Fotolitografía

Fotolitografía

Obleas fotolitografiadas.

La fotolitografía és un procés amprat en la fabricació de dispositius semiconductors o circuits integrats. El procés consistix en transferir un patró des d'una fotomáscara (denominada retícula) a la superfície d'una oblea. El silici, en forma cristalina, es processa en l'indústria en forma de obleas. Les obleas s'ampren com a substrat litogràfic, no obstant existixen atres opcions com el vidre, safir, i inclús metals. La fotolitografía (també denominada "microlitografía" o "nanolitografía") treballa de manera anàloga a la litografia empleada tradicionalment en els treballs d'impressió i compartix alguns principis fonamentals en els processos fotogràfics.

Processos de la fotolitografía

Un cicle típic de procediments en la fotolitografía podria constar dels següents processos:

• Preparació del substrat. S'escomença depositant una capa de metal conductivo de varis nanómetros de gruixa sobre el substrat.
• Aplicació de les resines fotoresistentes. S'aplica sobre la capa metàlica una atra capa de resina fotosensible. Sol ser una substància que canvia les seues característiques químiques en l'exposició a la llum (generalment radiació ultravioleta).
• Introducció en el forn (calfament llauger). En esta etapa es fixen les resines sobre el substrat de silici.
• Exposició a la llum. S'usa una placa (denominada fotomáscara) en àrees opaques i transparents en el patró a imprimir. La fotomáscara es coloca interponent-se entre la placa preparada i la font lluminosa, d'esta manera, s'exponen a la llum, només unes parts de la fotorresina, mentres que unes atres queden amagades en l'obscuritat.

La llum que s'utilisa té una llongitut d'ona en la zona ultravioleta (UV) de l'espectre. Quant més curta la llongitut d'ona, major la resolució que es pot alcançar, per lo que sempre s'han anat buscat fonts de llum (llànties o làsers) en menor llongitut d'ona. Inicialment es varen utilisar llànties de mercuri (Hg), i posteriorment varen escomençar a utilisar-se làsers de excímero, en llongituts d'ona encara més curtes. Actualment s'utilisen principalment els làsers de KrF, en la llongitut d'ona de 248nm i ArF, en una llongitut d'ona de 193nm, que és lo que es coneix com Ultravioleta profunt (Deep UV o DUV en anglés)

• Revelat. En esta fase, la fotoresistencia està preparada per a reaccionar de forma diferent a un atac químic, deixant el patró de la fotomáscara gravat en la placa.
• Introducció en el forn (calfament fort). Es fixen els canvis que l'impressió ha realisat anteriorment.
• Aplicació del àcit nítric o aigua forta. Es netegen els restants de les resines fotorresistentes, deixant la oblea en les marques originals de la fotomáscara.

Un spinner amprat per a aplicar una capa fotosensible a la superfície d'una oblea de silici.

Les sales blanques a on es realisen estes operacions solen estar lliures de partícules en suspensió, aixina com de l'exposició a llums blaves o ultravioletas, en l'objecte d'evitar tant la contaminació del procés com l'exposició indeseada de les fotorresinas. l'espectre de llum amprat per a l'allumenament dels processos és de color groc, per a evitar qualsevol tipo de reflex.

La litografia s'ampra en este complex procés d'elaboració ya que es té un complet control del tamany i dimensions de les parts impreses sobre les obleas de silici, ademés de poder traslladar els patrons de la fotomáscara a tota la superfície de la oblea al mateix temps. Una de les principals desventages, d'este procediment, són les necessàries dependències d'un substrat, ademés el método no es pot usar en la generació d'imàgens que no són planes. A este inconvenient caldria afegir les extremes condicions de neteja requerides quan es tracten les obleas. Quan s'elabora un circuit integrat complex, (per eixemple un dispositiu CMOS) la oblea pansa pel cicle unes cinquanta voltes. Per a l'elaboració d'un transistor de capa prima (TFT) el procés de fotolitografía s'eixecuta unes quantes voltes.

