Fotolitografii jest zbiór operacji przesyłania obrazu (na ogół obecne na masce) do podłoża . Technika ta jest szeroko stosowana w przemyśle półprzewodnikowym . Przeniesione w ten sposób wzory obrazu staną się następnie różnymi strefami elementów elektronicznych (przykład: styk, dren itp.) lub połączeniami między tymi elementami.
Produkcja elementów mikroelektronicznych opiera się na dużej liczbie technik, których komplementarność ostatecznie umożliwia uzyskanie elementów użytkowych , takich jak diody , tranzystory , a nawet układy scalone, które w rzeczywistości są jedynie zespołem tych elementów elementarnych.
Główną stosowaną techniką jest litografia , której pochodzenie sięga starej metody drukowania czarno-białego z wapienia, na który przenosi się wzór (do góry nogami) za pomocą tuszu d'an, motyw następnie przenoszony przez kontakt na wsparcie do druku, jak Alphonse Poitevin i jego proces fotolitografii na kamieniu , w 1855 roku. Wiele pochodnych tej metody znajdujemy w procesach drukarskich , a później proces tego typu został zastosowany do produkcji półprzewodników , że jest fotolitografia.
Etapy procesu fotolitografii rozpoczynają się od nałożenia fotorezystu w postaci cienkiej warstwy na powierzchnię podłoża (np. krzemu lub tlenku krzemu). Następnie jest wystawiony na działanie promieniowania świetlnego. Na tym etapie zastosowanie maski utworzonej z obszarów nieprzezroczystych i przeźroczystych umożliwia zdefiniowanie wzoru, który ma być odtworzony na wafelku.
Przygotowanie podłożyGłówne materiały używane do produkcji elementów mikroelektronicznych są wybierane ze względu na ich właściwości wewnętrzne. Na pierwszym miejscu jest krzem, materiał półprzewodnikowy par excellence (najpowszechniejszy, najtańszy w produkcji i posiadający bardzo dobre właściwości półprzewodnikowe). Można również znaleźć złożone materiały półprzewodnikowe, takie jak arsenek galu (GaAs), azotek boru (BN), fosforek indu (InP) itp., o innych interesujących właściwościach. Istnieją również pewne metale, takie jak aluminium czy miedź , wybrane ze względu na ich właściwości przewodzące, które mogą pełnić rolę połączeń wewnętrznych, czy też izolatory, takie jak dwutlenek krzemu (SiO 2 ) i niektóre materiały organiczne. Do tej listy możemy również dodać sporą ilość materiałów, które nadadzą się na przykład do realizacji rezystancji lub kondensatorów.
Każdy z tych materiałów musi być użyty zgodnie z odpowiednimi technikami, aby uzyskać pożądane właściwości. W ten sposób metale mogą być osadzane w procesach natryskiwania lub krakingu w fazie gazowej lub elektrochemii (w przypadku miedzi), tlenki krzemu będą tworzone przez utlenianie krzemu, który stanowi wafle lub osadzanie w fazie gazowej itp.
Na wszystkich etapach produkcji poszukuje się bardzo dokładnych charakterystyk płaskości, stanu powierzchni i przewodności.
Każde dodanie lub usunięcie materiału na płytce musi być wykonane zgodnie z pewnym schematem, określonym podczas projektowania chipa, tak aby każda z cech, dla których poszukiwany jest materiał, mogła w pełni odgrywać swoją rolę w komponencie po zakończeniu i zapakowaniu.
Generowanie maski (zdjęcie)Ekspozycja powoduje reakcje w żywicy i powoduje modyfikacje chemiczne, napromieniowane strefy będą ewoluowały w zależności od rodzaju żywicy – dodatniej lub ujemnej. Specyficzne rozpuszczalniki zawarte w wywoływaczu umożliwią usunięcie żywicy, niezależnie od tego, czy jest odsłonięta, w zależności od jej rozpuszczalności, a tym samym odsłonią ostatnią cienką warstwę osadzoną na podłożu.
