Fotolitografia on menetelmä tietyn kuvion saamiseksi materiaalin pinnalle, jota käytetään laajalti mikroelektroniikassa ja muun tyyppisessä mikrotekniikassa sekä painettujen piirilevyjen valmistuksessa . Yksi tärkeimmistä tasotekniikan menetelmistä, joita käytetään puolijohdelaitteiden tuotannossa .
Fotolitografiaprosessin ydin on, että ensin levitetään ohut valoherkkä polymeerikalvo ( fotoresisti ) käsiteltävälle pinnalle. Sitten tämä filmi valaistaan valokuvanaamion läpi tietyllä kuviolla . Altistuneet alueet poistetaan sitten kehittimessä. Fotoresistillä saatua kuviota käytetään tasotekniikan sellaisissa teknologisissa vaiheissa kuin etsaus , sähköpinnoitus , tyhjiöpinnoitus ja muut. Kun jokin näistä prosesseista on suoritettu, myös jäljelle jäänyt fotoresisti, jota ei poisteta kehityksen aikana, poistetaan.
Pohjimmainen ero fotolitografian ja muun tyyppisen litografian välillä on se, että valotus tehdään valolla (näkyvä tai ultravioletti ), kun taas muissa litografian tyypeissä röntgensäteet ( röntgenlitografia ), elektronisäde ( elektronisuihkulitografia ) tai tähän käytetään ioneja ( ionisuihkulitografia). Sädelitografia ) ja paljon muuta.
Kuvan yksityiskohtien pienimmät, fotolitografiassa saavutettavat mitat (resoluutio) määräytyvät: käytetyn säteilyn aallonpituuden , valotukseen käytetyn optiikan laadun, fotoresistin ominaisuuksien ja 100 nm:n saavuttamisen perusteella. Erikoismenetelmien ( immersiolitografia ) käyttö mahdollistaa teoriassa resoluution saavuttamisen 11 nm asti .
Aluksi substraatti (monoliittisten mikropiirien valmistuksessa tämä on yleensä yksikiteinen piikiekko ) puhdistetaan epäpuhtauksista ultraäänihauteessa erilaisissa orgaanisissa liuottimissa: asetonissa ja metanolissa sekä huuhtelemalla isopropanolissa . Jos pinnalla on merkittävää kontaminaatiota, se käsitellään rikkihapon ja vetyperoksidin seoksella (H 2 SO 4 + H 2 O 2 ), minkä jälkeen suoritetaan RCA - puhdistusprosessi.
Eri substraattimateriaaleilla on erilainen fotoresistin tarttuvuus ( adheesio ) siihen. Esimerkiksi metallien, kuten alumiinin , kromin ja titaanin , tarttuvuus on korkea, kun taas jalometallien , kuten kullan , hopean tai platinan , tarttuvuus on erittäin huono. Jos tarttuvuus on heikko, on suositeltavaa levittää ohut aluskerros liimaa ennen fotoresistin levittämistä , mikä lisää fotoresistin kiinnittymistä pintaan, esimerkiksi heksametyylidisilatsaani (HMDS). Lisäksi joskus fotoresistin päälle levitetään heijastuksenestopinnoitteita .
Yleisimmin käytetty menetelmä fotoresistien levittämiseksi pinnalle on sentrifugointi. Tämä menetelmä mahdollistaa yhtenäisen fotoresistikalvon luomisen ja sen paksuuden säätämisen levyn pyörimisnopeudella (suuruusluokkaa useita tuhansia kierroksia minuutissa). Tyypillisesti käytetään työskenneltäessä suurten pyöreiden sisäosien kanssa.
Käytettäessä sentrifugointiin soveltumattomia pintoja, esimerkiksi pienten pintojen pinnoittamiseen, käytetään pinnoitusta upottamalla fotoresistiin. Tämän menetelmän haittoja ovat fotoresistin suuri kulutus ja tuloksena olevien kalvojen epähomogeenisuus.
Jos estoainetta on tarpeen levittää monimutkaisille pinnoille, käytetään aerosolisuihkutusta, mutta myös kalvonpaksuus ei ole tällä levitysmenetelmällä tasainen.
Resistin levittämisen jälkeen on tarpeen suorittaa sen esikuivaus (parkitus). Tätä varten näytettä pidetään useita minuutteja uunissa lämpötilassa 100-120 ° C. Tämä vaihe on välttämätön fotoresistin sisältämän liuottimen haihtumiseksi , mikä auttaa parantamaan tarttuvuutta ja eliminoi kiinnittymisen fotomaskiin . , mahdollisuus levittää toinen kerros fotoresistiä ja sillä on positiivinen vaikutus joihinkin muihin.
