Вам бонус- начислено 1 монета за дневную активность. Сейчас у вас 1 монета

Процессы и использование фотолитографии и нанолитографи

Лекция



Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про фотолитография, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое фотолитография, нанолитография , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Конструирование и проектирование электронной аппаратуры.

фотолитография — метод получения определенного рисунка на поверхности материала, широко используемый в микроэлектронике и полиграфии. Один из основных и самых дорогостоящих приемовпланарной технологии, используемой в производстве полупроводниковых приборов.

Суть процесса фотолитографии сводится к тому, что на обрабатываемую поверхность наноситсяфоторезист, который экспонируется светом через фотошаблон с заданным рисунком. Далее проэкспонированные участки фоторезиста удаляются в проявителе. Получившийся на фоторезисте рисунок используется для таких технологических этапов планарной технологии, как травление,электроосаждение, вакуумное напыление, пескоструйная обработка и другие. После проведения одного из этих процессов, остатки фоторезиста удаляются снимателем.

Принципиальное отличие фотолитографии от других видов литографии заключается в том, что экспонирование производится видимым или ультрафиолетовым излучением, тогда как в других видах литографии для этого используется рентгеновское излучение, поток электронов, поток ионов, жесткий ультрафиолет, и другое.

•Таким образом, нанолитография в современном понимании - это технология переноса рисунка с шаблона на конкретную поверхность (полимерную пластину, полупроводниковую подложку и т.д.) с помощью светового излучения (фотолитография), рентгеновского излучения (рентгенолитография), потока электронов/ионов (электронно-лучевая/ионно-лучевая), а также непосредственно методами сканирующей зондовой микроскопии (с помощью СТМ или АСМ).

•В последнее десятилетие термин “нанолитография” используется в более широком значении как метод формирования на поверхности подложки не только электронных схем, но и наноструктур (или рисунков с нанометровым разрешением) путем переноса их изображения с помощью маски или штампа, или же непосредственным воздействием на поверхность образца (литография с помощью СТМ или АСМ).

В соответствии с последним определением, нанолитография - это создание "правильных" групп атомов и молекул на подложке из обычного вещества.
Нанолитографией в широком смысле слова называют создание любых структур, имеющих размеры порядка нескольких нанометров.
Это шаг к разработке и конструированию первых деталей наномашин, в том числе ассемблера (нанороботов).

Нанолитография (в микроэлектронике)

- способ массового изготовления интегральных микросхем с использованием в литографическом оборудовании источника излучения с длиной волны менее 13,5 нм и проекционной оптической системы на основе отражающих многослойных зеркал.

Технология нанолитографии в микроэлектронике чаще всего включает в себя следующие этапы:

  • - нанесение фоточувствительной полимерной пленки (фоторезиста) на кремневую пластину;
  • - сушку и последующее облучение (экспонирование) пленочного покрытия пластины с определенным рисунком через соответствующую маску;
  • - проявление (травление) экспонированного покрытия в специальном растворе;
  • - формирование на подло жке физической структуры элементов электронной схемы.

Нанолитография требует осуществление процесса с бóльшим разрешением.
Количественно разрешение по закону Рэлея определяется соотношением
Δ = kλ / A
где k ≈ 0,6; λ – длина волны используемого излучения;

А – апертура оптики.


Из этого соотношения следует, что улучшать разрешение можно путем уменьшения λ и увеличения А.
Возможности увеличения А ограничены техническими особенностями оптических систем, пригодных для литографии. Реально удается достигать А ≈ 0,8.
Таким образом, остается один путь – применение источников излучения с меньшей величиной длины волны λ.
В оптическом диапазоне и ултрафиолетовом диапазоне (436 –126 нм ) этого добиться невозможно.
Из приведенных соображений и вытекает, что нанолитография с размером элементов изображения R< 100 нм требует перехода к более жесткому излучению.

Процесс фотолитографии

Процессы и использование фотолитографии и нанолитографи

Очистка и подготовка поверхности

При наличии на пластине загрязнений, пластина может быть отмыта в ходе двухступенчатого процесса: очистка ацетоном, для устранения органических загрязнений и последующее полоскание в изопропаноле для удаления оставшегося ацетона. В случае значительных загрязнений поверхности, ее можно обработать раствором H2SO4и H2O2 с последующим применением процесса RCA очистки. Для очистки поверхности от осажденных из воздуха молекул воды, поверхность нагревают до температуры около 120оС в течении нескольких минут.

