Fotolitografi är en metod för att erhålla ett visst mönster på ytan av ett material, flitigt använt inom mikroelektronik och andra typer av mikroteknik , såväl som vid produktion av tryckta kretskort . En av de viktigaste metoderna för planteknik som används vid tillverkning av halvledarenheter .
Kärnan i fotolitografiprocessen är att först appliceras en tunn fotokänslig polymerfilm ( fotoresist ) på ytan som ska behandlas. Därefter belyses denna film genom en fotomask med ett givet mönster. De utsatta områdena tas sedan bort i utvecklaren. Mönstret som erhålls på fotoresisten används för sådana tekniska stadier av plan teknologi som etsning , elektrolytisk utfällning , vakuumdeponering och andra. Efter att ha utfört en av dessa processer avlägsnas även den återstående fotoresisten, som inte avlägsnats under framkallningen.
Den grundläggande skillnaden mellan fotolitografi och andra typer av litografi är att exponeringen görs med ljus (synligt eller ultraviolett ), medan i andra typer av litografi, röntgenstrålar ( röntgenlitografi ), en elektronstråle ( elektronstrålelitografi ) eller joner ( jonstrålelitografi) används för detta. strållitografi ) med mera.
De minsta dimensionerna av detaljerna i bilden, som kan uppnås i fotolitografi (upplösning), bestäms av: våglängden på den använda strålningen, kvaliteten på optiken som används för exponering, egenskaperna hos fotoresisten och nå 100 nm. Tillämpning av speciella metoder ( immersionslitografi ) gör det teoretiskt möjligt att erhålla upplösning upp till 11 nm .
Inledningsvis rengörs substratet (vid produktionen av monolitiska mikrokretsar, detta är vanligtvis en enkristall kiselskiva ) från föroreningar i ett ultraljudsbad i olika organiska lösningsmedel: aceton och metanol och genom att skölja i isopropanol . Vid betydande kontaminering av ytan behandlas den med en blandning av svavelsyra och väteperoxid (H 2 SO 4 + H 2 O 2 ) följt av RCA -rengöringsprocessen.
Olika substratmaterial har olika vidhäftning ( vidhäftning ) av fotoresisten till den. Till exempel har metaller som aluminium , krom och titan hög vidhäftning, medan ädelmetaller som guld , silver eller platina har mycket dålig vidhäftning. Vid låg vidhäftning rekommenderas att applicera ett tunt underskikt av lim innan du applicerar fotoresisten , vilket ökar fotoresistens vidhäftning mot ytan, till exempel hexametyldisilazane (HMDS). Dessutom appliceras ibland antireflektionsbeläggningar över fotoresisten .
Den mest använda metoden för att applicera fotoresist på en yta är centrifugering. Denna metod gör det möjligt att skapa en likformig fotoresistfilm och kontrollera dess tjocklek genom plattans rotationshastighet (i storleksordningen flera tusen varv per minut). Används vanligtvis vid arbete med stora runda skär.
Vid användning av ytor som inte är lämpliga för centrifugering, till exempel för beläggning av små ytor, används beläggning genom nedsänkning i fotoresist. Nackdelarna med denna metod är den höga förbrukningen av fotoresist och inhomogeniteten hos de resulterande filmerna.
Om det är nödvändigt att applicera resisten på komplexa ytor används aerosolsprutning, men filmtjockleken med denna appliceringsmetod är inte heller enhetlig.
Efter applicering av resisten är det nödvändigt att utföra dess preliminära torkning (härdning). För att göra detta hålls provet i flera minuter i en ugn vid en temperatur av 100-120 ° C. Detta steg är nödvändigt för avdunstning av lösningsmedlet som finns i fotoresisten, vilket hjälper till att förbättra vidhäftningen, eliminera att fastnar på fotomasken , möjligheten att applicera ett andra lager av fotoresist och har en positiv effekt i vissa andra aspekter.
Exponeringsprocessen består i att exponera fotoresisten genom en fotomask innehållande det önskade mönstret med synligt eller ultraviolett ljus, vilket skiljer fotolitografiprocessen från andra typer av litografi . Till exempel, när det gäller röntgen- , jonstråle- och elektronlitografi , används röntgenstrålar , joner respektive elektroner för exponering .
De vanligaste exponeringsvåglängderna inom fotolitografi är i-line (365 nm ), h-line (405 nm) och g-line (436 nm). Hur som helst, de flesta fotoresister kan också exponeras för ett brett spektrum i ultraviolett intervall (integrerad exponering), för vilket man vanligtvis använder en kvicksilverlampa . När det gäller fotolitografi i djup (hård) ultraviolett , används våglängder på cirka 13,5 nm och speciella fotoresister. Bland de strålkällor som används i fotolitografi är de vanligaste:
Exponering kan utföras både med användning av en fotomask och utan den ( masklös litografi ). I det senare fallet bildas mönstret på fotoresisten av en direkt rörlig laser- eller elektronstråle, eller en grupp av dem, fokuserad på fotoresistens yta. Vid användning av fotomasker används oftare projektionsexponeringsmetoder när ett mönster från en fotomask överförs till en fotoresist med hjälp av ett optiskt linssystem . I vissa utföringsformer av litografi kan masken vara i kontakt med fotoresisten, eller i omedelbar närhet, i närvaro av ett mikrogap.
