Lift-off double couches : S1813 sur LOR5A, sur EVG150

Lift-off double couches : S1813 sur LOR5A, sur EVG150 Introduction Un procédé de lift-off double couche avec la résine positive S1813 déposée sur une couche sacrificielle (faite par du LOR5A), a été mis en place sur l EVG150 au courant des mois de septembre et d octobre 2004. L établissement du procédé se divise en différentes étapes commençant tout d abord par l uniformité de la résine LOR5A sur différents types de substrat (SiO2 0.5 et 1µm -, float glass, Si avec oxyde natif). Il s ensuit la mise en place du procédé par le couchage de la résine S1813, dont le programme était déjà optimisé, puis la détermination d un temps correct d exposition. Pour finir il se trouve la mesure du taux de sous attaque en fonction de différentes étapes de développement, puis la métallisation et le lift-off (enlèvement de la résine non exposée). Pour toute question plus technique lors de ce rapport, se référer au rapport de travail de diplôme «Mise au point de procédés lift-off au CMI». 1. Résine LOR5A On rappel que la résine LOR est une résine non photosensible. Elle est de nature très poreuse et est très utile à un procédé de lift-off doubles couches en servant de couche sacrificielle. Al / 0.40 µm S1813 / 1.40 µm LOR5A / 0.85 µm Wafer avec surface préparée juste en chauffant à 150 C pendant plus de 15min 1.1. Premiers tests d uniformité de la résine LOR La résine LOR a été couchée sur l EVG150 à 1200 tours / min, afin d obtenir une épaisseur située entre 0.8 et 0.9µm. Des tests d uniformité ont été menés par mesures NanoSpec 6100, utilisant les paramètres de Cauchy de la résine. Les programmes de mesures se sont fait sur 49 points, répartis comme sur le graphique suivant. AKESSO Laurent CMI Lift-off S1813/LOR sur EVG150 1/12

Scan avant et après Développement 50 40 30 20 10 Y 0-60 -40-20 0 20 40 60-10 -20-30 -40-50 X Le taux d uniformité de la résine était pour l ensemble des wafers inférieur à 0,4%. Pourtant ces premiers essais n ont pas donné de parfaits résultats, dû à des problèmes d adhésion sur les surfaces des wafers. On a ainsi quelques variations sur les mesures mais, ces quelques points incohérents furent corrigés à la main sur les fichiers de mesures. AKESSO Laurent CMI Lift-off S1813/LOR sur EVG150 2/12

Sur la représentation précédente des mesures d épaisseurs, on retrouve une légère différence entre une couronne interne et le bord wafer. Les extrémités quant à elles relèves d une plus grande différence, due soit à un manque de quantité de résine au départ, soit à des poussières. L ensemble des dépôts sur la série de wafers est vraisemblablement dans la même gamme de différence entre le centre, la couronne proche et les extrémités. 1.2. Détermination du point de température vitreuse de la résine LOR5A Suite aux différents tests d uniformité réalisés, des mesures et moyennes d épaisseurs ont montré comme les mesures faites auparavant sur les couchages par Rite Track, une évolution de l épaisseur en fonction de la température de softbake. La température de cette cuisson de softbake a été faite via des étalonnages de la température par thermocouple au sommet du wafer en fonction de la hauteur des pins de la hotplate n 1. Cette plaque 1 (hotplate du bas), réservée aux cuissons à haute température (>150 C), est caractérisée par les correspondances suivantes, avec une consigne ou Set Point à 200 C : Hauteur des pins (µm) Température mesurée au thermocouple ( C) 311 188 311 188 675 183 1146 178 1723 173 2407 168 3197 163 3722 160 3500 Mesures Thermocouples : T( C) VS hauteur du wafer (um) 3000 Hauteur du wafer (um) 2500 2000 1500 1000 y = 2.1268x 2-861.94x + 87186 500 0 160 165 170 175 180 185 190 195 200 Température ( C) AKESSO Laurent CMI Lift-off S1813/LOR sur EVG150 3/12

Etude de la T( C) de recuit du LOR en fct de la hauteur des pins de la hotplate à 200 C 8700 8650 Epaisseur (A) 8600 8550 Moy. corr. 8500 8450 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Hauteur (um) Etude de la Température de Recuit du LOR 8700 8650 Epaisseur (A) 8600 8550 Moy. corr 8500 8450 160 165 170 175 180 185 190 Température corresp (um) On voit ainsi que la température vitreuse se trouve aux alentours de 178 C. On a ainsi prit une température d à peu près 183 C, permettant d avoir des propriétés mécaniques (souplesse / faible rigidité) acceptables, donnant le moins de complications possible lors du couchage de la résine S1813, ainsi que pendant l étape du développement. AKESSO Laurent CMI Lift-off S1813/LOR sur EVG150 4/12