Различные поверхности имеют различную адгезию, что необходимо учитывать в процессе нанесения фоторезиста. Например, такие металлы, как алюминий, хром ититан имеют превосходную адгезию, в то время как благородные металлы, такие как золото или платина имеют очень плохую адгезию. В случае плохой адгезии, перед нанесением фоторезиста, сначала наносят подслой (адгезив) усиливающий адгезию, например гексаметилдисилазан (ГМДС). Кроме этого, иногда предварительно, а иногда и поверх фоторезиста, наносят антиотражающие покрытия.

Нанесение фоторезиста

Процессы и использование фотолитографии и нанолитографи

Установки центрифугирования для нанесения фоторезиста

Фоторезист

Наиболее широко распространенный метод нанесения фоторезистов на поверхность — это центрифугирование. Этот метод позволяет создавать однородную пленку фоторезиста и контролировать ее толщину скоростью вращения пластины (порядка нескольких тысяч оборотов в минуту). Как правило используется при работе с большими круглыми пластинами.

При использовании не подходящих для центрифугирование поверхностей, например для покрытия небольших поверхностей, используется нанесение окунанием в фоторезист. Недостатками этого метода являются большой расход фоторезиста и неоднородность получаемых пленок.

При необходимости нанести резист на сложные поверхности используется аэрозольное распыление, однако толщина пленки при таком методе нанесения также не является однородной.

•Фоторезистора — специальный материал, который изменяет свои физико-химические свойства при облучении светом.

•Фоторезист имеет светочувствительный состав, обычно органический

•Если после экспонирования становятся растворимыми засвеченные области фоторезиста, то процесс фотолитографии называется негативным. Иначе — позитивным.

•Спектр используемого света

–Ультрафиолет ~ 350, 400, 435 нм (линии ртутной лампы)

•DNQ-novolac, позитивный

–Дальний ультрафиолет ~ 157, 193, 248 нм(эксимерные газовые лазеры)

•Полигидроксистирен

•Рентгенорезисты и электронорезисты

–ПММА (PMMA) – полиметилметактрилат – оргстекло, позитивный

Эксимерными называют газовые лазеры, работающие на электронных переходах молекул, кратковременно существующих в условиях электрического разряда.

Нанесение резиста

Многостадийная очистка подложки

  • Удаление органических соединений
  • Удаление металлов
  • Удаление остатков от растворителей – деионизованная вода
  • Сушка пластины – нельзя допускать высыхания воды на пластине самой по себе (очистка паром, горячая вода, сушка с обдувом)
  • Нанесение праймера для улучшения адгезии

Резист обычно наносится с помощью центрифугирования

  • Скорость вращения от 1000 до 10000 об/мин
  • Скорость вращения, время, количество резиста определяются для каждого типа резиста, требуемой толщины, типа подложки и т.п.

Сушка резиста - обычно не более 100 градусов

Процессы и использование фотолитографии и нанолитографи

Фотошаблон

•Фотошаблон — пластина, прозрачная для используемого в данном процессе электромагнитного излучения, с рисунком, выполненным непрозрачным для используемого излучения красителем.

•Фотошаблон - плоскопараллельная кварцевая пластина
с нанесенным тонким слоем хрома – рисунок

–При массовом производстве получают несколько наборов шаблонов – рабочий и мастер-шаблон

•Главная проблема - прецизионное совмещение шаблона и подложки

– необходимо попасть в нужное место

Процессы и использование фотолитографии и нанолитографи

Предварительное задубливание

После нанесения резиста необходимо провести его предварительную сушку (задубливание). Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Для этого образец выдерживается несколько минут в печи, при температуре 100—120оС. Этот этап необходим для испарения растворителя содержащегося в фоторезисте, что способствует улучшению адгезии, исключению прилипания кфотошаблону, возможности нанесения второго слоя фоторезиста и имеет положительное влияние в некоторых других аспектах.

Экспонирование

Процессы и использование фотолитографии и нанолитографи

Длины волн экспонирования в литографии

Процессы и использование фотолитографии и нанолитографиПроцессы и использование фотолитографии и нанолитографи

Схемы 4х различных видов экспонирования.

Показаны

a) контактный метод экспонирования,

b)экспонирование с микрозазором и

c) d)проекционные методы экспонирования

Процессы и использование фотолитографии и нанолитографи

Процессы и использование фотолитографии и нанолитографи

Процесс экспонирования заключается засветке фоторезиста через фотошаблон, содержащий желаемый рисунок, светом видимого или ультрафиолетового диапазона, что и отличает процесс фотолитографии от других видов литографии. К примеру, в случае рентгеновской, ионно-лучевой иэлектронной литографии, для экспонирования, используются рентгеновкие лучи, ионы и электронысоответственно.

