Fotolitografi er en metode til at opnå et bestemt mønster på overfladen af et materiale, som i vid udstrækning anvendes i mikroelektronik og andre typer mikroteknologi , såvel som i produktionen af printplader . En af de vigtigste metoder til plan teknologi, der anvendes til fremstilling af halvlederenheder .
Essensen af fotolitografiprocessen er, at der først påføres en tynd lysfølsom polymerfilm ( fotoresist ) på overfladen, der skal behandles. Derefter belyses denne film gennem en fotomaske med et givet mønster. De udsatte områder fjernes derefter i udvikleren. Mønsteret opnået på fotoresisten bruges til sådanne teknologiske stadier af plan teknologi som ætsning , elektroaflejring , vakuumaflejring og andre. Efter udførelse af en af disse processer fjernes den resterende fotoresist, som ikke er fjernet under fremkaldelsen, også.
Den grundlæggende forskel mellem fotolitografi og andre former for litografi er, at eksponeringen foretages med lys (synligt eller ultraviolet ), mens der i andre former for litografi, røntgenstråler ( røntgenlitografi ), en elektronstråle ( elektronstrålelitografi ) eller ioner ( ionstrålelitografi) bruges til dette. strålelitografi ) med mere.
De mindste dimensioner af detaljerne i billedet, opnåelige i fotolitografi (opløsning), bestemmes af: bølgelængden af den anvendte stråling, kvaliteten af optikken, der bruges til eksponering, egenskaberne af fotoresisten og nå 100 nm. Anvendelse af specielle metoder ( immersionslitografi ) muliggør teoretisk opnåelse af opløsning op til 11 nm .
Indledningsvis renses substratet (i produktionen af monolitiske mikrokredsløb, dette er normalt en enkeltkrystal siliciumwafer ) for forurenende stoffer i et ultralydsbad i forskellige organiske opløsningsmidler: acetone og methanol og ved at skylle i isopropanol . I tilfælde af væsentlig forurening af overfladen behandles den med en blanding af svovlsyre og hydrogenperoxid (H 2 SO 4 + H 2 O 2 ) efterfulgt af RCA - rensningsprocessen.
Forskellige substratmaterialer har forskellig vedhæftning ( adhæsion ) af fotoresisten til det. For eksempel har metaller som aluminium , krom og titanium høj vedhæftning, mens ædle metaller som guld , sølv eller platin har meget dårlig vedhæftning. I tilfælde af lav vedhæftning anbefales det at påføre et tyndt underlag af klæbemiddel inden påføring af fotoresisten , hvilket øger fotoresistens vedhæftning til overfladen, for eksempel hexamethyldisilazane (HMDS). Derudover påføres nogle gange antirefleksbelægninger over fotoresisten .
Den mest udbredte metode til påføring af fotoresist på en overflade er centrifugering. Denne metode gør det muligt at skabe en ensartet fotoresistfilm og styre dens tykkelse ved pladerotationshastigheden (i størrelsesordenen flere tusinde omdrejninger pr. minut). Anvendes typisk ved arbejde med store runde skær.
Ved anvendelse af overflader, der ikke er egnet til centrifugering, for eksempel til belægning af små overflader, anvendes belægning ved nedsænkning i fotoresist. Ulemperne ved denne metode er det høje forbrug af fotoresist og inhomogeniteten af de resulterende film.
Hvis det er nødvendigt at påføre resisten på komplekse overflader, anvendes aerosolsprøjtning, dog er filmtykkelsen med denne påføringsmetode heller ikke ensartet.
Efter påføring af resisten er det nødvendigt at udføre dens foreløbige tørring (garvning). For at gøre dette holdes prøven i flere minutter i en ovn ved en temperatur på 100-120 ° C. Dette trin er nødvendigt for fordampning af opløsningsmidlet indeholdt i fotoresisten, hvilket hjælper med at forbedre vedhæftningen, eliminere klæbning til fotomasken , muligheden for at påføre et andet lag fotoresist og har en positiv effekt i nogle andre aspekter.
Eksponeringsprocessen består i at eksponere fotoresisten gennem en fotomaske indeholdende det ønskede mønster med synligt eller ultraviolet lys, hvilket adskiller fotolitografiprocessen fra andre former for litografi . For eksempel i tilfælde af røntgen- , ionstråle- og elektronlitografi anvendes henholdsvis røntgenstråler , ioner og elektroner til eksponering .
De mest standardeksponeringsbølgelængder i fotolitografi er i-line (365 nm ), h-line (405 nm) og g-line (436 nm) . Hvorom alting er, så kan de fleste fotoresister også udsættes for et bredt spektrum i det ultraviolette område (integral eksponering), hvortil der normalt bruges en kviksølvlampe . I tilfælde af fotolitografi i dyb (hård) ultraviolet , anvendes bølgelængder på omkring 13,5 nm og specielle fotoresists. Blandt de strålingskilder, der bruges i fotolitografi, er de mest almindelige:
Eksponering kan udføres både med brug af en fotomaske og uden denne ( maskeløs litografi ). I sidstnævnte tilfælde er mønsteret på fotoresisten dannet af en direkte bevægende laser- eller elektronstråle, eller en gruppe af dem, fokuseret på overfladen af fotoresisten. I tilfælde af brug af fotomasker bruges projektionseksponeringsmetoder oftere, når et mønster fra en fotomaske overføres til en fotoresist ved hjælp af et optisk linsesystem . I nogle udførelsesformer af litografi kan masken være i kontakt med fotoresisten eller i umiddelbar nærhed i nærværelse af et mikrogab.
