Fotolitografia

Z Wikipedii

Fotolitografia - jest to proces w technologii półprzewodnikowej polegający na odtworzeniu wzorów fotomasek na strukturze półprzewodniowej. Celem wykonywania fotolitografii jest uzyskanie pożądanego kształtu powierzchni. Zasada działania fotolitografii jest podobna do litografii w poligrafii.

Proces fotolitografii jest zazwyczaj wieloetapowy i składa się kolejno z

1. przygotowania powierzchni półprzewodnika (odtłuszczenie i wygrzanie),
2. nałożenia emulsji światłoczułej (najczęściej polega to na pokryciu całej powierzchni nierównomierną warstwą emulsji a następnie poprzez odwirowanie następuje wyrównanie grubości emulsji na całej powierzchni płytki)
3. wygrzewania emulsji (płytkę z nałożoną emulsją wygrzewa się przez pewien czas w suszarce lub na płycie grzewczej)
4. naświetlenia (do płytki z emulsją przykładana jest fotomaska przez którą naświetla się promieniowaniem ultrafioletowym emulsję światłoczułą. Jako źródła światłą używa się zazwyczaj lampy rtęciowej (linia I - 365nm), bądź lasera ekscymerowego
5. wywołania (w tym etapie następuje usunięcie części emulsji, w przypadku emulsji pozytywowej następuje usuniecie naświetlonej emulsji w przypadku emulsji negatywowej - nienaświetlonej części, producenci emulsji dostarczają zazwyczaj wywoływacze, których pełny skład jest tajemnicą firmy często jednak zawierają one NaOH)
6. trawienie lub nanoszenie warstw metalicznych (emulsja jest maską chroniącą miejsca które mają pozostać niewytrawione bądź bez warstwy metalicznej)
7. usunięcie pozostałej emulsji z powierzchni płytki

Etapy procesu fotolitograficznego

Przygotowanie podłoża i nakładanie rezystu:

Przed nałożeniem rezystu wypolerowana płytka podłoża jest poddawana dokładnemu oczyszczaniu ze śladowych ilości związków organicznych (komora ozonowa, trawienie plazmowe) i nieorganicznych (trawienie plazmowe), w przypadku krzemu usuwana jest warstewka SiO2. Woda zaadsorbowana na powierzchni płytek jest usuwana przez wygrzewanie płytek w piecu lub napromieniowanie lampą IR. Technika ta nie pozwala jednak na całkowite pozbycie się grup –SiOH z powierzchni krzemu, który na powietrzu pokrywa się bardzo szybko warstwą tlenku i adsorbuje wodę. Grupy silanolowe osłabiają wiązanie rezystu z podłożem, w związku, z czym muszą zostać zablokowane na drodze chemicznej. W tym celu używa się tak zwanych promotorów adhezji. Jednym z nich jest heksametylodisilan (HMDS), który ulega kondensacji z wolnymi grupami –OH i czyni podłoże bardziej hydrofobowym- lepiej zwilżanym przez słabo polarne rozpuszczalniki organiczne. Reakcję tę można przeprowadzać stosując roztwór HMDS w rozpuszczalnikach organicznych jak i znacznie efektywnej używając par HMDS w komorze podciśnieniowej o podwyższonej temperaturze. Rezyst nanoszony jest najczęściej za pomocą techniki nazywanej z ang. spin-coating. Polega ona na nakropieniu dość stężonego roztworu polimeru na szybko obracającą się (kilka tys. RPM) płytkę podłoża. Równomierne rozprowadzenie rezystu jest możliwe dzięki działającym siłom odśrodkowym, nadmiar zostaje zwirowany poza krawędź płytki. Dobierając odpowiednio parametry procesu można otrzymywać warstwy o grubości 0,5-1 μm z odchyleniem rzędu 30nm (udaje się nawet 1nm). W przybliżeniu grubość warstwy jest odwrotnie proporcjonalna do pierwiastka prędkości wirowania i wprost proporcjonalna do lepkości roztworu, jednak warunki pokrywania są zazwyczaj optymalizowane doświadczalnie. Po zakończeniu wirowania płytkę ogrzewa się w celu odparowania nadmiaru rozpuszczalnika, wstępnego utwardzenia rezystu i poprawienia jego przyczepności do podłoża.