Наиболее стандартными длинами волны экспонирования в фотолитографии являются i-линия (365нм), h-линия (405нм) и g-линия (436нм). Как бы то ни было, большинство фоторезистов могут быть проэкспонированы и широким спектром в ультрафиолетовом диапазоне (интегральное экспонирование), для чего обычно применяется ртутная лампа. В случае фотолитографии в глубоком (жестком) ультрафиолете используются длины волн около 13,5нм и специальные фоторезисты. Среди источников излучения, использующихся в фотолитографии наиболее распространены:

  • Ртутная лампа (около 400 нм)
  • Эксимерный лазер KrF (248 нм)
  • Эксимерный лазер ArF (193 нм)
  • Эксимерный лазер F2 (157 нм; только экспериментальные установки)

Экспонирование может проводиться как с использованием фотошаблона, так и без него (безмасочная литография). В последнем случае рисунок на фоторезисте формируется непосредственно перемещающимся лазерным или электронным лучом или их группой, сфокусированным на поверхности фоторезиста. В случае же применения фотошаблонов чаще используются проекционные методы экспонирования, когда рисунок с фотошаблона переносится на фоторезист с использованием системы оптических линз. В некоторых вариантах литографии, маска может находиться в контакте с фоторезистом, или в непосредственной близости, при наличии микрозазора.

Существуют технологии, позволяющие уменьшить искажения и изготовить микросхемы с меньшими проектными нормами:

  • Optical proximity correction (Коррекция эффекта оптической близости)
  • Off-axis illumination (Применение вне-осевого освещения)
  • Фазосдвигающие маски (PCM)
  • Иммерсионная литография
  • Двойное формирование рисунка
  • Двойное формирование рисунка со спейсерами (spacer double patterning)

При производстве полупроводниковых приборов, для экспонирования больших по площади пластин (150, 200, 300 мм в диаметре) используют такие аппараты, какстепперы и сканеры, в которых небольшой фотошаблон экспонируется на пластину многократно с помощью перемещения экспонируемой поверхности.

Основными параметрами экспонирования являются длина волны, время экспонирования и мощность источника излучения. Как правило каждый фоторезист имеет определенное значение дозы (мДж/см2), необходимой для его экспонирования, поэтому важно правильно подобрать параметры экспонирования. При недостаточной дозе могут возникнуть проблемы с проявлением фоторезиста, а чрезмерное экспонирование может вызвать повреждения пленки фоторезиста. От мощностных параметров зависит производительность фотолитографических установок, измеряемая в пластинах в час (wph).

Дополнительно стоит отметить такой метод фотолитографии, как «выжигание», при котором необходимые окна в полимерном слое выжигаются под воздействием на них мощного светового потока, испаряющего нанесенную на материал пленку или прожигающего сам материал насквозь. Этот способ применяется для изготовления малотиражных офсетных форм и в некоторых системах ризографии.

Вторичное задубливание

Вторичное задубливание производится непосредственно после экспонирования и не является обязательным шагом. Этот этап требуется лишь в случаях применения химически усиленных фоторезистов, применения обращаемого фоторезиста, потребности в релаксации толстых пленок фоторезиста и в некоторых других ситуациях.

Проявление

В процессе проявления, части фоторезиста удаляются специальной жидкостью — проявителем (например гидроксид тетраметиламмония), формируя окна в пленке фоторезиста. В случае использования позитивного фоторезиста, удаляется проэкспонированная область, а в случае негативного, не проэкспонированная.

Определенные фоторезисты проявляются определенным проявителем и не проявляются другими. Как правило, проявитель разбавляется водой (1:2, 1:4), при этом степень разбавления контролирует скорость проявления, которая так же зависит от полученной фоторезистом дозы при экспонировании.

Финальное задубливание

Окончательное задубливание фоторезиста также является не обязательным шагом, хотя нередко помогает улучшить его свойства. В частности, сушка при 130—140оС повышает химическую и температурную устойчивость проявленного фоторезиста для таких последующих этапов, как электроосаждение, сухое и жидкостное травление.

Обработка поверхности

Как правило, фотолитография тесно связана с технологическим этапом, для которого собственно и требуется получаемый из фоторезиста рисунок. Наиболее распространенным процессом на этом этапе является травление, хотя нередко применяются и такие процессы как электроосаждение и напыление при проведении обратной фотолитографии.