1.3. Vitesse de gravure / d érosion par contact au développeur Des tests d érosion du LOR par contact à un développeur, le MFCD26, ont été réalisés sur la piste de développement de l EVG150, ave la ligne notée AD1 (pour Développeur Aqueux). Après des séries de mesures au NanoSpec 6100, par des programmes de 49 points, il a été révélé un taux d uniformité du développement très inhomogène, atteignant en moyenne les 20%. Au centre du wafer l érosion est beaucoup plus importante que sur les extrémités avec le programme développé, dont la dispense du développeur se fait uniquement par le centre fixe. Evolution du Taux de dév. du LO5A VS T( C) 35 30 Taux d'attaque (nm/s) 25 20 15 10 5 0 160 165 170 175 180 185 190 Température de softbake ( C) AKESSO Laurent CMI Lift-off S1813/LOR sur EVG150 5/12

1.4. Programme de couchage du LOR5A (Couchage et Cuisson) Le programme de couchage des deux résines ne se fait pas dans le même programme, même si cette solution reste envisageable pour un seul wafer. Ainsi, afin de gagner du temps à chaque étape ou sur l ensemble du procédé, on réalise d abord la déshydratation en premier dans le four HMDS pendant 15 à 20min, puis on va sur l ensemble des plaques, faire un Run de couchage de LOR. Ce n et qu à la fin de cette étape que l on va pouvoir enduire le wafer avec une couche de résine positive (S1813). La vitesse de spin principal du LOR5A a été choisie à 1200rpm pendant 45s, ce qui nous donne par la suite une épaisseur d environ 0.84µm (à 183 C de température de softbake). La résine est dispensée à une vitesse de 60rpm avec un volume de 1500µL à un taux de dispense de 1000µL/s. Avant d atteindre la vitesse maximale, le wafer reste à cette vitesse pendant quelques secondes afin que la goutte de résine s élargisse jusqu à atteindre environ 50% du diamètre, chose qui permettra un bon étalement. Pourtant, pour des substrats plus rugueux ou adhésif, comme par exemple les céramiques de IR-Microsystems, nécessiteront un réajustement particulier du volume de la dispense (dose multipliée par 2 voire 3 au maximum). Chemin d accès Nom du programme (comprenant le Master Recipe + Coater +Développeur +Hotplate + Coolplate) Désignation Type Nom Chemin d accès Coating du LOR Master Recipe Coating du S1813 Master Recipe Caractéristiques principales C:\Program Files\EVG\EVG150\Recipes\Library\Process_in_Progess\ «4 coat resist1.ecp» Coat_LOR5A_0_84um_NO_EBR Coater Recipe CR_ LOR5A_0_84um_NO_EBR Hotplate Recipe HR_Bake_LOR5A_183C Coater Recipe Coat_S1813_1_4um Hotplate Recipe Spin principal à 1200rpm Set Point (SP) à 200 C sur 5min Exposition sur MA150 Nom du Programme EVG_S1813 7.0s à 9.2mW/cm 2 soit 6.5s à 10.0mW/cm 2 Développement du S1813 sur LOR5A Master Recipe Developper Recipe Hotplate Recipe Dev_S1813onLOR5A_0_84um DR_S1813onLOR5A_0_8um HR_Dry_Dev_S1813onLOR_100 C 15+20+20s = 55s de temps de dév. à vitesse de spin nulle SP = 100 C, pins à 2500µm sur 1min AKESSO Laurent CMI Lift-off S1813/LOR sur EVG150 6/12

