y los vasos de pirex limpios con agua DI. Si la oblea ha sido utilizada anteriormente, es necesaria una limpieza preliminar con la que eliminar los restos de resina (orgánicos) de pasos anteriores. Una alternativa a RCA 1 consiste en introducir la oblea durante 10 min. en un baño de H2O2: H2SO4 (1:1) a 80 ºC.

3.4.5 Riesgos El manejo de productos químicos siempre conlleva una serie de riesgos. A continuación se expone una rápida visión de estos:

TCE es carcinogénico; 1,1,1-TCA es algo menos. La acetona es inflamable. El metanol es tóxico por absorción en la piel. HF es muy peligrosos; tóxico y corrosivo. NH4OH, H2O2, H2SO4 y HCl son corrosivos.


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3.5 Deposición resina

3.5.1 Formas de deposición Uno de los pasos básicos en la fabricación de MEMS es la capacidad de depositar finas capas de material. Consideramos que una capa de material es fina cuando no es mayor de 100 μm. Existen dos formas de depositar una capa de material: deposición química y deposición física. Procesos en los que la deposición ocurre por una reacción química:

Chemical Vapor Deposition (CVD) Electrodeposición Epitaxy Oxidación Térmica

Estos procesos se basan en la creación de materiales sólidos a partir de un gas y/o un líquido o del material substrato. El producto sólido, normalmente, no es el único producto de la reacción. Los subproductos pueden ser gas, líquidos e incluso otros sólidos. Procesos en los que la deposición ocurre por una reacción física:

Physical Vapor Deposition (PVD) Casting

La característica común de ambos es que el material depositado es físicamente desplazado a la superficie del sustrato. La tecnología está continuamente desarrollándose por lo que los procesos de deposición anteriores no tienen por ser exclusivos. El método de deposición que se usará será Casting. En este proceso el material a depositar debe ser estar disuelto en un solvente, debe ser líquido. En nuestro caso el material substrato es una resina fotosensible. Existen dos formas de depositarlas,


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spinning o spraying. El spraying consiste en pulverizar la fotorresina sobre la oblea, manteniendo el pulverizador durante su aplicación a una cierta distancia sobre esta y durante un tiempo determinado. Una vez aplicada la fotorresina con el pulverizador, el solvente se evapora y sobre la oblea permanece una fina capa de la misma. El spinning o también llamado Spin Coating es el método más usado durante las últimas décadas para la aplicación de películas finas. El proceso consiste en la deposición de una pequeña cantidad de resina en el centro de la oblea para durante o posteriormente hacerla girar. La aceleración centrífuga hace que la resina se extienda y obtengamos la fina capa de substrato sobre la oblea. El espesor de la película y otras propiedades dependen de la naturaleza de la resina (viscosidad, velocidad de secado, porcentaje de sólidos, tensión superficial, etc.) y de los parámetros elegidos durante el proceso de giro. Factores como la velocidad de rotación, aceleración, y vapores contribuyen a la definición de las propiedades de la película depositada. Uno de los principales factores del Spin Coating es la capacidad de repetición. Pequeñas variaciones en los parámetros que definen el proceso de giro pueden dar grandes variaciones en la película extendida. A continuación se detallan algunos de los efectos de estas variaciones.

3.5.2 Descripción del proceso de Spin Coating El proceso de spin consiste básicamente en la deposición de una pequeña cantidad de resina en el centro de la oblea con ayuda de una pipeta, jeringuilla o cuentagotas y posteriormente hacer girar la oblea a alta velocidad (normalmente 3000 rpm). La forma de aplicar la resina puede ser estática o dinámica. La aplicación estática es simplemente depositar una pequeña cantidad de fluido en el centro del substrato o cerca de él. La cantidad de fluido necesitada dependerá de la viscosidad de la resina que se desee depositar y del tamaño de la oblea donde queramos depositarla. Cuanto mayor sea la viscosidad o más grande sea el substrato normalmente se necesitará un mayor volumen de resina


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para asegurar un completo recubrimiento del substrato durante la etapa de elevada velocidad de giro.

