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:
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.
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.
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
•Полигидроксистирен
•Рентгенорезисты и электронорезисты
–ПММА (PMMA) – полиметилметактрилат – оргстекло, позитивный
Эксимерными называют газовые лазеры, работающие на электронных переходах молекул, кратковременно существующих в условиях электрического разряда.
Резист обычно наносится с помощью центрифугирования
Сушка резиста - обычно не более 100 градусов
•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
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.
Длины волн экспонирования в литографии
Схемы 4х различных видов экспонирования.
Показаны
a) контактный метод экспонирования,
b)экспонирование с микрозазором и
c) d)проекционные методы экспонирования
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:
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:
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.
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.
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.
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.
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.
Как видно из табл. 1, в которой сравниваются различные методы литографии, рентгеновская литография позволяет получать размеры элементов около 0,1 мкм
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:
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 |
•«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)
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
Комментарии
Оставить комментарий
Конструирование и проектирование электронной аппаратуры
Термины: Конструирование и проектирование электронной аппаратуры