Przygotowanie maski:

Jedna maska może zostać użyta do powielenia wielu układów scalonych, w związku z tym bardzo istotna jest jej trwałość i precyzja wykonania. Maski wykonuje się również metodami litograficznymi. W przypadku technik o niewysokiej rozdzielczości wykorzystujących do naświetlania promieniowanie widzialne można użyć stosunkowo taniej maski szklanej porytej emulsją fotograficzną. Znacznie droższe są maski kwarcowe napylone warstewka chromu i pokryte kilkoma tlenkowymi powłokami antyrefleksyjnymi. Masek tego typu używa się w technikach wysokorozdzielczych wykorzystujących do naświetlania ultrafiolet (kwarc nie pochłania UV). W starszych technikach wzór maski odzwierciedlał powierzchnię płytki w skali 1:1, obecnie wykorzystując inną techniką naświetlania produkuje się maski powiększone w skali 5:1, co pozwala na dalszą miniaturyzację naświetlanych elementów przy zachowaniu precyzji wykonania maski.

Naświetlanie:

Geometria układu naświetlającego:

Na tym etapie krytycznym dla całej operacji jest prawidłowe centrowanie wzory maski i powierzchni wytrawianej płytki, szczególnie istotne, gdy na płytce znajdują się już naniesione poprzednio elementy obwodu. Centrowanie odbywa się wzdłuż osi x i y a także kontrolowane jest równoległe położenie maski nad podłożem. W przypadku układów doświadczalnych centrowanie wykonuje operator za pomocą mikroskopu optycznego, w układach produkcji masowej wykonuje je komputer automatycznie rozpoznający zaprogramowany wzór. Stosuje się trzy rodzaje naświetlania: stykowe, zbliżeniowe (ang. proximity) i projekcyjne. W pierwszej metodzie maska bezpośrednio styka się z warstwą rezystu, co powoduje stosunkowo szybkie zużywanie się maski i naraża ja na zniszczenie np. przez cząsteczki pyłu. Stosując tę metodę uzyskuje się rozdzielczość rzędu długości fali świetlnej (500nm). W drugiej metodzie maska utrzymywana jest w niewielkim oddaleniu od podłoża, co eliminuje wady pierwszej metody, konieczne jest jednak poziomowanie maski poza tym spada znacznie (ze względu na załamanie światła na krawędziach maski) rozdzielczość naświetlanego wzoru (kilka μm). Przewagą ostatniej metody jest możliwość rzutowania wzoru przez układ skupiający a co za tym idzie pomniejszenie odwzorowywanych elementów. W zależności od apretury numerycznej używanego układu optycznego można uzyskać (stosując światło ultrafioletowe) rozdzielczość nawet 100nm. Ceną tak wysokiej rozdzielczości jest jednak utrata głębi ostrości i brak zogniskowania wiązki na całej grubości, fotorezystu, co skutkuje w rozmyciu konturów pionowych naświetlanych elementów.

Sposób naświetlania:

W przypadku techniki projekcyjnej stosuje się dwa główne typy układów naświetlających tzw. steppery (skrót od ang. scan-and-repeat) oraz skanery (ang. scanner). W pierwszym przypadku naświetlany jednocześnie jest cały obszar i zarówno maska jak i podłoże nie poruszają się względem siebie dopóki nie zakończy się naświetlanie, po czym maska przenoszona jest nad nowe miejsce. Steppery wykorzystują optykę refrakcyjną i ze względu na dyspersję muszą korzystać z monochromatycznych źródeł światła. Skanery wykorzystują do naświetlania układ, w którym maska i płytka poruszają się w przeciwnych kierunkach a światło rzutowane jest przez szczelinę ustawioną poprzecznie do kierunku ich ruchu. Intensywność naświetlania reguluje szerokość szczeliny i szybkość ruchu elementów układu. Pierwsze skanery wykorzystywały do ogniskowania układ zwierciadeł i polichromatyczne źródła światła. Obecnie stosuje się rozwiązania hybrydowe typu step-and-scan, które pozwalają na naświetlanie dużych płytek z rozdzielczością dochodzącą do 250nm. Promieniowanie wykorzystywane do naświetlania:

