Fotolitograafia

Allikas: Vikipeedia

Fotolitograafia ehk optiline litograafia on mikrofabritseerimise protsess, kus kujutis kantakse alusmaterjali ehk substraadi pinnale. Kasutatakse väga madala lainepikkusega valgust (ultraviolettkiirgust), et kanda fotomaski kujutis alusel olevale valgustundlikule kemikaalile s.o fotoresistile, millele järgneb söövitusprotsess.

Fotolitograafia on olnud valdavaks tehnikaks mikroskeemide litografeerimisel, näiteks kaasaegne CMOS pooljuhtplaat läbib fotolitograafia tsüklit kuni 50 korda.

Põhiprotseduur[muuda | redigeeri lähteteksti]

Lihtsustatud joonis kuivsöövitusest positiivse resistiga fotolitograafia protsessis..

Üks fotolitograafiaprotsess koosneb mitmest sammust, milleks tavaliselt on pooljuhtplaadi puhastamine, ettevalmistus, fotoresisti pealekandmine, solventide eemaldamine, fotomaski paigaldus, eksponeerimine, ilmutamine, söövitamine ning fotoresisti eemaldus. Kaasaegsetes puhasruumides on litograafiaprotsess suuresti automatiseeritud[1].

Alusmaterjali pinna puhastus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Võimalikud saasteained eemaldatakse pooljuhtplaadi pinnalt tavaliselt keemilise töötlusega, näiteks vesinikperoksiidi sisaldavate lahustega RCA puhastusmeetodil[2].

Ettevalmistus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Pooljuhtplaat kuumutatakse temperatuurini, et kogu võimalik niiskus aluse pinnalt ära auraks. Lisatakse ka n-ö adhesiooni promootorit, mis hiljem soodustab fotoresisti adhesiooni pooljuhtplaadi pinnale.

Fotoresisti peale kandmine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Pooljuhtplaat kaetakse fotoresistiga vurrkatmise teel. Viskoosne, vedel fotoresisti lahus jaotatakse pooljuhtplaadile, mis pöörleb kiiresti ja tsentrifugaaljõu tõttu saab ühtlase paksusega fotoresisti kile [3]. Vurrkatmine kestab keskmiselt 15–60 sekundit, 1200 kuni 6000 pööret/min. Saadud kihi paksus on 0,5 ja 2,5 mikromeetri vahel ning väga ühtlane. Seejärel fotoresistiga kaetud pooljuhtplaat kuumutatakse temperatuuril, mis on kõrgemal kui klaasisiirde temperatuur umbes 30–60 sekundit, et liigne solvent ära auraks ning fotoresisti kile tiheneks.

Ekspositsioon ja ilmutamine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Pärast kuumutamist valgustatakse eelnevalt sadestatud kilet UV-kiirgusega läbi fotomaski, millel on kujutis vastavalt soovitud elemendile integraalskeemis, mis põhjustab fotoresistis kas molekulidevaheliste põiksidemete tekke (näiteks SU-8) või, vastupidi, keemiliste sidemete lagunemise (näiteks PMMA). Positiivne resist on materjal, mida saab paremini lahustada pärast UV-kiiritamist, seega pooljuhtplaadile peale ilmutust jäänud muster vastab fotomaski omale. Negatiivne resist vastupidiselt, kõvastub peale kiiritamist ning ilmutuslahus eemaldab ainult eksponeerimata alad (nimetus analoogselt negatiivile fotograafias). Saadud pooljuhtplaat kuumutatakse, et järelejäänud fotoresist kõveneks ja oleks vastupidavam järgnevale söövitusele.

Söövitus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Söövituse korral, vedelik (“märg”) või plasma (“kuiv”) eemaldab substraadil pindmised kihid, mida ei kaitse fotoresist. Keemiline märgsöövitus toimub reeglina aluse või happega ja söövitusprotsessi peatamiseks pestakse pinda puhta veega. Näiteks SiO2 kile korral saab seda söövitada HF-ga. Kuivsöövituse puhul toimub materjali eemaldamine plasma keemilisel või füüsikalisel vastasmõjul materjaliga. Pooljuhtfabritseerimises kasutatakse enamasti kuivsöövitusmeetodeid, kuna see võimaldab anisotroopset söövitust, mis lubab valmistada väga täpseid, tervate nurkade ja servadega struktuure. Näiteks HfO2 kile puhul on efektiivsem plasmasöövitus[4]. Söövitamise kvaliteet on määratud fotoresisti kihi adhesiooniga plaadil, võimalike defektidega maskis ning sõltub söövitaja keemilisest loomusest ja söövitusprotsessi parameetritest. Oluline on seejuures protsessi selektiivsus – see peab üldiselt eemaldama ainult soovitud materjali ning ei tohi mõjuda fotoresistile.

