Fotolitografia (electrònica)

Fotolitografia (també, litografia òptica o litografia UV), en electrònica, és un procés pel qual es transfereix un patró des d'una fotomàscara a la superfície d'una oblia. La fotolitografia fa servir llum ultravioleta per transferir un model geomètric extremadament petit des d'una fotomàscara a un substrat sensible a la llum. Aleshores s'hi apliquen tot un seguit de processos de deposició o gravat. Es necessita una atmosfera extremadament neta (sala blanca). Les sales blanques estan lliures de partícules en suspensió, així com de l'exposició a llums blaus o ultraviolats, per evitar tant la contaminació del procés com l'exposició indesitjada de les foto resines.

Fig.1 Il·lustració simplificada del gravat en sec usant fotolitografia sobre semiconductor (no està a escala).

Etimologia

El terme «fotolitografia» és format pel terme grec φῶς "phōs" (arrel φωτ- phōt, ‘llum’) prefixat al terme «litografia», compost pels mots grecs λίθος, "pedra" i γράφω "graf" (arrel γράφ-graf, ‘escriure’).

La litografia és un mètode d'impressió desenvolupat al s. XIX per imprimir textos o imatges sobre una pedra calcàrea. S'afegeix el prefix foto- al terme per parlar del procés posterior de reproduir dibuixos en pedra mitjançant l'acció química de la llum, però el seu significat ha proliferat amb l'aparició de la tecnologia. Ara, és un mecanisme essencial en la fabricació de microxips i dispositius electrònics, substituint la pedra per les oblies de silici.

Procediment

Fase	Descripció
Neteja	L'oblia de silici es neteja mitjançant un tractament químic; per exemple, segons la norma RCA clean. És essencial que estigui neta i lliure de partícules per l'adhesió de les capes foto resistents posteriors. Per aquest motiu, és una seqüència de processos químics entre els quals les oblies s'esbandeixen amb aigua desionitzada entre cada pas.
Oxidació	Aquesta és una de les claus de la tecnologia microelectrònica, que n'ha permès el desenvolupament descomunal. En aquest pas s'oxida la superfície del silici, creant una capa de SiO2 a la seva superfície que té una funció doble: actua com a capa protectora de la superfície del silici i és aïllant elèctric. Es realitza en forns a temperatures de 900 °C a 1000 °C en atmosferes que contenen O2 i/o vapor de H₂O. L'escalfament de l'oblia a alta temperatura és essencial per deshumidificar-la
Capes d'acondicionament	S'aplica una capa de compost químic líquid que actua com enllaç entre el silici i la resina. Potencia l'adhisió de la resina prevenint que es desprengui de l'oblia.
Aplicació fotoresistiva	Aplicació d'una capa de resina foto resistent mitjançant una tècnica de centrifugació (spin coating). La resina surt per un injector i es diposita sobre la superfície de l'oblia. L'oblia gira dins de l'equip fent que la resina s'estengui fins a crear una capa uniforme. La velocitat i l'acceleració dels moviments de manipulació de l'oblia són responsables del gruix i la uniformitat de la fotoresina.
Escalfament	Posteriorment, es torna a escalfar l'oblia perquè la capa de resina quedi compacta.
Exposició i desenvolupament	Es transfereix el disseny de la màscara a l'oblia. Les màscares són vidres amb dissenys determinats que deixen passar la llum en zones determinades, fent que el seu patró quedi replicat sobre la resina de l'oblia. Es treballa amb un alineador de màscares i l'oblia s'exposa a llum ultraviolada. La fotoresistència s'il·lumina a través de les zones no enfosquides pel patró dibuixat a la màscara. L'oblia s'estova a les parts il·luminades sotmetent-la a un agent químic.
Gravat i Eliminació fotoresistiva	L'oblia és inserida a líquid revelador i, posteriorment a aigua desionitzada. S'asseca l'oblia i s'eliminen les parts sense insolar amb agents químics com àcid nítric. És una neteja de residus fotosensibles.

