Fotolitografia

Fotolitografia  (alebo „optická litografia“) je proces, ktorý sa využíva v mikroelektrotechnológiách na výrobu polovodičových súčiastok.Využíva svetlo na prenos geometrického vzoru z fotomasky na svetlo citlivý tzv. fotorezistívny materiál, nanesený na substrát. Na polovodičovú platničku sa nanesie vrstva fotorezistu, osvieti sa intenzívnym svetlom prechádzajúcim maskou, ktorá ma tvar požadovaného obvodu a následná séria chemických procesov má za následok vytvorenie vzoru z fotomasky. Fotorezist chráni ním pokryté miesta pred vyleptaním. Vo všeobecnosti integrované obvody napríklad moderné CMOS obvody prechádzajú procesom fotolitografie viac ako 50krát.
Fotolitografia využíva niektoré základné procesy ako fotografia. Vzor na základnej platničke vzniká vystavením svetelnému žiareniu s požadovanou maskou obvodu. Tento proces je možné prirovnať ku vysoko presnej metóde na prefocovanie obvodov na dosky plošných spojov. Ďalšie čiastkové úkony v procese majú viac spoločné s leptaním ako s litografickou potlačou. Hlavnou výhodou fotolitografie je presná kontrola tvaru a veľkosti obvodu ako aj úspora miesta a tým aj materiálu, čo má pozitívny vplyv na nákladovosť pri výrobe. Hlavnou nevýhodou tejto techniky je požiadavka na extrémne rovný základný substrát, extrémne čisté prostredie a nízka efektivita v prípade požiadavky na oblúkovité tvary obvodov.

Základné postupy 
Každé opakovanie procesu fotolitografie spája niekoľko krokov. Moderné superčisté výrobné miestnosti sú plne automatizované systémami na riadenie procesu. Následný opis výrobného postupu vynecháva niektoré pokročilé postupy výrobnej technológie ako je napríklad vyhladzovanie substrátu.

Príprava 
Platnička sa na začiatku zohreje na teplotu, ktorá dostačuje na to, aby sa zaistilo odstránenie zostatkovej vlhkosti substrátu. Potom sa platničky chemicky čistia (aj s pomocou ultrazvuku), aby sa zaistilo odstránenie akejkoľvek organickej alebo anorganickej kontaminácie materiálu. Na očistené platničky sa nanáša chemická látka, ktorá zabezpečí veľkú priľnavosť fotorezistu na substrát. Vrchná vrstva platničky reaguje s látkou zvyšujúcou priľnavosť a vytvára tak vrstvu s vysoko vodu-odpudivými vlastnosťami. Táto vrstva zabraňuje akémukoľvek následnému prenikaniu vlhkosti medzi fotorezist a povrch substrátu, čím by vznikali nežiaduce deformácie v tvare a štruktúre obvodu.

Nanášanie fotorezistu 
Na platničku je fotorezist nanášaný takzvaným  rotačným rozprašovaním. Na platničku je rozprášený tekutý roztok fotorezistu a následnou rotáciou platničky rýchlosťou 1200 až 4800 ot./min po dobu 30 až 60 sekúnd dochádza k rovnomernému rozmiestneniu fotorezistu po celej ploche v hrúbke 0,5 až 2,5 μm. Dosahovaná odchýlka v hrúbke fotorezistu je v intervale 5 až 10 nm. Táto minimálna odchýlka vychádza z praktického využitia mechaniky kvapalín. Nadbytočné vrchné vrstvy fotorezistu sú vysokou rotačnou rýchlosťou  odstraňované z povrchu platničky, zatiaľ čo spodná vrstva fotorezistu je vplyvom vnútorných síl v kvapaline priľnutá ku vrstve substrátu a radiálne sa rozteká po povrchu platničky. Záverečná hrúbka vrstvy fotorezistu je tiež determinovaná rýchlosťou vyparovania rozpúšťadla obsiahnutého vo fotoreziste. Fotorezistom pokryté platničky sú zohrievané za spomínaným účelom odparenia rozpúšťadiel po dobu 30 až 60 sekúnd pri teplote 90 až 100 ˚C.

Osvit (Expozícia) a vyvolávanie 
Po zohriatí sú platničky s fotorezistom vystavené intenzívnemu svetlu prechádzajúcemu cez masku obvodu. Optická fotolitografia spravidla využíva ultrafialové žiarenie. Po ožiarení je nutné aby platničky prešli ďalším vypálením, ktoré pomáha redukovať fenomén stojatej vlny spôsobený interferenciou svetla. Poznáme dva druhy rezistov – pozitívne a negatívne. Pozitívne rezisty (napríklad PMMA) sú UV žiarením degradované a stávajú sa tak menej odolné voči vývojke. Naopak, negatívne rezisty (napríklad SU-8) sú UV žiarením sieťované a teda sa stávajú odolnejšími. Následne sú platničky vkladané do chemického roztoku nazývanom „vývojka“. Miesta, ktoré boli osvietené UV žiarením prechádzajúcim maskou sa vplyvom chemickej reakcie vo vývojke odplavia (pozitívne rezisty), resp. miesta, ktoré neboli osvietené sa odplavia (negatívne rezisty). Vývojky boli pôvodne na báze hydroxidu sodného, ale vzhľadom na to, že sodíkové katióny spôsobovali v obvodoch MOSFET zhoršovanie izolačných vlastností brán v tranzistoroch a následné nežiaduce zmeny prahového napätia obvodu, začali sa využívať vývojky na báze roztokov neobsahujúcich kovové ióny, ako napríklad hydroxid tetrametylamoniaku (TMAH). Potom sa platničky opäť vypaľujú zvyčajne na teplote 100 až 180˚C po dobu 1 až 30 minút (v závislosti na použitom reziste).

Lept 
Miesta, ktoré nie sú zakryté fotorezistom je možné odstrániť leptom s cieľom vytvárať rôzne štruktúry. Proces leptania je možné previesť tzv. „mokrým“ alebo „suchým“ spôsobom (plazma). Kontaktom zlúčeniny určenej na leptanie s miestami, ktoré nie sú chránené fotorezistom dochádza k odstraňovaniu ich vrchných vrstiev. Mokrý spôsob je vlastne klasický chemický lept – platnička je ponorená do roztoku leptadla alebo leptadlo je rozprašované na platničku. Povrch platničky chemicky reaguje s leptadlom a vznikajú rozpustné alebo plynné zlúčeniny. Príkladom na mokrý lept je napríklad lept kremíka alebo oxidu kremičitého kyselinou fluorovodíkovou, či lept vrstvy chrómu na maskách dusičnanom amónno-ceričitým. Existuje viacero spôsobov leptu v plazme, napríklad lept reaktívnymi iónmi (RIE, z angl. Reactive Ion Etching). Potom ako fotorezist splnil svoju úlohu sa odstraňuje chemickým rozpúšťaním (pre PMMA sa napríklad používa acetón). Alternatívou je odstraňovanie fotorezistu kyslíkovou plazmou, ktorá spôsobuje jeho oxidáciu.

Externé odkazy 
 BYU Photolithography Resources
 Semiconductor Lithography –  Overview of lithography
 Optical Lithography Introduction –  IBM site with lithography-related articles
 Immersion Lithography Article – Shows how depth-of-focus is increased with immersion lithography
Photolithography Equipment- UV Light Shields & Information

Zdroj

Litografia