Kolejny krok, w przypadku trawienia, usunie warstwę podłoża (np. SiO 2 ) we wszystkich obszarach nie pokrytych żywicą, wzory maski zostaną wówczas odtworzone na dolnej warstwie. W przypadku implantu jonowego , wystarczająco gęsta żywica będzie blokować, tam gdzie jest obecna, implantację jonów w podłożu, dlatego fotomaski muszą mieć dwie zasadnicze cechy. Początkowo oferują dobrą reakcję na napromieniowanie, aby zapewnić wierne i precyzyjne odwzorowanie wizerunku maski. A po drugie, aby skutecznie chronić podłoże podczas trawienia lub implantacji, co implikuje pewną odporność na stosowane środki (kwasy, plazmy itp.) w przypadku trawienia i odpowiednią grubość.
Podstawowe właściwości żywic światłoczułych można podzielić na trzy kategorie:
Właściwości optyczne , które obejmują rozdzielczość i współczynnik załamania światła; Właściwości chemiczne i mechaniczne , które obejmują światłoczułość, lepkość, adhezję, odporność na trawienie, stabilność termiczną, wrażliwość na otaczające gazy (np. tlen, para wodna itp.); Aspekty technologiczne i bezpieczeństwa , które obejmują czystość, zawarte metale, szerokości procesu, okres trwałości ... Skład pozytywowych fotomasekŻywice światłoczułe składają się zasadniczo z trzech materiałów: matrycy, związku światłoczułego i rozpuszczalnika. Właściwości żywicy są zmieniane przez przemiany fotochemiczne materiału fotoaktywnego, czego główną konsekwencją jest modyfikacja jego rozpuszczalności.
Żywice światłoczułe pozytywowe są powszechnie określane jako Novolak-diazonaftochinon lub DNQ-Novolak.
MechanizmZasada fotolitografii opiera się na zdolności żywic do obserwowania ewolucji ich rozpuszczalności w funkcji ilości zaabsorbowanego promieniowania świetlnego. Mechanizm związany z żywicami dodatnimi DNQ-Novolak można podzielić na dwa główne składniki:
Nienaświetlona żywica: PAC oddziałuje z żywicą Novolak podczas polimeryzacji, hamując rozpuszczalność żywicy u wywoływaczy alkalicznych poprzez tworzenie wiązań wodorowych z matrycą. Rozpuszczanie filmu w wywoływaczu wzrasta do około 10 do 20 Å. .
Odsłonięta żywica: część aktywna (światłoczuła) DNQ będzie reagować i przekształcać się pod wpływem światła ( fotoliza ) iw obecności wody. Powoduje to przegrupowanie cząsteczkowe z matrycą, która uwalnia wiązania wodorowe, a także produkcję kwasu karboksylowego. Obecność kwasu karboksylowego, który jest cząsteczką polarną, powoduje znaczne zwiększenie rozpuszczalności; szybkość rozpuszczania odsłoniętych części naświetlonej błony zbliża się wówczas do 1000 do 2000 Å. .
Mechanizm tworzenia obrazu w żywicy pozytywowej opiera się zatem na różnicy w rozpuszczalności obszarów wystawionych lub nie na wiązkę światła, przy szybkości rozpuszczania błony zmieniającej się o współczynnik 100 (od 10 do 1000 Å ).
Charakterystyka CzłonkostwoPrzyczepność żywic do Si , SiO 2 i Al podłoża jest zwykle niska, co może stwarzać poważne problemy podczas wytrawiania etapów, w których procesy stosowane są bardzo agresywne żywicy. Zastosowane rozwiązania to z jednej strony odwodnienie powierzchni podłoży, az drugiej zapewnienie masy zwiększającej przyczepność żywica/podłoże.
