Fotolitografie je metoda získávání určitého vzoru na povrchu materiálu, široce používaná v mikroelektronice a dalších typech mikrotechnologií , jakož i při výrobě desek plošných spojů . Jedna z hlavních metod planární technologie používaná při výrobě polovodičových součástek .
Podstatou procesu fotolitografie je, že se na ošetřovaný povrch nejprve nanese tenký fotocitlivý polymerní film ( fotorezistent ). Poté je tento film osvětlen přes fotomasku s daným vzorem. Exponovaná místa se pak odstraní ve vývojce. Vzor získaný na fotorezistu se používá pro takové technologické stupně planární technologie, jako je leptání , elektrodepozice , vakuové nanášení a další. Po provedení jednoho z těchto procesů se odstraní i zbývající fotorezist, který nebyl odstraněn během vyvolávání.
Zásadní rozdíl mezi fotolitografií a ostatními druhy litografie je v tom, že osvit se provádí světlem (viditelným nebo ultrafialovým ), zatímco u jiných typů litografie se používá rentgenové záření ( rentgenová litografie ), elektronový svazek ( elektronová litografie ) popř . K tomu se používají ionty ( iontová litografie).paprsková litografie ) a další.
Nejmenší rozměry detailů obrazu, dosažitelné ve fotolitografii (rozlišení), jsou určeny: vlnovou délkou použitého záření, kvalitou použité optiky pro expozici, vlastnostmi fotorezistu a dosahem 100 nm. Aplikace speciálních metod ( imerzní litografie ) teoreticky umožňuje získat rozlišení až 11 nm .
Zpočátku se substrát (při výrobě monolitických mikroobvodů se obvykle jedná o monokrystalický křemíkový plátek ) očistí od nečistot v ultrazvukové lázni v různých organických rozpouštědlech: aceton a methanol a propláchnutím v isopropanolu . V případě výrazného znečištění povrchu je povrch ošetřen směsí kyseliny sírové a peroxidu vodíku (H 2 SO 4 + H 2 O 2 ) s následným čištěním RCA .
Různé materiály substrátu mají různou adhezi ( adhezi ) fotorezistu . Například kovy jako hliník , chrom a titan mají vysokou přilnavost, zatímco drahé kovy jako zlato , stříbro nebo platina mají velmi špatnou přilnavost. V případě nízké přilnavosti se doporučuje před aplikací fotorezistu nanést tenkou podkladovou vrstvu lepidla , která zvýší přilnavost fotorezistu k povrchu, např. hexamethyldisilazan (HMDS). Kromě toho se někdy na fotorezist nanášejí antireflexní vrstvy .
Nejpoužívanější metodou pro nanášení fotorezistů na povrch je centrifugace. Tato metoda umožňuje vytvořit jednotnou vrstvu fotorezistu a řídit její tloušťku rychlostí otáčení desky (řádově několik tisíc otáček za minutu). Obvykle se používá při práci s velkými kulatými břitovými destičkami.
Při použití povrchů, které nejsou vhodné pro odstřeďování, například pro nátěry malých povrchů, se používá nátěr ponořením do fotorezistu. Nevýhodou této metody je vysoká spotřeba fotorezistu a nehomogenita výsledných filmů.
Pokud je nutné nanášet rezist na složité povrchy, používá se aerosolový nástřik, avšak tloušťka filmu u tohoto způsobu nanášení také není rovnoměrná.
Po nanesení rezistu je nutné provést jeho předběžné vysušení (vytvrzení). K tomu je vzorek několik minut uchováván v peci při teplotě 100-120 ° C. Tato fáze je nezbytná pro odpaření rozpouštědla obsaženého ve fotorezistu, což pomáhá zlepšit přilnavost, eliminovat přilnutí k fotomasce , možnost nanesení druhé vrstvy fotorezistu a má pozitivní vliv v některých dalších aspektech.
Proces expozice spočívá v expozici fotorezistu přes fotomasku obsahující požadovaný vzor viditelným nebo ultrafialovým světlem, které odlišuje proces fotolitografie od jiných typů litografie . Například v případě rentgenové , iontové a elektronové litografie se pro expozici používají rentgenové záření , ionty a elektrony .
Nejstandardnější expoziční vlnové délky ve fotolitografii jsou i-čára (365 nm ), h-čára (405 nm) a g-čára (436 nm). Ať je to jak chce, většina fotorezistů může být také vystavena širokému spektru v ultrafialové oblasti (integrální expozice), k čemuž se obvykle používá rtuťová výbojka . V případě fotolitografie v hlubokém (tvrdém) ultrafialovém záření se používají vlnové délky kolem 13,5 nm a speciální fotorezisty. Mezi zdroje záření používané ve fotolitografii jsou nejběžnější:
Expozici lze provádět jak s použitím fotomasky , tak bez ní ( bezmasková litografie ). V druhém případě je vzor na fotorezistu tvořen přímo se pohybujícím laserovým nebo elektronovým paprskem, nebo jejich skupinou, zaostřeným na povrch fotorezistu. V případě použití fotomasek se častěji používají projekční expoziční metody, kdy se obrazec z fotomasky přenese na fotorezist pomocí systému optických čoček . V některých provedeních litografie může být maska v kontaktu s fotorezistem nebo v těsné blízkosti v přítomnosti mikromezery.
Existují technologie, které mohou snížit zkreslení a vyrobit mikroobvody s nižšími konstrukčními standardy:
Při výrobě polovodičových součástek pro osvit velkoplošných desek (průměr 150, 200, 300 mm) se používají taková zařízení, jako jsou steppery a skenery, u kterých se pohybem exponovaného povrchu opakovaně exponuje malá fotomaska na desku.