Fotoresisti eemaldamine[muuda | redigeeri lähteteksti]

Viimase etapina eemaldatakse fotoresist substraadilt ning saadakse puhta pinnaga materjal, kuhu on kantud vajalik mikroskeem. Fotoresisti eemaldamine toimub kas kuiv- või märgmeetodil ning enamasti kasutatakse viimati mainitud meetodit, kus vedelik muudab fotoresisti sellisel viisil, et see enam ei adheeru substraadile. Selliseks aineks on näiteks H2SO4. Fotoresisti kuiveemaldamine viiakse läbi tavaliselt hapnikku sisaldavas plasmas, ning see sarnaneb kuivsöövitusele.

Eksponeerimise põhimeetodid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kontaktlitograafia[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kontaktlitograafia korral pressitakse mask vahetult vastu resistiga kaetud alust ning seejärel eksponeeritakse UV-kiirgusega. Meetodi eeliseks on hea ruumiline lahutus, kuna mask ja resist on vahetus kontaktis. Puuduseks on maski suhteliselt kiire mehaaniline kulumine.

Lähilitograafia[muuda | redigeeri lähteteksti]

Lähilitograafia sarnaneb kontaktlitograafiale, kuid esimese puhul asetatakse mask paarikümne mikromeetri kaugusele alusest. See vähendab maski kulumist, kuid samas valguse difraktsiooni tõttu ka ruumilist lahutust.

Projektsioonlitograafia[muuda | redigeeri lähteteksti]

Projektsioonlitograafia korral maski kulumist ei esine, kuna maski kujutis projekteeritakse resistiga kaetud alusele mitme sentimeetri kauguselt. Kõrge lahutuse saamiseks projekteeritakse ainult väike osa maskist korraga ning skaneeritakse mööda pooljuhtplaadi pinda, kuniks terve fotoresist pooljuhtplaadil on eksponeeritud. Sellest tulenevalt lubab meetod parimat lahutust ja saab kasutada vähendatud kujutist (4–5 korda), mis seab väiksemad nõuded maski valmistustäpsusele. See on levinuim meetod tänapäeval.

Fotomaskid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Fotomask valmistatakse valgust läbilaskvale (tavaliselt amorfsest kvartsklaasist) alusele, millele kantakse valgust blokeerivad mustrid. Tavaliselt kujutavad viimased endast umbes 100 nm paksuseid ioontolmustamise teel valmistatud kroomkile. Fotomaske kasutatakse enamasti lainepikkustel 365 nm, 248 nm ja 193 nm, kuid kasutatakse ka lühemaid lainepikkusi. Valguse difraktsiooni tõttu on ruumilise lahutuse piir määratud poolega valguse lainepikkusest ning seetõttu on järjest väiksemate struktuuride valmistamiseks tulnud üle minna järjest ultravioletsematele allikatele. Viimasest tulenevalt skeemi elemendid, mis on väiksemad kui 150 nm vajavad reeglina faasinihkemaske, et parendada kujutise kvaliteeti rahuldavate väärtusteni.

Ruumiline lahutus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Next.svg Pikemalt artiklis Difraktsioon

Fotolitograafias on põhiprobleemiks kasutatava kiirguse difraktsioon. Lühema lainepikkusega kiirguse kasutamine võimaldab kiirguse difraktsiooni vähendada. Modernsed fotolitograafiaseadmed kasutavad eksimeerlasereid, millega on võimalik printida kuni 50 nanomeetriseid skeemielemente. Eksimeerlaser litograafia omab seega olulist rolli Moore’i seaduse jõuspüsimisel viimase 20 aasta vältel[5].

Väiksem skeemi element, mida projektsioonilitograafiaga printida saab on antud valemiga:

CD = k_1 \cdot\frac{\lambda}{NA}, kus

\,CD on minimaalne (joonistatava) elemendi suurus ehk kriitiline mõõde
\,k_1 (k1 faktor) on koefitsient, mis sisaldab endas protsessiga seotud tegureid ja tüüpiliselt võrdub 0,4 tootmises.
\,\lambda on kasutatava valguse lainepikkus ja \,NA = nsin\theta on läätse apertuurarv, mis näitab optilise süsteemi võimet koguda talle langevat valgust. \,n on läätse ja pooljuhtplaadi vahelise keskkonna murdumisnäitaja ning \,\theta on maksimaalne vastuvõtunurk. Mida suurem see on, seda suurem on apertuurarv.
Sellest võrrandist tulenevalt saab minimaalset elemendi suurust vähendada, vähendades lainepikkust ja suurendades apertuurarvu, kasutades immersioonvedelikku (näiteks vesi).

Valgusallikad[muuda | redigeeri lähteteksti]

Algselt saadi UV-kiirgust fotolitograafias gaaslahenduslampidest, kasutades elavhõbedat, mida vahel kasutati koos väärisgaasidega nagu näiteks ksenoon. Need lambid toodavad valgust laias lainepikkuste vahemikus koos mõne maksimumiga UV-kiirguse piirkonnas. Seda spektrit filtreeritakse, et valida välja üks spektrijoon. 1960. aastate algusest kuni 1980. aastate keskpaigani kasutati litograafias Hg-lampe iseloomulike 436 nm ("g-joon"), 405 nm ("h-joon") ja 365 nm ("i-joon") spektrijoonte tõttu. Pooljuhtelektroonika tööstuse vajadus suurema lahutusvõime ja tootlikkuse järele, muutis seni kasutatud lambid iganenuks.