Zanieczyszczające cząstki i metaleCzystość żywicy jest czynnikiem wpływającym na końcową charakterystykę litograficznego wzoru. W celu zapewnienia minimalnej ilości zanieczyszczeń w roztworze stosuje się surowe zasady filtracji i przechowywania. Metody filtracji pod ciśnieniem azotu usuwają cząstki większe niż 0,1 μm. Metale, w szczególności sód i potas, są niepożądane, ponieważ mogą zanieczyszczać materiał półprzewodnikowy przez dyfuzję. Pozostała ilość sodu (Na) i potasu (K) w żywicach nie powinna przekraczać 0,5 ppm .
Stosunek fazy stałej do rozpuszczalnika (zawartość ciała stałego)Ten parametr określa procent żywicy otrzymanej po całkowitym odparowaniu rozpuszczalnika. Ilość ciała stałego zawarta w żywicy decyduje o jej lepkości. Jest to w pewnym sensie funkcja czasu, ponieważ w przypadku żywic dodatnich PAC rozkłada się powoli, tworząc osady (np. po dłuższym przechowywaniu).
LepkośćLepkość zależy zasadniczo od temperatury i zawartości substancji stałej. To właśnie lepkość będzie określać grubość filmu osadzonego przez powlekanie odśrodkowe w funkcji prędkości obrotowej.
Odporność na trawienie i stabilność termicznaOdporność na trawienie określa zdolność żywicy do poddania się procesowi trawienia wafla podczas przenoszenia wzoru. Żywice muszą osiągnąć dobrą odporność na trawienie, aby w pełni spełniać swoją rolę. O ile odporność ta jest ogólnie dobra w przypadku grawerów mokrych, to nie jest taka sama w przypadku grawerów suchych, które są znacznie bardziej agresywne. Napotkana trudność wynika z faktu, że wrażliwość żywicy na promieniowanie jest zmniejszona. Wytrzymałość można poprawić, zwiększając ilość wiązań między łańcuchami molekularnymi materiału.
Osadzanie żywicy na ujemnym i obojętnym nasłonecznieniu
Maska do przycinania lewa (MA-6) i prawa (MJB3)
Dwa urządzenia do kadrowania (EVG-620 i MA-150)
Zanieczyszczenie powierzchni może mieć wpływ na wiele kolejnych etapów procesu fotolitograficznego. Najczęściej powodowane problemy to zmniejszenie przyczepności i wtrącenia defektów. Eliminacja tych problemów wymaga bardzo dobrej czystości podłoży.
Wilgotność jest jednym z najbardziej zanieczyszczających czynników w procesach litograficznych. W rzeczywistości powierzchnie powszechnie stosowanych podłoży (tlenków itp.) są hydrofilowe i pochłaniają wilgoć z otaczającego powietrza. Woda na powierzchni podłoży sprzyja tworzeniu się spolaryzowanych wodorotlenków, które są szczególnie trudne do późniejszego usunięcia. Powoduje to zakłócenia w zjawisku adhezji żywica/podłoże.
Rozwiązanie polega na tzw. gotowaniu odwadniającym. Wafle przechodzą etap podnoszenia temperatury w systemie płyt grzewczych. To pieczenie należy przeprowadzić bardzo krótko przed następnym krokiem, ponieważ ponowne wchłanianie wilgoci jest bardzo szybkie.
Podkład lub promotor przyczepności to związek nakładany na powierzchnię w celu poprawy przyczepności żywicy do podłoża. Tym związkiem jest zwykle heksametylodisilazan (HMDS). Proces polega na zastąpieniu grup hydrofilowych, które normalnie tworzą się na powierzchni, innymi grupami hydrofobowymi. Niektóre cząsteczki reagują z utlenioną powierzchnią podłoża, częściowo hydrokrzemianują w wyniku adsorpcji wodoru, tworząc wiązania Si-O z produkcją wody. Drugi koniec cząsteczki będzie mógł tworzyć wiązania z żywicą. Osadzanie HMDS odbywa się w fazie gazowej i polega na wprowadzeniu produktu w postaci gazu do komory w obecności podłoża. HMDS można nakładać na zimno lub na gorąco.
