Técnicas complementares de produção de TFTs

A produção de TFTs envolve a deposição de diferentes camadas, como sejam os eléctrodos, o semicondutor e o dieléctrico. No entanto, de modo a conseguir a configuração desejada para o dispositivo é necessário definir a geometria de cada uma dessas camadas, o que é efectuado, normalmente, recorrendo à litografia e erosão selectiva.

3.2.1. Fotolitografia

A fotolitografia (ou litografia óptica) é um processo utilizado na microfabricação e produção de microcircuitos para definição de estruturas e de padrões geométricos, com excelente reprodutibilidade de forma e dimensão ao longo do substrato.

O processo inicia-se pelo espalhamento de um polímero fotossensível (neste trabalho fotoresiste positivo AZ 6612) sobre o substrato utilizando um spinner, que não é mais que um prato giratório capaz de atingir milhares de rotações por minuto (rpm), sendo a espessura final inversamente proporcional à velocidade de rotação. O procedimento normal passa por iniciar o espalhamento a uma velocidade inferior, por exemplo 1000 rpm, de modo a cobrir toda a superfície. Posteriormente, a velocidade aumenta para 3000-5000 rpm para ajustar a espessura final, sendo o excedente espalhado para fora do substrato. Os tempos utilizados situam-se, normalmente, entre 20 e 50 segundos. O fotoresiste é então seco a uma temperatura a rondar 100°C, de modo a evaporar todo o solvente e solidificar parcialmente. A secagem pode ser feita em prato de aquecimento ou numa mufla.

O fotoresiste é posteriormente sensibilizado por exposição a radiação ultravioleta (λ=405 nanómetros). Esta é, provavelmente, a etapa mais crítica de todo processo litográfico, pois em caso de desalinhamento de um padrão com o anterior os dispositivos ficarão inutilizados. Para tal é utilizado um alinhador de máscaras, que permite colocar o substrato na posição correcta em relação à máscara que contém o padrão que se deseja transferir.

a) b)

Técnicas complementares de produção e caracterização

Depois de sensibilizado o fotoresiste, é necessário revelar o padrão impresso. Neste trabalho foi utilizado um revelador livre de iões alcalinos (hidróxido de tetrametilamonia). Concluída a revelação, o padrão fica definido na superfície do substrato, efectuando-se a erosão das áreas expostas. Pode ser utilizada a erosão por via húmida, que recorre a soluções químicas, ou por via seca, através da erosão por plasma. É importante existir alguma selectividade, de modo a não danificar padrões previamente definidos. O fotoresiste é posteriormente removido num solvente, neste caso acetona.

Em vez de erodir as zonas expostas, existe também a possibilidade de depositar uma camada de um novo material sobre todo o substrato. Porém a temperatura de deposição está limitada a cerca de 150°C, de modo a não degradar o fotoresiste. Posteriormente, o fotoresiste é removido, permanecendo a camada depositada nas zonas que se encontravam expostas (Figura 3.7). Esta vertente da fotolitografia é conhecida por lift-off e é preferida, por exemplo, quando existe dificuldade em erodir o material em que se pretende definir o padrão ou a selectividade da erosão não é a desejada. Porém, tem como inconveniente a perda de definição. No decorrer deste trabalho, este foi o processo preferido para a litografia de todos os materiais utilizados nos TFTs, à excepção do silício, removido por erosão por plasma, e do alumínio, removido por uma solução química formada por uma mistura de ácido fosfórico (H3PO4), acido nítrico (HNO3), e água (H2O), numa proporção de 65%/6%/29%.

3.2.2. Erosão por plasma

A erosão por plasma consiste, basicamente, em bombardear o substrato com iões de modo a remover o material não protegido pelo fotoresiste. Existem algumas variantes desta técnica, dependendo do tipo de iões utilizados. Por exemplo, caso estes reajam com os átomos das zonas expostas, a erosão ocorre por uma mistura de reacção química com bombardeamento iónico, processo conhecido por erosão reactiva (RIE – Reactive Ion

Etching), técnica utilizada neste trabalho. Caso os iões não sejam reactivos, a erosão acontece

apenas por efeito do bombardeamento (erosão por pulverização).

A RIE situa-se a meio caminho entre um processo puramente químico como a erosão por via húmida, e físico, como a erosão por pulverização. Isto tem consequências a nível de selectividade do processo e de anisotropia do perfil de erosão. Num método puramente físico a selectividade é baixa, dependendo apenas da energia de ligação entre os átomos no material bombardeado. A grande vantagem é a anisotropia do perfil de erosão. A introdução de iões reactivos confere à erosão um cariz químico, aumentando também a selectividade, mas com perda de anisotropia. No outro extremo temos a erosão por via húmida, preferencialmente isotrópica, processo crítico para tolerâncias apertadas, mas com possibilidade de ser extremamente selectivo.

Um reactor típico de RIE consiste numa câmara de vácuo (com entrada de gás e sistema de exaustão), com dois eléctrodos paralelos, sendo o substrato colocado num deles. Uma vez que o processo é reactivo, o tipo de gás a utilizar depende do material a erodir. Idealmente, os produtos de reacção são compostos voláteis, emitidos termicamente da superfície como resultado do bombardeamento iónico, que são bombeados pelo sistema de exaustão. Por exemplo, no caso do silício são utilizados gases contendo flúor (F), como o hexafluoreto de enxofre (SF6) ou o tetrafluoreto de carbono (CF4). O resultado da reacção é um composto volátil, o SiF4. A reacção pode ser limitada pela formação de iões no plasma, pelas reacções de superfície ou pela emissão de espécies após a reacção.

4

4F SiF

Si+ → (3.2)

A ionização do gás e formação do plasma ocorre por influência da potência de rádio- frequência aplicada. A tensão de auto-polarização negativa que se forma no eléctrodo do substrato, devido à diferença na resposta ao campo eléctrico alterno entre iões e electrões, acelera os primeiros em direcção à superfície a erodir. A energia cinética adquirida favorece a reacção química entre os iões reactivos e o substrato, favorecendo simultaneamente o processo físico de pulverização.

Técnicas complementares de produção e caracterização

a) b)

Figura 3.8 – a) Esquema de um reactor de RIE e b) foto do sistema utilizado.

Neste trabalho recorreu-se à técnica de RIE para a erosão de silício, usando SF6 como gás de processo, num sistema Alcatel GIR 300, existente na câmara limpa do CEMOP/UNINOVA. Depois da definição dos padrões por fotolitografia, os substratos foram colocados na câmara, tendo sido esta evacuada até uma pressão a rondar 0,05 Pa. Foram utilizados os seguintes parâmetros, que conduzem a uma razão de erosão de 90 nm.min-1. Fluxo de SF6 – 10 sccm

Pressão – 0,85 Pa

Potência de radiofrequência – 20 W