Figura 5. Aplicación estática de la resina

La aplicación dinámica es el proceso en el que la resina se dispensa mientras que el substrato está girando a baja velocidad. Normalmente la velocidad de giro de esta etapa es de 500 rpm. Esto hace que se extienda el fluido sobre el substrato y se genere una menor cantidad de residuos de resina ya que no es necesario humedecer la superficie del substrato por completo. Este método es particularmente ventajoso cuando el fluido o substrato en sí mismo tienen poca capacidad de extenderse o humidificarse respectivamente, y además permite eliminar vacíos que pudieran formarse. Después del paso de aplicación es común acelerar hasta una velocidad relativamente alta para conseguir que la capa de resina sobre la oblea sea del espesor deseado. La velocidad de giro típica en este paso tiene un rango variable entre 1500-8000 rpm, dependiendo tanto de las propiedades del fluido como de las del substrato. Este paso puede llevar desde 10 segundos hasta varios minutos. El espesor final de la película (T) es función de la velocidad de giro, de la concentración de la solución, del peso molecular (medida intrínseca de la viscosidad) y del tiempo seleccionado para este paso. La expresión empírica para T está dada por:

α

γβ

ωη··CKT =


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donde K es la constante global de calibración C es la concentración de la resina en g/ 100 ml de solución η es la viscosidad intrínseca ω son las revoluciones por minuto (rpm) Una vez que los factores de los exponentes (α, β y γ) han sido determinados, la ecuación puede utilizarse para predecir el espesor de la película. En general, altas velocidades y grandes tiempos de giro dan como resultado películas más finas. El proceso Spin Coating conlleva un gran número de variables que tienden a cancelarse y promediarse durante el proceso de giro, por ello es mejor dar tiempo suficiente para que esto ocurra. A veces se realiza una etapa de secado tras la etapa de elevada velocidad de giro para secar la película sin disminuirla substancialmente. Esto puede ser ventajoso en el caso de películas gruesas, ya que largos tiempos de secado proporcionan estabilidad física a la película antes de su manejo. Con la etapa de secado se eliminan problemas tales como el goteo de resina procedente del substrato, que puede ocurrir cuando sacamos la oblea del dispositivo que le confiere el giro en la etapa anterior. En este caso una velocidad de giro más suave, del orden del 25% de la velocidad de giro que denominamos elevada, bastará generalmente para ayudar a secar la película sin cambios significativos en su espesor.

3.5.3 Velocidad de giro del Spin Coating Uno de los factores más importantes del Spin Coating es la velocidad de giro. Tanto la velocidad del substrato (rpm) como la velocidad y turbulencia característica del aire inmediatamente sobre el mismo afectan a la intensidad de la fuerza radial (centrífuga) aplicada a la resina líquida. En particular, la etapa de elevada velocidad de giro define el espesor final de la película. Variaciones relativamente pequeñas del orden de +/- 50 rpm dan como resultados cambios de espesor de un 10%. El espesor de la película es en gran parte un balance entre la fuerza aplicada para llevar la resina hasta los bordes del substrato y la velocidad de secado, ambas afectadas por la viscosidad de la resina. A medida que la resina se seca, la viscosidad aumenta hasta que la fuerza radial del proceso de giro no es capaz de hacer que la resina se mueva de forma apreciable sobre la superficie. En este punto, el espesor de


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la película no disminuye significativamente con el aumento del tiempo de giro.

Figura 6. Acciones físicas

3.5.4 Aceleración del Spin Coating La aceleración del substrato hasta la velocidad de giro final puede también afectar a las propiedades de la película. Desde que la resina comienza a secarse durante la primera parte del ciclo de giro, es importante controlar con exactitud la aceleración. En algunos procesos, el 50% del solvente que contiene la resina se perderá por evaporación a los pocos segundos de comenzar el proceso. La aceleración siempre juega un papel importante en las características de la capa de substrato modelado. En muchos casos el substrato conservará características topográficas de procesos anteriores; por lo tanto es importante que la capa quede uniforme a pesar de estas características.

Figura 7. Evolución óptima de la aceleración (deceleración) en rampa lineal

hasta la velocidad de giro final


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Mientras que el proceso de giro proporciona generalmente una fuerza (exterior) radial a la resina, es la aceleración la que proporciona una fuerza que hace girar la resina. Este giro ayuda en la aplicación de la resina alrededor de la topografía para no quede ninguna zona del substrato sin fluido.

3.5.5 Escape de los vapores La velocidad de secado de la resina fluida durante el proceso de giro es definida tanto por la naturaleza de la propia resina (de la volatilidad del conjunto de solventes usados) como por el aire que ronda el substrato durante el proceso de giro. Así como un paño húmedo se seca más rápidamente en un día seco de viento que durante un día húmedo, la capa de resina se secará dependiendo de las condiciones ambientes que la rodean. Es conocido de antemano que la temperatura del aire y su grado de humedad juegan un papel importante en la determinación de las propiedades de la resina extendida. También es muy importante que el flujo de aire y las turbulencias asociadas al mismo sean minimizados o al menos mantenidos constantes sobre el propio substrato durante el proceso de giro. El dispositivo en el se realiza el proceso de Spin Coating se denomina Spin Coater. Todos los Spin Coater están diseñados de modo que presentan una especie de recipiente en forma de bowl como se puede ver en la figura 8. En realidad no existe un ambiente hermético, la tapa permite extraer una mínima cantidad de vapor durante el proceso de giro. En la parte inferior del Spin Coater hay una salida que combinada con la tapa superior del mismo forman un conjunto que reduce al mínimo las turbulencias indeseadas en el aire. Este sistema presenta dos ventajas: permite un secado lento de la resina fluida y minimiza susceptiblemente las variaciones de humedad en el ambiente.