Złoże żywicyFilm żywiczny uzyskuje się w procesie powlekania odśrodkowego (powlekanie wirowe). Zasada działania polega na rozprowadzeniu za pomocą sił odśrodkowych niewielkiej ilości żywicy na podłożu (płytka krzemowa). Proces składa się z pięciu głównych kroków:
a) Osad żywiczny na wafelku;b) Rozprowadzanie żywicy na całej powierzchni wafla przez obracanie;c) Zwiększenie prędkości obrotowej w celu wyeliminowania nadmiaru żywicy;d) Obracanie ze stałą prędkością w celu ustalenia grubości żywicy;e) Obracanie przez określony czas, aby umożliwić odparowanie rozpuszczalnika.Podczas pierwszego etapu (a) na płytkę osadza się niewielka ilość żywicy, kilka mililitrów. Osadzanie odbywa się w dwóch głównych trybach: na waflu nieruchomym lub na waflu obracającym się z małą prędkością (1500 ). Drugi tryb ma tę zaletę, że homogenizuje objętość żywicy w środku podłoża (średnica, grubość) i natychmiast eliminuje nadmiar żywicy. Silne przyspieszenie (b) (20 000 ) jest następnie przykładane do wafla, aby promować tworzenie jednolitej warstwy na całej powierzchni.
Odparowanie rozpuszczalnika znacznie zmniejsza lepkość żywicy, od której bezpośrednio zależy grubość folii. Ponieważ parowanie jest szybkie, konieczne jest zatem zapewnienie krótkiego czasu rozprowadzania żywicy. Przyspieszenie jest jednak ograniczone wydajnością silników i wytrzymałością mechaniczną klocków.
Podczas etapu (c) folia zostaje doprowadzona do ostatecznej grubości. Obrót odbywa się ze stałą prędkością, ponieważ grubość zależy od prędkości obrotu. Zakres prędkości obrotowych wynosi od 2000 do 7000 , jednak optymalna równomierność osiągana jest przy prędkościach powyżej 4000 . Podczas rotacji z dużą prędkością większość zawartego rozpuszczalnika odparowuje, ostatecznie tworząc stałą błonę. Jakość warstewki zależy zasadniczo od obecności lub braku defektów (komety, pył, szczeliny itp.) oraz od jednorodności jej grubości (zmienności grubości, symetrii itp.).
Istnieje inna technologia ( powłoka szczelinowa ) stosowana do osadzania żywicy na bardzo dużych podłożach, takich jak płaskie wyświetlacze panelowe produkowane w elektrowniach 5 i wyższych (1100 mm x 1250-1 300 mm lub więcej). Ponieważ praktycznie trudno jest szybko obracać duże podłoża, stosuje się żywicę o większej lepkości, która jest rozprowadzana na podłożu za pomocą szeregu mikrodysz rozmieszczonych na osi, która porusza się wzdłuż podłoża. Ta metoda nakładania ma tę zaletę, że zużywa mniej żywicy niż powlekanie odśrodkowe. Istnieje również metoda hybrydowa (slit/spin), łącząca aplikację mikrodyszami i planaryzację przez wirowanie, stosowana do generacji 6 (1500 mm x 1800 mm ).
Gotowanie po złożeniuTen etap następuje natychmiast po osadzeniu żywicy na waflu. Zapewnia szybką eliminację części rozpuszczalników i polimeryzację matrycy. Zawartość rozpuszczalnika spada zatem z 20-30% pozostałych po pierwszym suszeniu do 4-7%. Powoduje to skurcz objętościowy żywicy, co powoduje utratę grubości rzędu 10%. Poziom resztkowego rozpuszczalnika wpływa w szczególności na rozwój: im niższa ta szybkość, tym szybsze rozpuszczanie żywicy.
Ogrzewanie płytek krwi może odbywać się w różnych trybach. Najczęściej stosowany jest system płyt grzejnych, na których umieszczane są wafle. Temperatura wynosi około 110 °C, a czas cyklu jest bardzo krótki (30 - 60 s) i dostosowany do uzyskania pożądanego poziomu rozpuszczalnika. Zasada ogrzewania płyty grzejnej występuje w dwóch wariantach: przez kontakt, gdzie ciepło jest przenoszone przez przewodzenie, oraz przez bliskość, gdzie płyta pozostaje w niewielkiej odległości od płyty grzejnej, transmisja przez konwekcję.