Valotusprosessi koostuu valoresistin valotuksesta fotomaskin läpi, joka sisältää halutun kuvion näkyvällä tai ultraviolettivalolla, mikä erottaa fotolitografiaprosessin muista litografiatyypeistä . Esimerkiksi röntgen- , ionisuihku- ja elektronilitografiassa valotukseen käytetään röntgensäteitä , ioneja ja elektroneja .
Tavallisimmat valotusaallonpituudet fotolitografiassa ovat i-line (365 nm ), h-linja (405 nm) ja g-linja (436 nm) . Oli miten oli, useimmat fotoresistit voidaan myös altistaa laajalle spektrille ultraviolettialueella (integroitu valotus), johon yleensä käytetään elohopealamppua . Fotolitografiassa syvässä (kovassa) ultravioletissa käytetään noin 13,5 nm:n aallonpituuksia ja erityisiä fotoresistejä . Fotolitografiassa käytetyistä säteilylähteistä yleisimpiä ovat:
Valotus voidaan suorittaa sekä valokuvanaamion avulla että ilman sitä ( naamioton litografia ). Jälkimmäisessä tapauksessa fotoresistin kuvio muodostuu suoraan liikkuvasta laser- tai elektronisäteestä tai niiden ryhmästä, joka on fokusoitu fotoresistin pintaan. Valomaskien käytössä käytetään useammin projisointivalotusmenetelmiä, jolloin kuvamaskin kuvio siirretään optisen linssijärjestelmän avulla fotoresistille . Joissakin litografian suoritusmuodoissa maski voi olla kosketuksessa fotoresistin kanssa tai sen välittömässä läheisyydessä mikroraon läsnä ollessa.
On olemassa teknologioita, jotka voivat vähentää vääristymiä ja tuottaa mikropiirejä, joiden suunnittelustandardit ovat alhaisemmat:
Suuripintaisten (halkaisijaltaan 150, 200, 300 mm) levyjen valotukseen tarkoitettujen puolijohdelaitteiden valmistuksessa käytetään sellaisia laitteita, kuten stepperejä ja skannereita, joissa pieni valonaamio valotetaan levylle toistuvasti liikuttamalla valotettua pintaa.
Tärkeimmät altistusparametrit ovat säteilylähteen aallonpituus, valotusaika ja teho. Pääsääntöisesti jokaisella fotoresistillä on tietty sen valotukseen tarvittava annosarvo (mJ/cm 2 ), joten on tärkeää valita oikeat valotusparametrit. Aliannostus voi aiheuttaa ongelmia fotoresistin kehittymisessä, ja ylivalotus voi vahingoittaa fotoresistikalvoa. Fotolitografisten asennusten suorituskyky mitattuna levyinä tunnissa (wph) riippuu tehoparametreista.
Lisäksi on syytä huomata sellainen fotolitografiamenetelmä kuin "polttaminen", jossa polymeerikerroksen tarvittavat ikkunat poltetaan niihin voimakkaan valovirran vaikutuksesta, haihduttamalla materiaalille kerrostunut kalvo tai polttamalla materiaalia. itsensä läpi. Tätä menetelmää käytetään lyhytaikaisten offset-muotojen valmistukseen ja joissakin risografiajärjestelmissä .
Toissijainen kovetus suoritetaan välittömästi altistuksen jälkeen, eikä se ole pakollinen vaihe. Tämä vaihe vaaditaan vain tapauksissa, joissa käytetään kemiallisesti tehostettuja fotoresistejä, kun käytetään käännettävää fotoresistiä, kun paksujen fotoresistikalvojen täytyy rentoutua ja joissakin muissa tilanteissa.
Kehitysprosessissa osat fotoresististä poistetaan erityisellä nesteellä - kehiteaineella (esimerkiksi tetrametyyliammoniumhydroksidilla ), jolloin fotoresistikalvoon muodostuu ikkunoita. Käytettäessä positiivista fotoresistiä valotettu alue poistetaan ja negatiivisessa valottamaton alue.
Tietyt kehittäjät ovat kehittäneet tietyt fotoresistit, eivätkä muut. Pääsääntöisesti kehite laimennetaan vedellä (1:2, 1:4), kun taas laimennusaste ohjaa kehitysnopeutta, joka riippuu myös fotoresistin vastaanottamasta valotusannoksesta.