Det finns teknologier som kan minska distorsion och producera mikrokretsar med lägre designstandarder:
Vid tillverkning av halvledarenheter för exponering av plattor med stor yta (150, 200, 300 mm i diameter) används sådana enheter som steppers och skannrar, där en liten fotomask upprepade gånger exponeras för plattan genom att flytta den exponerade ytan.
De huvudsakliga exponeringsparametrarna är strålningskällans våglängd, exponeringstid och effekt. Som regel har varje fotoresist ett visst dosvärde (mJ/cm 2 ) som krävs för sin exponering, så det är viktigt att välja rätt exponeringsparametrar. Underdosering kan orsaka problem med fotoresistframkallning, och överexponering kan orsaka skada på fotoresistfilmen. Prestanda för fotolitografiska installationer, mätt i plattor per timme (wph), beror på effektparametrarna.
Dessutom är det värt att notera en sådan metod för fotolitografi som "bränning", där de nödvändiga fönstren i polymerskiktet bränns ut under påverkan av ett kraftigt ljusflöde på dem, förångar filmen som avsatts på materialet eller bränner materialet sig igenom. Denna metod används för tillverkning av kortsiktiga offsetformer och i vissa risografisystem .
Sekundär härdning utförs omedelbart efter exponering och är inte ett obligatoriskt steg. Detta steg krävs endast i de fall där kemiskt förbättrade fotoresist används, när en reversibel fotoresist används, när tjocka fotoresistfilmer behöver slappna av och i vissa andra situationer.
I framkallningsprocessen avlägsnas delar av fotoresisten med en speciell vätska - en framkallare (till exempel tetrametylammoniumhydroxid ), vilket bildar fönster i fotoresistfilmen. Vid användning av en positiv fotoresist tas det exponerade området bort, och i fallet med ett negativt avlägsnas det oexponerade området.
Vissa fotoresister är framkallade av en viss framkallare och inte framkallade av andra. Som regel späds framkallaren med vatten (1:2, 1:4), medan spädningsgraden styr framkallningshastigheten, vilket också beror på exponeringsdosen som fotoresisten tar emot.
Den slutliga härdningen av fotoresisten är också ett valfritt steg, även om det ofta hjälper till att förbättra dess egenskaper. Speciellt förbättrar torkning vid 130-140° C den kemiska och termiska stabiliteten hos den framkallade fotoresisten för efterföljande steg såsom elektroavsättning, torr- och våtetsning.
Som regel är fotolitografi nära relaterad till det tekniska stadiet, för vilket mönstret som erhålls från fotoresisten faktiskt krävs. Den vanligaste processen i detta skede är etsning , även om processer som elektrodeponering och sputtering ofta används i omvänd fotolitografi.
EtsningEtsning är den mest använda processen i samband med fotolitografi vid tillverkning av kretskort och halvledarenheter för mikroelektronik . Det finns två huvudtyper av etsning: flytande (flytande) och torretsning . Torretsning är uppdelad i fysisk sputtering, jonförstoftning ; kemisk etsning i gasfas; reaktiv jonetsning . Beroende på arbetsuppgifterna används en eller annan typ av etsning. Våtetsning används främst vid PCB-tillverkning, men också för offeretsning vid MEMS- tillverkning och andra applikationer där isotropisk etsning (dvs etsning i alla riktningar) krävs. Plasma , och i synnerhet djup plasmaetsning , används när det är nödvändigt att etsa strukturen relativt djupt, samtidigt som väggarnas vertikala vinkel bibehålls så mycket som möjligt, det vill säga etsa anisotropiskt, endast i vertikal riktning. Resultatet av etsning är nära relaterat till fotoresistens parametrar, vilket till stor del avgör dess val.
ElektrodepositionI elektropläteringsprocessen används fönster i fotoresisten för att avsätta material från elektrolyten i dem .
Besprutning. Omvänd litografiI de fall det krävs att få ett mönster från ett material som är dåligt etsat, används den omvända (explosiva) litografiprocessen. I processen av omvänd litografi , avsätts ett tunt lager av material (vanligtvis metall) på den applicerade och framkallade fotoresisten , från vilken ett mönster ska bildas. I nästa steg tas fotoresisten bort, så att det avsatta materialet bara förblir i fönster som inte skyddas av fotoresisten, och filmen som har fallit på fotoresisten förs bort med den, det vill säga den så kallade " explosion” genomförs. För omvänd litografi används som regel speciella LOR (lift-off-resist) fotoresister. Det finns många modifieringar av denna metod, till exempel när två eller till och med tre fotoresistskikt används med olika framkallningshastigheter. I allmänhet kräver noggrant avlägsnande av fotoresist att fotoresistfilmen är två eller flera gånger tjockare än filmen av avsatt material, och att fotoresistens väggar har en negativ lutning, vilket utesluter möjligheten att belägga dem med det avsatta materialet.
Det sista steget i fotolitografiprocessen är borttagningen av fotoresisten. För att ta bort fotoresisten från den behandlade ytan används antingen behandling i en speciell vätska - en remover (till exempel dimetylsulfoxid , N-metylpyrrolidon, en blandning av svavelsyra och väteperoxid), eller behandling i en syrehaltig plasma. Som regel är vissa strippor endast lämpliga för vissa grupper av fotoresister. I processerna för omvänd fotolitografi, tillsammans med fotoresisten, avlägsnas också filmen av material som täcker den. Om vidhäftningsfrämjande medel eller antireflexbeläggningar användes i de tidigare stegen, tas de vanligtvis också bort av strippern.