1.5 Problèmes d EBR (Edge Bead Remover) Initialement des tests de couchage de cette résine étaient associés à un EBR et un BSR (Back Side Rinse). Ceux-ci étaient fait à l aide de Remover 1165. L avantage principal de ce solvant est qu il dissout très bien le LOR, et donne alors un bel anneau d EBR. Notons que l utilisation de PGMEA ne peut se faire car, il y a alors précipitation du LOR, ce qui risque très fortement de boucher les aspirations. Pourtant, les inconvénients sur l EVG150 sont nombreux. Tout d abord, la pression du jet de solvant en sortie de la buse d EBR associé à un certain angle d injection, nous donne en permanence des projections de solvant sur la couche de résine qui vient juste d être déposée (splashing). On a alors des trous dans la couche de résine, qui peuvent atteindre parfois plus de 100nm en profondeur et en diamètre. Même si cette pression fut diminuée, on obtenait encore ces trous très caractéristiques (rappelant une figure d interférence). Dans le cas du lift-off, puisque l on utilise le LOR comme couche sacrificielle ceci est relativement peut gênant, mais ceci peut le devenir dans le cas où un de ces trous soit assez gros et en même temps se trouver sur une des bordures de métallisation. On risquerait alors d avoir un bord de métal attaché entre celui au fond de la tranchée et celui au sommet de la couche de S1813. En deuxième temps, si l on ne se préoccupe pas de ce problème d éclaboussures sur la couche déposée, on peut réaliser l EBR mais, la vitesse de rotation principale y est très critique. En effet, le Remover 1165, utilisé à température ambiante, a la propriété de très bien adhérer aux wafers (dont la surface est en SiO2). Ainsi, lors de l EBR, le remover va créer un manchon / bourrelet autour du wafer, qui pendant la rotation de ce dernier, aura tendance à venir se redéposer vers le centre du wafer. Il faut de plus pour faire au mieux, combiner le BSR et l EBR afin d éviter que par capillarité le Remover ne passe entre le chuck et le wafer. Ceci engendrerait une aspiration du solvant dans la ligne d aspiration du wafer, causant la destruction de cette dernière qui «fond littéralement sur elle-même». La vitesse du wafer se trouvait pour cela entre 700 et 850rpm/min. En dessous de 700rpm/min, les bourrelets deviennent trop importants, et au dessus de 850rpm/min il y a trop d éclaboussures. Suite à ce dernier problème on peut voir les traces maintenant indélébiles de l attaque du Remover 1165 sur le PVC protecteur de l EVG150, proche de la cassette n 1, et le changement que l on a dû faire du tuyau d aspiration qui est aujourd hui beaucoup plus rigide que le précédent. Matériel - Si avec oxyde natif - Oxyde thermique de Si (SiO 2 ) - Verre / float glass Température (de softbake) Epaisseur - 2nm - 0.5 ou1µm - 700µm LOR5A 183 C 0.85 µm S1813 115 C 1.40 µm Métal : Aluminium (Evaporation) Ou Al +1%Si (Pulvérisation) De la température ambiante à plus de 50 C voire 100 C 400 nm EVG Hotplate / set point N 1 / 200 C N 2 & 3 / 118 C Hotplate Hauteur des Pins 675 µm? AKESSO Laurent CMI Lift-off S1813/LOR sur EVG150 7/12

1.6 Le lift-off S1813/LOR5A La résolution de ce lift-off est directement fonction du temps de développement du double - couche S1813 sur LOR5A. L étude menée rend compte des résultats suivants : Wafer 6137 Temps d exposition Développement Résolution Remarque 7.0s à 9.2mW/cm 2 25 + 30 + 35 = 90s 4.0µm Très reproductible = 65mJ/cm 2 6405 7.0s 20 + 25 + 30 = 75s 3.0µm 1 :1 bien (non arrondi) 7761 7.0s 15 + 20 + 25 = 60s 2.5µm 1 :1 arrondi 3245 7.0s 15 +20 +20 = 55s 2.5µm Bien / moyen 6460 7.0s 15 +15 +20 = 50s 2.5µm bien Etude du taux de sous-attaque VS tps de développement 600 Distance de sous-gravure du LOR5A sous le S1813 (nm) 550 500 450 400 350 300 40 50 60 70 80 90 100 Temps de développement cumulé Les observations au SEM ont donné les distances de sous gravure précédentes, ainsi que les mesures caractéristiques de formes suivantes : Angle des flancs du S1813 81 à 83 Epaisseur de LOR 850nm Epaisseur de S1813 1.4µm AKESSO Laurent CMI Lift-off S1813/LOR sur EVG150 8/12

Métallisation par évaporation d Aluminium : Métallisation par pulvérisation d AlSi1% : AKESSO Laurent CMI Lift-off S1813/LOR sur EVG150 9/12

Lift-off avant métallisation : Exemple de résolution obtenue pour 75 secondes d exposition au développeur. AKESSO Laurent CMI Lift-off S1813/LOR sur EVG150 10/12

Lift-off après métallisation : La métallisation s est faite aussi bien par EVA600 que SPIDER600, avec 400nm de métal. Après étape au Remover 1165, les résultats de lift-off sont de très bonne qualité, hormis bien entendu, les flancs «ondulés» des pistes résiliés par pulvérisation. - SPIDER 600 AKESSO Laurent CMI Lift-off S1813/LOR sur EVG150 11/12

On remarque sur ce fort grossissement, que les lignes métalliques sont légèrement rugueuses sur les bords dus à la technique par pulvérisation plasma qui est isotrope. - EVA600 : Mes photos ne se trouvent plus sur le serveur????? AKESSO Laurent CMI Lift-off S1813/LOR sur EVG150 12/12