Po każdej operacji gotowania następuje schłodzenie wafla. Technika jest identyczna. Płyty chłodzące są następnie używane w temperaturze zbliżonej do temperatury pokojowej ( 22 °C ).
Porażenie słoneczneNasłonecznienie polega na wystawieniu niektórych obszarów żywicy poprzez system maskujący na działanie promieniowania ultrafioletowego. Następnie w wyniku reakcji fotochemicznej powstaje utajony obraz w grubości żywicy światłoczułej. Stopień ekspozycji zależy głównie od intensywności źródła i czasu ekspozycji i jest mierzony za pomocą energii powierzchniowej ( ). Warunkuje stopień zaawansowania reakcji fotochemicznej, który zależy od wrażliwości żywicy.
Ekspozycja żywicy jest krytycznym etapem procesu fotolitografii z kilku powodów: postępujemy wafel po waflu, dlatego czas naświetlania ma bezpośredni wpływ na czas cyklu. Czas naświetlania jest parametrem oferującym stosunkowo niewielkie marginesy, ponieważ niedoświetlona żywica powoduje znaczną degradację rozdzielczości wzorów. Czas poświęcony na wyrównanie płyt nie jest bez znaczenia i trudno go skrócić. Skrócenie czasu procesu na tym poziomie nieuchronnie wiąże się zatem z optymalizacją reakcji fotochemicznych. Zadanie to jest trudne, ponieważ istnieje silna zależność między narażeniem a wszystkimi poprzednimi etapami.
Rozdzielczość i związane z nią zjawiskaRozdzielczość druku jest czynnikiem krytycznym, ponieważ jest główną przyczyną ograniczeń minimalnego rozmiaru wzoru. Jakość obrazów drukowanych przez projekcję jest dziś ograniczona przez zjawisko dyfrakcji światła.
Wszystkie systemy litografii optycznej generują zjawiska dyfrakcji światła. Główną ich przyczyną jest przechodzenie fal świetlnych przez szczeliny utworzone przez maski. Z powodu tych zjawisk dyfrakcyjnych promieniowanie pojawia się w obszarach nie narażonych bezpośrednio na promieniowanie padające. Rozkład natężenia wytwarza następnie serie naprzemiennych ciemnych i jasnych obszarów, których okres zależy od odległości między szczelinami w wafelku, geometrycznej konfiguracji szczelin i czystości chromatycznej źródła światła.
Tajwański założyciel TSMC twierdzi, że wypuszcza mikroprocesory z drobnym grawerem 7 nm na koniec 2019 roku i 5 nm na początek 2020 roku. Wciąż według TSMC zbudowałaby jednostkę produkcyjną o wartości ponad 13 miliardów dolarów na produkcję w 2021 r. chipów grawerowanych przy 3 nm, jeśli ich projekt nie spotka się z nieprzewidzianymi. TSMC dążyłoby do miniaturyzacji i zdobycia nieco większej mocy, ale powyżej wszystko po to, aby znacznie zmniejszyć zużycie energii, aby móc nadal sprzedawać coraz więcej produktów. Według amerykańskiego założyciela Intela jest on gotowy do grawerowania 10 nm, ale chciałby zainicjować grawerowanie 3 D w celu zwiększenia gęstości tranzystorów na tej samej powierzchni, co byłoby całkowitym przełomem w technologii, aby móc tylko przyszłość będzie wiedziała, czy TSMC, Intel czy Samsung wygrają batalię o miniaturyzację, ponieważ wszystkie te twierdzenia są zaczerpnięte tylko z zapowiedzi różnych założycieli, a ponadto nie wspominają nawet o związanych z tym zjawiskach. -zwana fizyką kwantową, która będzie ingerować we wszystkie ich budynki.