Hlavní expoziční parametry jsou vlnová délka, doba expozice a výkon zdroje záření. Každý fotorezist má zpravidla určitou hodnotu dávky (mJ/cm 2 ) potřebnou pro jeho expozici, proto je důležité zvolit správné expoziční parametry. Poddávkování může způsobit problémy s vyvoláním fotorezistu a přeexponování může způsobit poškození filmu fotorezistu. Výkon fotolitografických instalací, měřený v deskách za hodinu (wph), závisí na výkonových parametrech.
Kromě toho stojí za zmínku takový způsob fotolitografie, jako je „vypalování“, při kterém se potřebná okna v polymerní vrstvě vypálí pod vlivem silného světelného toku na ně, odpaří se film uložený na materiálu nebo se materiál spálí. skrz sebe. Tato metoda se používá pro výrobu krátkých ofsetových forem a v některých risografických systémech .
Sekundární vytvrzování se provádí ihned po expozici a není povinným krokem. Tento krok je vyžadován pouze v případech, kdy se používají chemicky vylepšené fotorezisty, když se používá reverzibilní fotorezist, když se tlusté fotorezisty potřebují uvolnit a v některých dalších situacích.
Při vyvolávacím procesu jsou části fotorezistu odstraněny speciální kapalinou - vývojkou (např . tetramethylamoniumhydroxid ), tvořící okénka ve filmu fotorezistu. V případě použití pozitivního fotorezistu se odstraní exponovaná oblast a v případě negativního se odstraní neexponovaná oblast.
Určité fotorezisty jsou vyvíjeny určitým vývojářem a jiné ne. Zpravidla se vývojka ředí vodou (1:2, 1:4), přičemž stupeň ředění řídí rychlost vyvolávání, která závisí také na expoziční dávce, kterou fotorezist obdrží.
Konečné vytvrzení fotorezistu je také volitelným krokem, i když často pomáhá zlepšit jeho vlastnosti. Zejména sušení při 130-140 ° C zlepšuje chemickou a tepelnou stabilitu vyvinutého fotorezistu pro následné kroky, jako je elektrolytické nanášení, suché a mokré leptání.
Fotolitografie je zpravidla úzce spjata s technologickou fází, pro kterou je vlastně požadovaný vzor získaný z fotorezistu. Nejběžnějším procesem v této fázi je leptání , i když v reverzní fotolitografii se často používají procesy jako elektrolytické nanášení a naprašování .
LeptLeptání je nejčastěji používaný proces ve spojení s fotolitografií při výrobě desek plošných spojů a polovodičových součástek pro mikroelektroniku . Existují dva hlavní typy leptání: tekuté (tekuté) a suché leptání . Suché leptání se dělí na fyzikální naprašování, iontové naprašování ; chemické leptání v plynné fázi; reaktivní iontové leptání . V závislosti na úkolech se používá jeden nebo jiný typ leptu. Mokré leptání se používá především při výrobě DPS, ale také pro obětní leptání při výrobě MEMS a dalších aplikacích, kde je vyžadováno izotropní leptání (tj. leptání ve všech směrech). Plazma a zejména hloubkové plazmové leptání se používá tam, kde je potřeba leptat strukturu relativně hluboko, při co možná největším zachování svislého úhlu stěn, tedy leptat anizotropně pouze ve svislém směru. Výsledek leptání úzce souvisí s parametry fotorezistu, které do značné míry určují jeho výběr.
ElektrodepoziceV procesu galvanického pokovování se okna ve fotorezistu používají k ukládání materiálu z elektrolytu do nich .
Stříkání. Reverzní litografieV případech, kdy je potřeba získat vzor z materiálu, který je špatně leptaný, se používá proces reverzní (výbušné) litografie. V procesu reverzní litografie se na nanesený a vyvolaný fotorezist nanese tenká vrstva materiálu (obvykle kovu) , ze které se má vytvořit vzor. V další fázi je fotorezist odstraněn, takže usazený materiál zůstává pouze v oknech, která nejsou chráněna fotorezistem a film, který na fotorezist spadl, je odnášen s ním, tedy tzv. výbuch“. Pro reverzní litografii se zpravidla používají speciální fotorezisty LOR (lift-off-resist). Existuje mnoho modifikací této metody, například když jsou použity dvě nebo dokonce tři vrstvy fotorezistu s různou rychlostí vyvolávání. Obecně přesné odstranění fotorezistu vyžaduje, aby film fotorezistu byl dvakrát nebo vícekrát tlustší než film naneseného materiálu a aby stěny fotorezistu měly negativní sklon, což vylučuje možnost jejich potažení naneseným materiálem.
Posledním krokem v procesu fotolitografie je odstranění fotorezistu. K odstranění fotorezistu z ošetřeného povrchu se používá buď ošetření ve speciální kapalině - odstraňovači (například dimethylsulfoxid , N-methylpyrrolidon, směs kyseliny sírové a peroxidu vodíku), nebo ošetření v plazmě obsahující kyslík. Určité stripery jsou zpravidla vhodné pouze pro určité skupiny fotorezistů. V procesech reverzní fotolitografie se spolu s fotorezistem odstraňuje také film materiálu, který jej pokrývá. Pokud byly v předchozích krocích použity promotory přilnavosti nebo antireflexní vrstvy, jsou obvykle také odstraněny odstraňovačem.