Fotoresistin lopullinen kovettaminen on myös valinnainen vaihe, vaikka se usein auttaa parantamaan sen ominaisuuksia. Erityisesti kuivaus 130-140 ° C:ssa parantaa kehitetyn fotoresistin kemiallista ja lämpöstabiilisuutta myöhempiä vaiheita, kuten sähkösaostusta, kuiva- ja märkäsyövytystä varten.
Fotolitografia liittyy pääsääntöisesti läheisesti siihen tekniseen vaiheeseen, johon itse asiassa tarvitaan fotoresististä saatua kuviota. Yleisin prosessi tässä vaiheessa on etsaus , vaikka prosesseja, kuten sähkösaostusta ja sputterointia , käytetään usein käänteisessä fotolitografiassa.
EtsausEtsaus on yleisimmin käytetty prosessi fotolitografian yhteydessä mikroelektroniikkaan tarkoitettujen painettujen piirilevyjen ja puolijohdelaitteiden valmistuksessa . Syövytystä on kahta päätyyppiä: nestemäinen (neste) ja kuivaetsaus . Kuivaetsaus on jaettu fyysiseen sputterointiin, ionisputterointiin ; kaasu-faasi kemiallinen etsaus; reaktiivinen ionisyövytys . Tehtävistä riippuen käytetään yhtä tai toista etsaustyyppiä. Märkäsyövytystä käytetään ensisijaisesti piirilevyjen valmistuksessa, mutta myös uhrautuvassa etsauksessa MEMS -valmistuksessa ja muissa sovelluksissa, joissa vaaditaan isotrooppista syövytystä (eli syövytystä kaikkiin suuntiin). Plasmaa ja erityisesti syväplasmaetsausta käytetään silloin, kun rakenne on tarpeen etsata suhteellisen syvälle, samalla kun seinien pystysuora kulma säilyy mahdollisimman paljon, eli syövytetään anisotrooppisesti vain pystysuunnassa. Syövytyksen tulos liittyy läheisesti fotoresistin parametreihin, mikä määrää suurelta osin sen valinnan.
ElektrodepositionGalvanointiprosessissa fotoresistissä olevia ikkunoita käytetään materiaalin keräämiseen elektrolyytistä niihin .
Ruiskutus. Käänteinen litografiaTapauksissa, joissa on tarpeen saada kuvio huonosti syövytetystä materiaalista, käytetään käänteistä (räjähtävää) litografiaprosessia. Käänteisen litografian prosessissa levitetyn ja kehitetyn fotoresistin päälle kerrostetaan ohut kerros materiaalia (yleensä metallia) , josta muodostetaan kuvio. Seuraavassa vaiheessa fotoresisti poistetaan, jolloin kerrostunut materiaali jää vain ikkunoihin, joita fotoresistillä ei ole suojattu, ja fotoresistille pudonnut kalvo viedään sen mukana eli ns. räjähdys" suoritetaan. Käänteisessä litografiassa käytetään yleensä erityisiä LOR-valoresistejä (lift-off-resist). Tähän menetelmään on olemassa lukuisia muunnelmia, esimerkiksi kun käytetään kahta tai jopa kolmea fotoresistikerrosta eri kehitysnopeuksilla. Yleensä fotoresistin tarkka poistaminen edellyttää, että fotoresistikalvo on vähintään kaksi kertaa paksumpi kuin kerrostetun materiaalin kalvo ja että fotoresistin seinillä on negatiivinen kaltevuus, mikä sulkee pois mahdollisuuden päällystää ne kerrostetulla materiaalilla.
Fotolitografiaprosessin viimeinen vaihe on fotoresistin poistaminen. Fotoresistin poistamiseksi käsitellyltä pinnalta käytetään joko käsittelyä erityisessä nesteessä - poistoaine (esimerkiksi dimetyylisulfoksidi , N-metyylipyrrolidoni, rikkihapon ja vetyperoksidin seos) tai käsittelyä happea sisältävässä plasmassa. Pääsääntöisesti tietyt irrotusaineet soveltuvat vain tietyille fotoresistiryhmille. Käänteisen fotolitografian prosesseissa fotoresistin mukana poistetaan myös sitä peittävä materiaalikalvo. Jos edellisissä vaiheissa käytettiin tarttuvuutta edistäviä aineita tai heijastuksenestopinnoitteita, poistaja yleensä myös poistaa ne.