Травление

Травления является наиболее часто используемым в совокупности с фотолитографией процессом, при производстве печатных плат и полупроводниковых приборов длямикроэлектроники. Существуют два основных вида травления: жидкостное (жидкое) и плазменное (сухое). В зависимости от задач, применяют тот или иной тип травления. В целом, жидкостное травление применяют, в основном, при изготовлении печатных плат, а также для вытравливания жертвенного слоя при изготовленииМЭМС, и других применений, где требуется изотропное травление (то есть травление во всех направлениях). Плазменное, и в особенности глубокое плазменное травление, применяют когда необходимо протравить структуру относительно глубоко, сохраняя при этом, как можно более вертикальный угол наклона стенок, то есть протравить анизотропно, только в вертикальном направлении. Результат травления тесно связан с параметрами фоторезиста, что во многом, и определяет его выбор.

Электроосаждение

В процессе электроосаждения, окна в фоторезисте используются для осаждения в них материала из электролита.

Напыление. Обратная литография

В случаях, когда требуется получить рисунок из материала плохо подвергающегося травлению, используют процесс обратной (взрывной) литографии. В процессе обратной литографии, на нанесенный и проявленный фоторезист напыляется тонкий слой материала (обычно металла) из которого требуется сформировать рисунок. На следующем этапе, производится снятие фоторезиста, так что напыленный материал остается только в окнах, незащищенных фоторезистом, а пленка попавшая на фоторезист уносится вместе с ним, то есть осуществляется так называемый «взрыв». Для обратной литографии, как правило, используются специальные LOR (lift-of-resist) фоторезисты. Существуют многочисленные модификации этого метода, например, когда используются два или даже три слоя фоторезистов с разной скоростью проявления. В целом, для аккуратного снятия фоторезиста, требуется чтобы пленка фоторезиста была в два и более раз толще, чем пленка напыленного материала, а также, чтобы стенки фоторезиста имели отрицательный наклон, что исключит возможность их покрытия напыляемым материалом.

Снятие фоторезиста

Финальным этапом процесса фотолитографии является снятие фоторезиста. Для удаления фоторезиста с обработанной поверхности используют специальную жидкость — сниматель (например диметилсульфоксид). Как правило, определенные сниматели подходят только к определенным группам фоторезистов. В процессах обратной фотолитографии, вместе с фоторезистом удаляется и покрывающая его пленка материала. Если на предыдущих этапах применялись усилители адгезии или антиортажающие покрытия, они, как правило, также удаляются снимателем.

Сравнение различных методов литографии

Другие виды литографии

Как видно из табл. 1, в которой сравниваются различные методы литографии, рентгеновская литография позволяет получать размеры элементов около 0,1 мкм

Рентгенолитография представляет собой метод контактной печати, аналогичный методу фотолитографической контактной печати с зазором и использующий актиничное излучение мягких рентгеновских лучей с λ = 0,2÷1,5 нм, что способствует устранению дифракционных ограничений, характерных для фотолитографии [55]. Ей присущи такие неоспоримые преимущества, как высокая разрешающая способность (примерно 500 нм), нечувствительность к пыли и загрязнениям, отсутствие проблем, связанных с рассеянием, возможность применения как позитивных, так и негативных рентгенорезистов, возможность экспонирования всей пластины в отсутствие вакуума, простота и низкая стоимость [56]. Разрешающая способность реально ограничена величиной поглощения рентгеновского излучения металлическим рисунком шаблона. Шаблоны, применяемые в процессе рентгенолитографии, изготавливаются с помощью электронолитографии из пленок золота на кремниевой подложке толщиной 2–5 мкм. Кремний может быть заменен майларом, который обладает меньшим коэффициентом поглощения, что позволяет увеличить толщину подложки [56]. Рисунок шаблона выполняется на пленке золота, обладающего большим коэффициентом поглощения рентгеновских лучей. Дальнейшее повышение разрешающей способности обеспечивают электронно-лучевые методы (табл. 5.7.25).

Вышеуказанные методы литографии для получения требуемой конфигурации элементов с высоким разрешением, как и метод оптической литографии, требуют специальной разработки новых резистов, технологического оборудования, технологических процессов и условий их проведения, а также отдельного и детального описания этих методов литографии (достоинств, недостатков, возможностей и технологических режимов и т. д.).

К основным достоинствам фотолитографии относятся:

  • повышение разрешающей способности, проявляющееся в разработке методов проекционной фотолитографии и, особенно, в переходе от оптической фотолитографии к рентгеновской и электронно-лучевой литографии;
  • улучшение реального качества процесса, в первую очередь снижение плотности локальных дефектов за счет повышения производственной гигиены, автоматизации процесса, сокращения числа операций (например, создание рисунка без шаблона, т. е. непосредственно на рабочей пластине).