Figura 8. Spin Coater


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Una baja velocidad de secado ofrece la ventaja de aumentar uniformemente el espesor de la película a lo largo del substrato. El fluido se seca a medida que avanza hacia los bordes del substrato durante el proceso de giro. Esto puede conducir a irregularidades radiales ya que la viscosidad del fluido cambia con la distancia al centro del substrato. Disminuyendo la velocidad de secado, es posible mantener constante la viscosidad a lo largo del substrato. La velocidad de secado y por tanto el espesor final de la película están también afectados por la humedad del ambiente. Variaciones pequeñas en el porcentaje de humedad del ambiente pueden dar como resultado grandes cambios en el espesor final de la película. Al realizarse el giro en un recipiente cerrado, los vapores de los solventes de la propia resina son retenidos en el ambiente del recipiente y tienden a contrarrestar los efectos de variaciones de poca importancia en la humedad. Al final del proceso de giro, cuando la tapa es levantada para sacar el substrato, se mantiene el escape completo para contener y eliminar los vapores de los disolventes. Otra de las ventajas del diseño de este recipiente cerrado es que se reducen susceptiblemente las variaciones en el flujo de aire que rodea el substrato que gira. En una típica sala blanca, por ejemplo, hay un flujo de aire constante hacia abajo de unos 30 m/min. Hay algunos factores que afectan a las propiedades de este flujo de aire inferior. Las turbulencias y las corrientes de Foucault suelen ser resultado del elevado flujo de aire. Cambios de poca importancia en la naturaleza del ambiente pueden crear drásticas alteraciones en el flujo de aire inferior. Cerrando el recipiente con una tapa de superficie lisa, las variaciones y la turbulencia causada por los operarios y otros equipos son eliminadas del proceso de giro.

Figura 9. Flujo de aire inferior


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3.5.6 Tendencia de las variables del proceso Se representa la tendencia general de varios parámetros del proceso. Para la mayoría de las resinas el espesor final de la película es inversamente proporcional a la velocidad de giro y al tiempo de giro. El espesor final de la película es también, en parte, proporcional al volumen de vapor extraído a pesar de que la uniformidad se verá afectada si el flujo extraído es demasiado alto, ya que la turbulencia causa un secado no uniforme de la película durante el proceso de giro.

3.5.7 Problemas del Proceso de Spin Coating Spin Coater Como se explicó anteriormente, hay varios factores importantes que afectan al proceso de creación de la película. Entre estos están la velocidad de giro, aceleración,


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el tiempo de giro y el volumen extraído. Los parámetros del proceso varían en gran medida con el tipo de resina y substrato utilizado de modo que no hay unas reglas fijas para el proceso de Spin Coating, solo hay unas pautas generales. Estas las podemos encontrar en el apartado 2.2 Descripción del Proceso de Spin Coating. A continuación se describe una lista con problemas específicos del proceso de Spin Coating, la causa a la cual puede deberse y cómo solucionarlos. Película demasiado delgada Velocidad de giro demasiado alta Seleccionar una velocidad menor Tiempo de giro demasiado largo Disminuir la duración de la etapa de alta

velocidad Elección inapropiada de la resina Contactar con el fabricante de la resina Película demasiado gruesa Velocidad de giro demasiado baja Seleccionar una velocidad mayor Tiempo de giro demasiado corto Aumentar la duración de la etapa de alta

velocidad Volumen extraído demasiado alto Ajuste de la tapa Elección inapropiada de la resina Contactar con el fabricante de la resina Burbujas de aire en la superficie de la oblea Burbujas de aire en el fluido dispensado (resina) El dispositivo que dispensa la resina lo hace de forma entrecortada, tiene defectos o restos de usos anteriores Cometas, rayas o llamadas Velocidad de aplicación del fluido demasiado alta Velocidad de extracción de vapores del recipiente demasiado alta


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Elevada permanencia de la resina en la oblea previa al giro Velocidad de giro y aceleración demasiado altas Existencia de partículas duras en la superficie del substrato cuyo diámetro es mayor que el espesor de la resina El fluido no esta siendo dispensado en el centro de la superficie del substrato Forma de torbellino Velocidad de extracción del recipiente demasiado alta El fluido toca la superficie del substrato fuera del centro Velocidad de giro y aceleración demasiado altas Círculo centrado Círculo es del mismo tamaño que la zona inicial donde se añade la resina puede deberse a una elevada permanencia de la misma antes del giro Áreas sin resina Insuficiente volumen dispensado