Tecnologia

Tecnologies en la preparació del substrat

Una oblia s'introdueix en un sistema automatitzat de seguiment (wafertrack). Aquest consisteix en un conjunt de robots que controlen el procés de forma autònoma. Manipulen els procesos de forn/refredament, així com els processos de recobriment/desenvolupament de les unitats. Un exemple és el procés d'escalfament inicial per eliminar la humitat de la superfície de l'oblia. Els robots s'utilitzen per transferir les oblies d'un mòdul a un altre.

La forma més simple d'exposició és una impressió de contacte o de proximitat. Una impressió de contacte s'obté col·locant la fotomàscara en contacte directe amb l'oblia. En una impressió de proximitat hi ha gairebé sempre un petit forat entre la fotomàscara i l'oblia. El patró de la fotomàscara s'imprimeix directament sobre l'oblia fotoresistent en tots dos casos. La resolució de la imatge obtinguda és causada per l'arrel quadrada del producte de la longitud d'ona i la distància de separació. D'aquesta manera, la impressió de contacte, pel fet que té una separació pràcticament nul·la ofereix una millor resolució.

Tecnologies d'il·luminació

El mètode més emprat actualment en fotolitografia és la projecció. El patró de la màscara és projectat directament sobre la superfície de l'oblia mitjançant una màquina anomenada escàner o stepper. Les funcionalitats de l'stepper/scanner són semblants a les d'un projector. La llum procedeix d'un llum d'arc de mercuri o d'un làser excímer focalitzat a través d'un complex sistema de lents sobre la màscara que conté la imatge desitjada. La llum passa a través de la màscara i es focalitza sobre la superfície de l'hòstia mitjançant un sistema de lents de reducció. El sistema de reducció pot variar segons el disseny, però sol ser força usual un ordre de magnitud en la reducció de 4X-5X.

Quan la imatge és projectada sobre l'oblia, el material fotoresistent actua només a certs rangs de longituds d'ona, cosa que causa que les regions exposades canviïn les seves propietats fisicoquímiques. Generalment, es canvia l'acidesa del substrat de la resina, fent que sigui més àcid o alcalí que la part no exposada. Si la regió exposada és més àcida, es diu que és una resina positiva, mentre que és negativa si és més alcalina. La resistència és "revelada" per exposició a una solució alcalina que elimina les parts exposades de la resina (en el cas d'una fotoresistència positiva) o no exposada (fotoresistència negativa). Aquest procés té lloc després que l'oblia s'hagi transferit del sistema d'exposició al wafertrack.

Les dissolucions fixadores emprades corresponen a dissolucions amb hidròxid de sodi (NaOH). No obstant això, el sodi és considerat com un component contaminant extremadament indesitjable a la indústria de fabricació dels components MOSFET, ja que afecta negativament les propietats aïllants de les portes, en el seu lloc s'empra hidròxid de tetrametil d'amoni (TMAH) que està lliure de sodi.

La capacitat per imprimir imatges clares depèn de la longitud d'ona emprada a la projecció. Les fonts de llum actuals utilitzen longituds d'ona al rang de l'ultraviolat profund (DUV), és a dir, de longituds d'ona que varien entre els 248 i 193 nanòmetres. Aquestes longituds d'ona permeten una capacitat de discerniment de detalls de com a màxim 50 nanòmetres. Per reduir aquest límit d'impressió per sota dels 50 nm calen altres tècniques basades en llum de 193 nm, així com tècniques d'immersió en líquids (litografia per immersió).

Les eines que fan servir longituds d'ona de 157 nm DUV actuen de manera similar als sistemes actuals d'exposició. El 2006 l'empresa IBM va aconseguir litografiar detalls menors de 30 nm.[1] Altres tècniques emprades avui dia cauen dins del camp de la nanolitografia.

Vegeu també

• Fotolitografia ultraviolada extrema (electrònica)
• Litografia de raigs X