Optinen litografia

Optinen litografia on puolijohdeteollisuudessa käytetty menetelmä mikropiirien valmistuksessa, jossa siirretään valokuvamaskin johdinkuvio substraatin, esimerkiksi piikiekon, pinnalle. Optinen litografiamenetelmä sekä sisältää samankaltaisuuksia normaalin taidepainatuksessa käytetyn litografiamenetelmän kanssa että käyttää joitakin samoja periaatteita kuin normaali valokuvan kehitysprosessi.

Optinen litografia sisältää yhdistelmän:
 Substraatin valmistelusta: kuivaamisesta ja adheesiopromoottorin levityksestä (engl. dehydration bake; priming)
 valoresistin (valoherkän lakan tai valotuslakan) levityksestä (engl. photoresist spinning)
 esipaistosta (engl. soft bake)
 kohdistuksesta (jossa uusi kerros kohdistetaan aiemmin tehtyyn kerrokseen) (engl. alignment)
 valotuksesta (engl. exposure)
 kehityksestä (engl. development)
 jälkipaistosta (engl. hard bake)

Litografian jälkeen kiekko jatkoprosessoidaan, jolloin vaihtoehtoja ovat muun muassa:

 etsaus
 metallin kasvatus höyrystämällä tai sputteroimalla, ns. lift-off-metallointi 
 ioni-istutus seostusatomien saattamiseksi kiekon sisään
 galvaaninen kasvatus metallin kasvattamiseksi
 muunnelmia muista kemiallisista käsittelyistä (juoksutteet, pintajännityksen poisto ja niin edelleen), joita tehdään vaiheittain alkujaan tasaiselle pinnalle.

Tekniikan työvaiheet 
Litografiatyövaihe piikiekolle alkaa levittämällä valoresistikerros (tavallisesti paksuudeltaan mikrometri(e)n luokkaa). Spinnauksen jälkeen esipaisto poistaa liuottimen. Sitten läpinäkyvä valomaskiksi (engl. photomask) kutsuttu levy, jolle on kuvioitu läpinäkymättömiä alueita, laitetaan valolähteen ja piikiekon väliin. Valo tulee elohopealampusta, kulkee maskin läpi ja valottaa halutut alueet UV-valolla. Negatiivinen valoresisti kovettuu altistuessaan UV-valolle, positiivinen resisti taas muuttuu helpommin liukenevaksi valottuessaan. Tämän jälkeen valoresisti kehitetään, ja valottuneet ja valolta suojatut alueet syöpyvät eri nopeuksilla, mahdollistaen kuviot vain halutuille alueille. Jälkipaiston jälkeen resistiä voidaan käyttää suojamaskina monille työvaiheille, joista tyypillinen on johdinmateriaalin syövyttäminen. Etsauksen jälkeen poistetaan valoresisti, jolloin substraatiille jää valomaskin mukainen johdinkuvio.

Litografian etuna on, että sillä voidaan luoda kuvio koko kiekolle yhdellä kertaa. Ongelmana optisessa litografiassa on, että sillä on vaikea luoda kolmiulotteisia muotoja. Litografia tehdään puhdastilassa, jossa lämpötilan ja kosteuden vaihtelut on eliminoitu prosessin toistettavuuden parantamiseksi. Mitä pienempiä viivoja valmistetaan, sitä suurempi on puhdastilalta vaadittava partikkelipuhtaus. 

Täydellisen integroidun piirin kuten CMOS-piirin valmistuksessa piikiekko saattaa käydä litografiavaiheen läpi jopa 35 kertaa (prosessorit tai RF-IC-piirit). TFT-ohutkalvotransistorissa tehdään normaalisti paljon vähemmän litografiavaiheita. Mikrosysteemien valmistuksessa litografiavaiheita on tyypillisesti 5–10.

Hyvin ohuiden viivojen optista projektointimahdollisuutta rajoittaa käytetyn valon aallonpituus sekä pienentävien linssien riittämätön valontaittokyky. Optisilla litografiatyökaluilla käyttämällä syvää ultraviolettivaloa (DUV, deep ultraviolet) aallonpituuksilla 248:sta 193:een nanometriin päästään 50 nm viivanpaksuuteen. 

Optista litografiaa on kehitetty ohuempaan viivanpaksuuteen 193 nm aallonpituudella ja käyttämällä nesteupotustekniikkaa eli immersiolitografiaa. Tässä tekniikassa kiekon ja linssien välissä käytetään puhdasta deionisoitua vettä, jolloin taitekerroin on suurempi kuin normaalissa ilmakerroksessa linssien ja kiekon välissä.

Vielä pienempään viivanleveyteen voidaan päästä röntgensäteiden avulla.

Optisessa litografiassa kohteen pinnassa oleva noin yhden mikrometrin paksuinen resistikerros valotetaan maskin läpi UV-valolla. Riippuen maskin etäisyydestä resististä puhutaan joko kontakti-, lähi- (proximity) tai projektiovalotuksesta. Kontaktivalotus on lähivalotuksen ääritapaus, jossa maski painetaan kiinni resistiin valotuksen ajaksi. Lähivalotuksessa maski on korkeintaan joidenkin kymmenien mikrometrien päässä resististä ja maskin kuviot siirretään 1:1-suhteessa kohteeseen. Etuna projektiovalotukseen nähden on yksinkertaisempi optiikka, mutta maskin teko on hankalampaa. Projektiovalotuksessa maskin kuviot ovat noin neljä kertaa suurempia kuin resistille syntyvä lopullinen kuvio. Pinnan, jolle resisti levitetään, tulee olla tasainen tai muutoin valotus epäonnistuu resistin paksuusvaihtelujen takia. 

Maskit tehdään useimmiten kvartsista. Valmiin levyn toiselle puolelle kasvatetaan muutaman kymmenen nanometrin paksuinen metallikalvo (kromia), johon haluttu kuvio kirjoitetaan elektronisuihkulitografialla. Muovikalvoille tulostetut maskit tulevat kyseeseen yli viiden mikrometrin viivanleveyksillä. Käytettävän UV-valon aallonpituus on teollisuuden huippulaitteissa yleensä 193 nm, mutta useimmissa laitteissa aallonpituus on joko 365 nm tai 436 nm. 

Optinen litografia soveltuu hyvin massatuotantoon, sillä valotusajat ovat minuutin luokkaa ja kaikki maskin kuviot siirtyvät kerralla. Valotettu resisti kehitetään kemikaaleilla, jotka resistityypistä riippuen liuottavat valotetun (positiivinen) tai valottamattoman (negatiivinen) alueen. Prosessin vaatimien maskien hinta kasvaa eksponentiaalisesti viivanleveyden kavetessa. Koska prosessi vaatii maskin käyttöä ja pienen viivanleveyden laitteet ovat erittäin kalliita, optinen litografia sopii huonosti tutkimus- ja tuotekehitystarkoituksiin, jossa täsmälleen samanlaisia rakenteita tehdään vain vähäisiä määriä. 

Puolijohdeteollisuuden kehittyneimmät prosessit 2020-luvulla käyttävät EUV-tekniikkaa (extreme ultraviolet). EUV-litografiassa käytetään 13,5 nanometrin aallonpituutta. Kehittyneempi korkean apertuurin EUV-litografian ennakoidaan tulevan kaupalliseen käyttöön vuonna 2025.

Katso myös 
Litografia (kivipainanta, kivipiirrokset)
 Ohutkalvon kasvatus

Lähteet

Viitteet 

Ohutkalvotekniikka