Der er teknologier, der kan reducere forvrængning og producere mikrokredsløb med lavere designstandarder:
Ved produktion af halvlederenheder til eksponering af plader med stort areal (150, 200, 300 mm i diameter) anvendes sådanne enheder som steppere og scannere, hvor en lille fotomaske gentagne gange eksponeres for pladen ved at flytte den eksponerede overflade.
De vigtigste eksponeringsparametre er strålingskildens bølgelængde, eksponeringstid og effekt. Som regel har hver fotoresist en bestemt dosisværdi (mJ/cm 2 ), der kræves til eksponeringen, så det er vigtigt at vælge de rigtige eksponeringsparametre. Underdosering kan forårsage problemer med fotoresistudvikling, og overeksponering kan forårsage beskadigelse af fotoresistfilmen. Ydeevnen af fotolitografiske installationer, målt i plader pr. time (wph), afhænger af effektparametrene.
Derudover er det værd at bemærke en sådan fotolitografimetode som "brænding", hvor de nødvendige vinduer i polymerlaget brændes ud under påvirkning af en kraftig lysstrøm på dem, fordamper filmen aflejret på materialet eller brænder materialet sig igennem. Denne metode bruges til fremstilling af kortsigtede offsetformer og i nogle risografisystemer .
Sekundær hærdning udføres umiddelbart efter eksponering og er ikke et obligatorisk trin. Dette trin er kun påkrævet i tilfælde, hvor der anvendes kemisk forbedrede fotoresists, når der anvendes en reversibel fotoresist, når tykke fotoresistfilm skal slappe af, og i nogle andre situationer.
I udviklingsprocessen fjernes dele af fotoresisten med en speciel væske - en fremkalder (for eksempel tetramethylammoniumhydroxid ), der danner vinduer i fotoresistfilmen. I tilfælde af brug af en positiv fotoresist fjernes det eksponerede område, og i tilfælde af et negativt fjernes det ueksponerede område.
Visse fotoresists er udviklet af en bestemt fremkalder og ikke udviklet af andre. Som regel fortyndes fremkalderen med vand (1:2, 1:4), mens fortyndingsgraden styrer fremkaldelseshastigheden, som også afhænger af den eksponeringsdosis, fotoresisten modtager.
Den endelige hærdning af fotoresisten er også et valgfrit trin, selvom det ofte hjælper med at forbedre dens egenskaber. Især forbedrer tørring ved 130-140° C den kemiske og termiske stabilitet af den udviklede fotoresist til efterfølgende trin såsom elektroaflejring, tør- og vådætsning.
Som regel er fotolitografi tæt forbundet med det teknologiske stadium, for hvilket mønsteret opnået fra fotoresisten faktisk er påkrævet. Den mest almindelige proces på dette stadium er ætsning , selvom processer som elektroaflejring og sputtering ofte bruges i omvendt fotolitografi.
ÆtsningÆtsning er den mest almindeligt anvendte proces i forbindelse med fotolitografi til fremstilling af printplader og halvlederenheder til mikroelektronik . Der er to hovedtyper af ætsning: væske (flydende) og tør ætsning . Tørætsning er opdelt i fysisk sputtering, ionsputtering ; gasfase kemisk ætsning; reaktiv ion ætsning . Alt efter opgaverne anvendes en eller anden type ætsning. Vådætsning bruges primært til PCB-fremstilling, men også til offerætsning i MEMS- fremstilling og andre applikationer, hvor isotropisk ætsning (dvs. ætsning i alle retninger) er påkrævet. Plasma , og især dyb plasmaætsning , anvendes, når det er nødvendigt at ætse strukturen relativt dybt, mens væggenes lodrette vinkel bibeholdes så meget som muligt, dvs. ætse anisotropisk, kun i lodret retning. Resultatet af ætsning er tæt forbundet med fotoresistens parametre, som i høj grad bestemmer dens valg.
ElektrodepositionI galvaniseringsprocessen bruges vinduer i fotoresisten til at afsætte materiale fra elektrolytten i dem .
Sprøjtning. Omvendt litografiI tilfælde, hvor det er påkrævet at opnå et mønster fra et materiale, der er dårligt ætset, anvendes den omvendte (eksplosive) litografiproces. I processen med omvendt litografi afsættes et tyndt lag materiale (normalt metal) på den påførte og fremkaldte fotoresist , hvorfra et mønster skal dannes. I næste trin fjernes fotoresisten, så det aflejrede materiale kun forbliver i vinduer, der ikke er beskyttet af fotoresisten, og den film, der er faldet på fotoresisten, føres med, det vil sige den såkaldte " eksplosion” udføres. Til omvendt litografi anvendes som regel specielle LOR (lift-off-resist) fotoresister. Der er talrige modifikationer af denne metode, for eksempel når to eller endda tre fotoresistlag anvendes med forskellige fremkaldelseshastigheder. Generelt kræver nøjagtig fjernelse af fotoresist, at fotoresistfilmen er to eller flere gange tykkere end filmen af aflejret materiale, og at fotoresistens vægge har en negativ hældning, hvilket udelukker muligheden for at belægge dem med det aflejrede materiale.
Det sidste trin i fotolitografiprocessen er fjernelse af fotoresisten. For at fjerne fotoresisten fra den behandlede overflade anvendes enten behandling i en speciel væske - en fjerner (for eksempel dimethylsulfoxid , N-methylpyrrolidon, en blanding af svovlsyre og hydrogenperoxid) eller behandling i et oxygenholdigt plasma. Som regel er visse strippere kun egnede til visse grupper af fotoresists. I processerne med omvendt fotolitografi, sammen med fotoresisten, fjernes filmen af materiale, der dækker den, også. Hvis der blev brugt adhæsionsfremmende midler eller antirefleksbelægninger i de foregående trin, fjernes de normalt også af stripperen.