Таблица 1

Сравнение различных методов литографии

Характеристика процесса Оптическая литография Рентгеновская литография Электронно-лучевая литография
контактная проекционная сканирующая полная проекция

Длина волны излучения, нм

300 300 0,4–1,4 0,01 0,01

Практическое разрешение, мкм

0,6–1,0 0,4–1,0 0,7 0,1–0,15 1,0–2,0

Шаблон

Стекляный с хромовым покрытием

Стекляный

Кремниевый с золотым покрытием

Не нужен

Сложный фотокатод

Время экспонирования (стандартная пластина)

Секунды Десятки секунд

От нескольких секунд до нескольких минут

От нескольких минут до нескольких часов (сложные рисунки)

Десятки секунд

Совмещение

Визуальное, фотоэлектрическое

С помощью датчика рентгеновского излучения

С помощью специального датчика электрического сигнала

Достоинства

Простота, высокая производительность

Отсутствие износа шаблонов, более чистые условия, отсутствие дифракции в зазоре между шаблоном и резистом

Отсутствие контакта при обеспечении высокой разрешающей способности, высокая производительность, относительная простота (пластина не в вакууме)

Отсутствие шаблона, высокая разрешающая способность

Высокие производительность и разрешающая способность

Недостатки

Износ шаблонов и повреждение слоя при контакте, дифракция в зазоре между шаблоном и резистом

Сложная оптика, мощные УФ осветители, трудности фокусировки высокоразрешающих объективов

Трудности фокусировки рентгеновских лучей, необходимость вакуумной системы для источника

Сложное Лабораторное оборудование, помещение пластины в вакуум, трудности совмещения, низкая производительность

Сложное Лабораторное оборудование, помещение пластины в вакуум, трудности совмещения, сложности изготовления шаблонов-фотокатодов

Альтернативные способы фотолитографии:

•«Взрывной». (обратная фотолитография) При его использовании слой материала наносится на слой предварительно облученного и протравленного фоторезиста, после чего остатки фоторезиста удаляются, унося с собой области материала, под которыми он располагался. Используется для изготовления рисунков из материалов, не имеющих травителя, либо если травитель является слишком агрессивным.

•«Выжигание». Необходимые окна в полимерном слое разрушаются воздействием на них мощного светового потока, испаряющего нанесенную на материал пленку или прожигающего сам материал насквозь. Применяется для изготовления малотиражных офсетных форм и в некоторых системах ризографии.

Другие способы нанолитографии -

существуют и другие методы в порядке развития микро- и нанолитографии(уменьшения размров получаемых элементов)

Вау!! 😲 Ты еще не читал? Это зря!

Статью про фотолитография я написал специально для тебя. Если ты хотел бы внести свой вклад в развитие теории и практики, ты можешь написать коммент или статью отправив на мою почту в разделе контакты. Этим ты поможешь другим читателям, ведь ты хочешь это сделать? Надеюсь, что теперь ты понял что такое фотолитография, нанолитография и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Конструирование и проектирование электронной аппаратуры

создано: 2014-09-13
обновлено: 2022-01-09
132568



Рейтиг 9 of 10. count vote: 2
Вы довольны ?:


Найди готовое или заработай

С нашими удобными сервисами без комиссии*

Как это работает? | Узнать цену?

Найти исполнителя
$0 / весь год.
  • У вас есть задание, но нет времени его делать
  • Вы хотите найти профессионала для выплнения задания
  • Возможно примерение функции гаранта на сделку
  • Приорететная поддержка
  • идеально подходит для студентов, у которых нет времени для решения заданий
Готовое решение
$0 / весь год.
  • Вы можите продать(исполнителем) или купить(заказчиком) готовое решение
  • Вам предоставят готовое решение
  • Будет предоставлено в минимальные сроки т.к. задание уже готовое
  • Вы получите базовую гарантию 8 дней
  • Вы можете заработать на материалах
  • подходит как для студентов так и для преподавателей
Я исполнитель
$0 / весь год.
  • Вы профессионал своего дела
  • У вас есть опыт и желание зарабатывать
  • Вы хотите помочь в решении задач или написании работ
  • Возможно примерение функции гаранта на сделку
  • подходит для опытных студентов так и для преподавателей



Комментарии


Оставить комментарий
Если у вас есть какое-либо предложение, идея, благодарность или комментарий, не стесняйтесь писать. Мы очень ценим отзывы и рады услышать ваше мнение.
To reply

Конструирование и проектирование электронной аппаратуры

Термины: Конструирование и проектирование электронной аппаратуры