See probleem sai lahendatud 1982. aastal kui Kanti Jain [6][7] pakkus välja ja demonstreeris IBM-is eksimeerlaser litograafiat. Nüüd on eksimeerlaser litograafia masinad (stepperid ja skännerid) peamised vahendid, mida kasutatakse mikroelektroonika tootmisel kogu maailmas. Viimase kahe aastakümne jooksul on tööriistade tehnoloogias toimunud suur areng ning pooljuhttööstuse nägemuse järgi [8][9] on eksimeerlaser litograafia olnud Moore'i seaduse edasi arendamisel kriitiline faktor, mistõttu on kiipide tootmisel minimaalne detailide suurus muutunud 20 aasta jooksul 0,5 mikromeetrist vähem kui 45 nanomeetrini. Usutakse, et see trend jätkub ka sellel aastakümnendil ning toodetakse veel tihedamaid kiipe, mille minimaalsed mõõtmed lähenevad 10 nanomeetrile.

Enimkasutatud UV eksimeerlaserid litograafia süsteemides on KrF-laser lainepikkusel 248 nm ja ArF-laser 193 nm lainepikkuse juures. Kuigi F2laserid on ka saadaval, tootes 157 nm valgust, ei ole nad praktilised, kuna nad on madala võimsusega ja degradeerivad läätsematerjale väga kiiresti.

Eksperimentaalmeetodid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Lisaks uutele valgusallikatele parandavad lahutusvõimet fotolitograafias modernsed tehnikad, nagu immersioonlitograafia ja mitmekordne kirjamine (multiple patterning), kus kasutatakse mitut fotomaski. Immersioonlitograafia on tehnika, kus kasutatakse vedelikku läätse ja pooljuhtplaadi vahel, et vastavalt ülevalnimetatud valemile suurendada lahutusvõimet. Vältimaks uutele tehnoloogiatele üleminekust tulenevaid kulutusi, laenasid tootjad selle tehnika mikroskoopiast, kus kasutati apertuurarvu suurendamist immersioonvedeliku abil. See töötab, kuna apertuurarv on maksimaalse nurga, mille juures valgus läätse siseneda saab ja keskkonna murdumisnäitaja funktsioon. Reeglina on vedelikuks vesi, murdumisnäitajaga kuni ~1,4 ning seda hoitakse pidevas tsirkulatsioonis, et eemaldada soojusest tingitud kõrvalekaldeid. Kasutades veelgi kõrgema murdmisnäitajaga vedelikke on võimalik apertuurarvu suurendada. Praegu tootmises olevad masinad suudavad just äsja mainitud tehnikate tõttu toota mikrokiipe, kus väiksema elemendi karakteristlik mõõde on 22 nm [10]. Kaasaegne teadus uurib ka alternatiive fotolitograafiale, milleks on näiteks: elektronkiirlitograafia, röntgenlitograafia jt.

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. Jaeger, Richard C. (2002). "Lithography", Introduction to Microelectronic Fabrication, 2nd, Upper Saddle River: Prentice Hall. ISBN 0-201-44494-1. 
  2. Werner Kern, The Evolution of Silicon Wafer Cleaning Technology J. Electrochem. Soc. 1990 137(6): 1887-1892; doi:10.1149/1.2086825
  3. Emslie, A. G., et al. (1958). Flow of a Viscous Liquid on a Rotating Disk. Journal of Applied Physics 29(5): 858–862.
  4. S. Norasetthekul, P.Y. Park, K.H. Baik, K.P. Lee, J.H. Shin, B.S. Jeong, V. Shishodia, D.P. Norton, S.J. Pearton, Etch characteristics of HfO2 films on Si substrates, Applied Surface Science, Volume 187, Issues 1–2, 14 February 2002, Pages 75–81, ISSN 0169-4332, http://dx.doi.org/10.1016/S0169-4332(01)00792-9.
  5. La Fontaine, B., “Lasers and Moore’s Law”, SPIE Professional, Oct. 2010, p. 20; http://spie.org/x42152.xml
  6. Jain, K. et al., “Ultrafast deep-UV lithography with excimer lasers”, IEEE Electron Device Lett., Vol. EDL-3, 53 (1982): http://ieeexplore.ieee.org/xpl/freeabs_all.jsp?arnumber=1482581
  7. Basting, D., et al., “Historical Review of Excimer Laser Development,” in "Excimer Laser Technology", D. Basting and G. Marowsky, Eds., Springer, 2005.
  8. SPIE / Advancing the Laser / 50 Years and into the Future; http://spie.org/Documents/AboutSPIE/SPIE%20Laser%20Luminaries.pdf
  9. U.K. Engineering & Physical Sciences Research Council / Lasers in Our Lives / 50 Years of Impact; http://www.stfc.ac.uk/Resources/PDF/Lasers50_final1.pdf
  10. IBM sees immersion at 22nm, pushes out EUV

Välislingid[muuda | redigeeri lähteteksti]