Tecniche litografiche

La litografia è una tecnica di trasferimento di un disegno o motivo (pattern) su una superficie. Originariamente sviluppata come metodo di stampa artistica nel XIX secolo, è divenuta, nel campo della microtecnologia, uno strumento fondamentale per la fabbricazione di dispositivi a scala micrometrica e nanometrica.

Cenni storici

Il termine litografia deriva dal greco λίθος, lìthos, "pietra" e γράφειν, gràphein, "scrivere". Fu inventata nel 1798 da Alois Senefelder, che utilizzò una lastra di pietra calcarea per riprodurre testi e disegni sfruttando la repulsione tra acqua e sostanze grasse. Successivamente, Nicéphore Niépce e altri sperimentatori ne studiarono applicazioni fotografiche, aprendo la strada all’uso di materiali fotosensibili.

A partire dagli anni ’50 del XX secolo, con lo sviluppo dei primi circuiti integrati, la litografia venne adattata come processo di microfabbricazione: nacque così la fotolitografia, basata sull’uso di radiazione luminosa per incidere pattern su materiali semiconduttori.

Principio generale

Il processo litografico, nella sua forma moderna, consiste nel trasferire un disegno microscopico su un substrato mediante l’uso di una maschera e di un materiale fotosensibile (photoresist). Le fasi principali sono:

Deposizione del resist: il substrato (di solito un wafer di silicio) viene ricoperto da un sottile strato di materiale fotosensibile.
Esposizione: la superficie viene irradiata attraverso una maschera che contiene il disegno da trasferire. Le aree illuminate subiscono una modifica chimica.
Sviluppo: le parti del resist modificate vengono rimosse con un opportuno solvente, lasciando scoperti i settori da lavorare.
Trasferimento del pattern: il disegno può essere trasferito sul substrato in due modi principali:
1. Etching: le aree non protette dal resist vengono incise mediante processi di etching rimuovendo selettivamente il materiale sottostante.
2. Lift-off: il materiale (ad esempio un metallo) viene depositato sull’intera superficie tramite evaporazione o sputtering; successivamente, il resist residuo viene dissolto, “sollevando” lo strato sovrastante e lasciando il film solo nelle regioni dove il resist era stato precedentemente rimosso.

L'etching è più adatto per pattern incisi nel substrato, mentre il lift-off è impiegato soprattutto per la realizzazione di contatti metallici o strati funzionali depositati.

Questo principio, comune a tutte le tecniche litografiche, differisce soltanto per il tipo di radiazione o particella utilizzata per l’esposizione.

Tipi di litografia

A seconda del tipo di fascio impiegato per incidere il resist, si distinguono diverse tecniche:

Litografia ottica – utilizza luce ultravioletta o profonda (DUV, EUV) per pattern con risoluzioni fino a pochi nanometri.
Litografia elettronica (EBL) – impiega un fascio di elettroni focalizzato, ideale per scritture dirette e strutture a scala nanometrica.
Litografia a raggi X – usa fotoni di alta energia per pattern molto fini, con minori effetti di diffrazione.
Litografia a fascio ionico – sfrutta ioni accelerati per incidere direttamente la superficie o modificare localmente il resist.

Ognuna di queste varianti presenta vantaggi e limiti in termini di risoluzione, velocità di esposizione, costo e compatibilità con i materiali.

Parametri e limiti di risoluzione

La risoluzione di una tecnica litografica è influenzata da diversi fattori:

Lunghezza d’onda della radiazione o energia delle particelle utilizzate.
Numerical aperture (NA) del sistema ottico o del fascio.
Spessore e contrasto del resist.
Processi di sviluppo ed etching successivi.

Per le tecniche ottiche, la risoluzione limite $R$ è spesso approssimata dalla relazione:

R=k_{1}{\frac {\lambda }{NA}}

dove $\lambda$ è la lunghezza d’onda e $k_{1}$ un coefficiente tecnologico che tiene conto delle condizioni operative.

Importanza nella micro e nanotecnologia

La litografia è alla base di quasi tutti i processi di microfabbricazione:

definizione dei circuiti nei microchip;
realizzazione di microdispositivi elettromeccanici;
creazione di nanostrutture e pattern periodici per nanotecnologia e fotonica integrata.

Ogni miglioramento nella litografia – ad esempio l’introduzione della luce EUV o di tecniche di proiezione multiple – consente un salto generazionale nella miniaturizzazione dei dispositivi.

Bibliografia

Campbell, S. A., The Science and Engineering of Microelectronic Fabrication, Oxford University Press (2001).
Madou, Marc J. Fundamentals of Microfabrication and Nanotechnology, three-volume set., CRC Press, 4ª ed. (2018).
Plummer, J. D. Silicon VLSI technology: fundamentals, practice and modeling, Pearson Education India, (2009).

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