Fotolacke (auch als Fotoresist bezeichnet; resist = widerstehen) setzen sich aus einem Bindemittel, einem Sensibilisator und einem Lösemittel (Verdünner) zusammen.
- Bindemittel (Anteil ~20%)
- Als Bindemittel werden häufig Novolake eingesetzt. Dabei handelt es sich um Phenolharze (Kunstharz, Kunststoff), welche in erster Linie die thermischen Eigenschaften des Lackes bestimmen.
- Sensibilisator (Anteil ~10%)
- Der Sensibilisator bestimmt die Lichtempfindlichkeit des Lackes. Sensibilisatoren setzen sich aus Molekülen zusammen, die bei einer Belichtung mit energiereicher Strahlung die Löslichkeit des Lackes verändern (im Positivlack entsteht aus dem Sensibilisator durch die Belichtung Carbonsäure. Mehr dazu im Kapitel Entwickeln). Damit der Lack nicht durch das Licht in den Fertigungshallen belichtet wird, finden die Fototechnikprozesse unter Gelblicht statt, gegen das der Lack unempfindlich ist.
- Lösemittel (Anteil ~70%)
- Die Lösemittel bestimmen die Viskosität des Lackes. Durch das Verdampfen der Lösemittel auf einer Heizplatte wird der Lack stabilisiert und resistent für nachfolgende Prozesse.
Ein vom Hersteller gelieferter Lack hat eine definierte Oberflächenspannung und Dichte, einen bestimmten Feststoffgehalt und eine bestimmte Viskosität. Somit ist bei der Belackung in der Chipfertigung die erzielte Fotolackdicke ausschließlich von der Drehzahl der Belackungsanlage abhängig.
Chemisch verstärkte Lacke
Der oben beschriebene Aufbau gilt für die klassischen Lacke der i-Linie. Bei 248 nm und darunter reicht die Zahl der eintreffenden Photonen nicht mehr aus, um genügend Sensibilisatormoleküle direkt umzusetzen. Eingesetzt werden deshalb chemisch verstärkte Lacke (chemically amplified resist, CAR): Statt eines Sensibilisators enthalten sie einen Photosäurebildner (photo acid generator, PAG), der bei Belichtung eine starke Säure freisetzt. Diese spaltet in einem anschließenden Temperschritt (post exposure bake) Schutzgruppen vom Bindemittel ab und wird dabei nicht verbraucht, sondern wirkt katalytisch weiter. Ein einzelnes Photon löst so hunderte bis tausende Reaktionen aus.
Der Verstärkungsmechanismus hat einen Preis: Die Säure diffundiert während des Temperschritts, was die Kante der späteren Lackstruktur verschmiert. Diffusionslänge, Bake-Temperatur und -Zeit sind damit auflösungsbestimmende Prozessparameter.
Lacke für die EUV-Belichtung
Ein EUV-Photon trägt mit 92 eV rund vierzehnmal mehr Energie als ein Photon bei 193 nm. Für dieselbe eingebrachte Energie treffen also entsprechend weniger Photonen auf die Fläche, und deren Ankunft ist ein statistischer Prozess. Bei Strukturen von wenigen Nanometern schwankt die Photonenzahl pro Struktur merklich – die Folge sind zufällig fehlende oder zusätzliche Strukturen sowie eine rauere Kante. Diese stochastischen Defekte, nicht die Optik, sind heute die praktische Auflösungsgrenze der EUV-Lithografie.
Gegenmaßnahmen sind höhere Belichtungsdosen (die den Durchsatz kosten) und Lacke mit höherer Absorption. Neben weiterentwickelten CAR kommen dafür Metalloxidlacke auf Zinnbasis in Betracht, die EUV deutlich stärker absorbieren als organische Systeme. Ebenfalls in Entwicklung sind trocken aufgebrachte Lacke, die aus der Gasphase abgeschieden statt aufgeschleudert werden.
Die Schichtdicken sind dabei deutlich geringer als in der klassischen Fototechnik: Bei EUV liegen sie im Bereich einiger zehn Nanometer, da hohe schmale Lackstege sonst durch die Oberflächenspannung der Entwicklerlösung umkippen (pattern collapse). Die mechanische Stabilität und die Ätzresistenz übernehmen deshalb zusätzliche Hilfsschichten unter dem Lack.