Hoyos del tamaño de la cabeza de un alfiler Burbujas de aire Partículas en la resina Existencia de partículas en la superficie del substrato antes de echar la resina Baja reproducibilidad Extracción o ambiente variable Ajustar tapa de extracción hasta cierre completo


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Substrato centrado inadecuadamente Centrar el substrato antes de comenzar Volumen de resina insuficiente Aumentar el volumen de resina Aplicación inapropiada de la resina Contactar con el fabricante de la resina Balance inestable en los parámetros velocidad / tiempo Aumentar la velocidad/disminuir el

tiempo o viceversa Baja calidad de la película Volumen extraído demasiado alto Ajustar la tapa de extracción Aceleración demasiado alta Seleccionar menor aceleración Balance inestable en los parámetros velocidad / tiempo Aumentar la velocidad/disminuir el

tiempo o viceversa Volumen de resina insuficiente Aumentar el volumen de resina Aplicación inapropiada de la resina Contactar con el fabricante de la resina


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3.6 Soft Bake Después de la etapa de Spin Coating, la resina contiene aproximadamente un 15% de solvente y puede tener tensiones acumuladas. Esta etapa se utiliza para evaporar los solventes de la película y densificar la resina tras su deposición, su optimización puede mejorar etapas posteriores. Durante el transcurso de la misma, el espesor de la resina normalmente disminuye un 25 %. Comercialmente se usa el calentamiento por microondas o lámparas de infrarrojos para producciones en línea. En un laboratorio esta etapa se puede llevar a cabo según dos mecanismos alternativos:

Hornos de convección - El solvente próximo a la superficie de la resina se evapora en primer lugar, lo cual puede causar que la resina desarrolle una fina película impermeable, atrapando en su interior el solvente que quede. - El calentamiento debe ser lento para evitar efectos de la explosión del solvente

Por conducción (hot plate): - Necesidad de una superficie lisa para un buen contacto térmico y un calentamiento uniforme. - El aumento de temperatura comienza en la parte inferior de la oblea hasta la superficie, evaporando el solvente desde el fondo.

- Normalmente mucho más rápido y más adecuado para automatizar. El proceso térmico usual es:

90-100 ºC en un horno de convección durante 30 min. 75-85 ºC en un hot plate durante 45 s.

La temperatura de la etapa depende de varios factores. La resina y el substrato que están siendo calentados así como los resultados deseados son algunos factores claves a considerar en el desarrollo de un proceso de calentamiento. En un horno la velocidad de calentamiento de un substrato no depende solamente del flujo de aire caliente sino que también de su proximidad a otros substratos más


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fríos. El uso del hot plate tiene ventajas como uniformidad, reproducibilidad y disminución de la contaminación por partículas.

3.7 Insolado En este paso la resina es expuesta a la luz UV para disolver (positiva) o curar (negativa) la fotorresina. Previamente se le coloca la máscara o fotolito sobre la oblea con resina.

3.8 Revelado Uno de los últimos pasos en el proceso fotolitográfico es el revelado. A bajas energías de exposición la resina negativa se disuelve completamente en el revelador. A medida que se aumenta la exposición sobre la energía umbral, más película de resina permanece después del revelado. A exposiciones dos o tres veces mayor que la energía umbral, muy poca película de resina se disuelve. Para la resina positiva, su solubilidad en el revelador es finita, incluso a nula energía de exposición. La solubilidad aumenta gradualmente, en un cierto umbral, hasta llegar a ser totalmente soluble. El revelado está afectado por el espesor inicial de la resina, por las condiciones del Soft Bake, por la composición química del revelador, por el tiempo de revelado y otros.


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3.9 Hard Bake El Hard Bake es el último paso del proceso fotolitográfico, este paso es necesario para endurecer la fotorresina y mejorar su adherencia a la superficie de la oblea. El Hard Bake ayuda a que la resina resista un ataque ácido.

Algunas de las características del Hard Bake son:

Elimina algunas trazas que quedan del solvente de la película de resina o del

revelador. Introduce algunas tensiones en la fotorresina. Puede ocurrir que la película de resina disminuya de espesor. Mayor duración o mayor temperatura hace que la resina se elimine con

mucha mayor dificultad. La fotorresina experimenta una deformación plástica con suficiente temperatura y/o tiempo, que se puede utilizar si se necesitan flancos como se puede observar en la figura.

Figura 10. Deformación de la resina

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