Tecnologia

Tecnologies en la preparació del substrat

Una oblea s'introduïx en un sistema automatizado de seguiment ("wafertrack"). Este tram automatizado consistix en un conjunt de robots que manipulen el procés de forma autònoma, de forn/refredat, aixina com els processos de recobriment/desenrolle de les unitats. Els robots s'ampren per a transferir les obleas d'un mòdul a un atre. Les obleas es calfaven inicialment en un forn a una temperatura suficient elevada com per a eliminar la humitat de la superfície de la oblea. S'afig a l'atmòsfera hexa-metil-disilizano (HMDS) en l'objecte de facilitar l'adheriment de la fotoresina, que és un material polimèric denominat fotoresistor. Quan s'afig la fotoresina es gira la placa per a que es distribuïxca homogéneament. La velocitat i acceleració dels moviments de manipulació de la oblea són paràmetros importants d'esta fase, ya que són els responsables de la gruixa i uniformitat de la fotoresina. Les obleas recobertes s'introduïxen en un forn per a que siguen tractades en temperatures no molt altes.

Part del wafertrack amprada per a ser allumenada en llum de 365 nm (ultravioleta).

La forma més simple d'exposició és una impressió de contacte o de proximitat. Una impressió de contacte s'obté colocant la fotomáscara en contacte directe en la oblea. En una impressió de proximitat existix casi sempre un chicotet buit entre la fotomáscara i la oblea. El patró de la fotomáscara s'imprimix directament sobre la oblea fotoresistente en abdós casos. La resolució de la "image" obtinguda ve donada per la raïl quadrada del producte de la llongitut d'ona i la distància de separació. D'esta forma, l'impressió de contacte, degut a que té una separació pràcticament nula oferix una millor resolució.

Tecnologies d'allumenament

El método més corrent empleat en l'actualitat en fotolitografía és la proyecció. El patró de la caraça és proyectat directament sobre la superfície de la oblea per mig d'una màquina denominada escàner o stepper. Les funcionalitats del stepper/scanner són similars a les d'un proyector. La llum procedix d'una llàntia d'arc de mercuri o d'un làser excímero focalizado a través d'un complex sistema de lents sobre la "caraça" (denominada també retícul), que conté l'image desijada. La llum passa a través de la caraça i es focaliza sobre la superfície de la oblea per mig d'un sistema de lents de reducció. El sistema de reducció pot variar segons el disseny pero sol ser prou usual un orde de magnitut en la reducció de 4X-5X.

Quan l'image és proyectada sobre la oblea, el material fotoresistente actua només a certs rancs de llongituts d'ona, lo que causa que les regions expostes canvien les seues propietats físic-químiques. Generalment es canvia l'acidea del substrat de la resina, fent que siga més àcit o alcalino que la part no exposta. Si la regió exposta és més àcida es diu que és una resina positiva, mentres que és negativa si és més alcalina. La resistència és "revelada" per exposició a una solució alcalina que elimina les parts expostes de la resina (en el cas d'una fotoresistencia positiva) o no exposta (fotoresistencia negativa). Este procés té lloc en acabant de que la oblea s'haja transferit del sistema d'exposició al wafertrack.

Les dissolució fijadoras empleades corresponen a dissolució en hidròxit de sodi (NaOH). No obstant el sodi és considerat com un component contaminant extremadament indesijable en l'indústria de fabricació dels components MOSFET, degut a que afecta negativament a les propietats aïllants de les portes, en el seu lloc s'ampra hidròxit de tetrametilo d'amoni (TMAH) que està lliure de sodi.

La capacitat per a imprimir imàgens clares depén de la llongitut d'ona empleada en la proyecció. Els fonts de llum actuals ampren llongituts d'ona en el ranc del ultravioleta profunt (DUV), és dir, de llongituts d'ona que varien entre els 248 i 193 nanómetros. Estes llongituts d'ona permeten una capacitat de discernimiento de detalls de com a màxim 50 nanómetros. Per a reduir este llímit d'impressió per baix dels 50 nm es necessiten d'atres tècniques basades en llum de 193 nm, aixina com tècniques d'immersió en líquits (litografia per immersió).

Les ferramentes que ampren llongituts d'ona de 157 nm DUV actuen d'una forma similar als sistemes actuals d'exposició. En 2006 l'empresa IBM va conseguir litografiar detalls menors de 30 nm. Atres tècniques empleades hui en dia cauen dins del camp de la nanolitografía.