Progiem miniaturyzacji naświetlanych wzorów są ograniczenia dyfrakcyjne wynikające z praw optyki. Rozdzielczość układu optycznego, czyli wielkość najmniejszego rozróżnialnego szczegółu jest proporcjonalna do długości fali stosowanego światła λ i odwrotnie proporcjonalna do apretury numerycznej obiektywu NA. Wysiłki badaczy szły w kierunku poprawienia obu tych parametrów. Początkowo stosowane widzialne światło niebieskie (Hg-G 436nm) zastąpiono ultrafioletem korzystając z kolejnych pasm lampy rtęciowej (Hg- H 405nm, Hg-I 365nm) oraz laserów (250nm i 193nm). Eksperymentalnie stosuje się również tzw. EUV (13nm ang. extreme ultraviolet) produkowane w synchrotronach oraz promieniowanie X. Badania te wymusiły dostosowanie układów optycznych do pracy w dalekim ultrafiolecie (stosuje się specjalne materiały nie absorbujące UV) oraz spowodowały konieczność pracy w warunkach próżniowych ze względu na silną absorpcję dalekiego UV przez gazy atmosferyczne. Równolegle do prac nad źródłem promieniowania udoskonalano optykę zwiększając apreturę z początkowych 0,1NA do 1-1,4NA (praca w olejku immersyjnym lub ultra czystej wodzie). Ciekawym efektem pojawiającym się w czasie naświetlania światłem monochromatycznym jest falisty przekrój poprzeczny wytrawianych kanałów. Zjawisko to jest związane z powstawaniem tzw. fal stojących powstających na skutek interferencji światła padającego i odbitego od podłoża (powstają obszary o niskiej i wysokiej amplitudzie E). Zapobieganie, szczególnie istotne przy fabrykacji bardzo małych wzorów polega na pokrywaniu podłoża specjalną warstwą osłabiającą odbicie o wysokim współczynniku absorpcji.

Fotorezysty i wywoływacze:

Naświetlenie powoduje wzrost (rezysty pozytywowe) lub spadek (rezysty negatywowe) rozpuszczalności fotorezystu powodowany zmianą jego struktury chemicznej. Przykładem często używanego rezystu pozytywowego jest mieszanina Nowolaku (żywica fenolowo-formaldehydowa) z diazochinonem (DNQ) pełniącym rolę inhibitora rozpuszczalności. Pasmo absorpcji DNQ leży w zakresie 300-450nm i związane jest z przejściami n-π* i π-π*. Po naświetleniu gwałtownie wzrasta tempo rozpuszczania polimeru w roztworach zasad. Dawniej do trawienia używano NaOH, jednak ze względu na wysokie powinowactwo jonów sodu do SiO2 i innych powierzchni obecnie stosuje się roztwory czwartorzędowych wodorotlenków amoniowych. Innymi przykładami fotorezystów pozytywowych są poli(metyloakrylanmetylu)– tu po naświetleniu następuje monomeryzacja i uwalniane są grupy karboksylowe zwiększające rozpuszczalność w zasadach oraz aktywowane przez daleki ultrafiolet mieszanki zawierające polihydroksystyren. Przykładem fotorezystu negatywowego jest żywica epoksydowa o handlowej nazwie SU-8 ulegająca w trakcie naświetlania poprzecznemu usieciowaniu. Odrębną grupę stanowią fotorezysty wykorzystujące katalityczne działanie kwasów uwalnianych w czasie ekspozycji, tzw. wzmocnienie chemiczne pozwala na obniżenie intensywności światła. Naświetlanie polimerów wysokoenergetycznymi fotonami UV lub X może prowadzić nie tylko do wzbudzeń elektronowych, lecz także wybijania elektronów, które wtórnie aktywują fotorezyst. W skrajnym przypadku może dochodzić do wybijania elektronów z wewnętrznych powłok i generowania elektronów Auger’a, które mogą w niekontrolowany sposób degradować polimer. Dalsza obróbka i usuwanie rezystu:

Po wywołaniu rezyst jest zazwyczaj utwardzany przez wygrzewanie. Stosując odpowiednie warunki można nadtopić polimer uzyskując pożądane nachylenie ścian obszarów nie wytrawionych. Po tym procesie przystępuje się do właściwego etapu modyfikacji powierzchni półprzewodnikowej np.: metalizacji, osadzania innego półprzewodnika, implementacji jonów, dalszego trawienia itp. Po zakończeniu warstwa rezystu jest usuwana za pomocą rozpuszczalników organicznych takich jak aceton, trichloroetylen, roztwory fenolu itp.

Metody konkurencyjne wobec fotolitografii:

1. Elektronolitografia
2. Rentgenolitografia

Źródła:

Fragment pracy zaliczeniowej „Procesy litograficzne na podłożu półprzewodnikowym” Paweł Majewski wklejony przez autora; w oparciu o wykład dr Andrzeja Kowalika w Instytucie Technologii Materiałów Elektronicznych; G. L.-T. Chiu J.M. Shaw Optical lithography: Introduction ze strony firmy IBM http://www.research.ibm.com/journal/rd/411/chiu.html; http://www.lithoguru.com/scientist/lithobasics.html;