Micro e nanotecnologia/Microtecnologia/Tecniche litografiche/Litografia ottica: differenze tra le versioni

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La fotoligrafia ottica è un processo usato per rimuovere selettivamente parti di un film sottile o
La fotoligrafia ottica è un processo usato per rimuovere selettivamente parti di un film sottile o
parti del substrato. Viene usata luce per trasferire un disegno geometrico da una foto-maschera, una lastra di generalmente quarzo con zone di trasparenza e di opacità in corrispondenza del disegno geometrico da riprodurre, ad un sostanza chimica sensibile alla luce ([[w:Photoresit|fotoresist]]
parti del substrato. Viene usata luce per trasferire un disegno geometrico da una foto-maschera, una lastra di generalmente quarzo con zone di trasparenza e di opacità in corrispondenza del disegno geometrico da riprodurre, ad un sostanza chimica sensibile alla luce ([[w:Photoresit|fotoresist]]

Versione delle 15:34, 8 mar 2009

Indice del libro

La fotoligrafia ottica è un processo usato per rimuovere selettivamente parti di un film sottile o parti del substrato. Viene usata luce per trasferire un disegno geometrico da una foto-maschera, una lastra di generalmente quarzo con zone di trasparenza e di opacità in corrispondenza del disegno geometrico da riprodurre, ad un sostanza chimica sensibile alla luce (fotoresist steso sopra il substrato. Successivi trattamenti chimici o fisici modellano il disegno esposto sul materiale sotto il resist. In un ciclo completo per circuiti integrati un wafer di silicio subisce fino a 50 volte i processi fotolitografici.

La fotolitografia ha molte similitudini con la fotografia analogica, infatti il photoresist è molto simile alle sostanze fotosensibili usate nelle pellicole fotografiche. La differenza sostanziale è che mentre la fotografia tradizionale difficilmente necessita di una precisione dei dettagli minore di qualche decina di , la fotolitografia necessita di una risoluzione molto maggiore.

Procedura di base

Il processo fotolitografico prevede molte fasi, alcune specifiche di alcuni materiali, qui vengono riassunte le principali.

Pulizia

Nel caso in cui contaminanti siano presenti sulla superfice del wafer essi vengono preventimante rimossi mediante un trattamento chimico in fase liquida. L'immersione in una soluzione al 50% di acqua ossigenata (ad alta concentrazione) e acido solforico è in genere la procedura più usata per rimuovere sia tracce organiche che normali contaminanti. Questo tipo di pulizia è applicabile in genere solo come primo step su wafer di silicio.

Nelle fasi successivi tale miscela chimica è in genere dannosa per le strutture già fabbricate.

Un risciacquo successivo in acqua deionizzata è il passo successivo. L'acqua deionizzata significa acqua con elevata resistività e quindi con una presenza trascurabile di ioni. L'acqua deionizzata viene utilizzata in molte fasi dei processi di microtecnologia ed in genere per evitare contaminazioni viene prodotta in loco, un apparecchio di deionizzazione dell'acqua è in genere presente in tutte le camere pulite usate per microtecnologie.

Preparazione

Successivamente il wafer viene riscaldato ad una temperatura sufficientemente elevata per rimuovere ogni traccia di acqua presente. In genere il trattamento di pulizia è maggior necessario per wafer che sono stati conservati a lungo, in quanto più facilmente si sono accumulati contaminanti. Per aumentare l'adesione del resist al substrato vengono spesso utilizzate delle sostanze che aumentano l'adesione la più comune di queste sostanze è l'esametilsilazano (HDMS). Uno strato monomolecolare di tale sostanza è una ottima interfaccia tra wafer e resist. L'applicazione di tale sostanza può avvenire per immersione e successiva asciugatura o meglio lasciando il wafer in una camera satura di vapori di HDMS per una durata di qualche minuto.

Applicazione del fotoresist

Un esempio di spin coater

Il fotoresist è una particolare sostanza chimica usata nei processi di fotoincisione. Questa sostanza è sensibile alle radiazioni luminose (in particolar modo ai raggi UV) e altera le sue proprietà chimiche se sottoposto a tali radiazioni. Per l'applicazione sui wafer, il fotoresist viene versato in poche gocce sulla superficie del wafer stesso che successivamente viene fatto ruotare con una elevata velocità angolare attorno al suo centro, affinchè tutto il fotoresist copra tutta la superficie in maniera omogenea. La tecnica viene chiamata spin coating, non esiste una efficace traduzione in italiano. Le velocità angolari tipiche vanno da 1000 giri al minuto fino a 6000 giri al minuto. La durata caratteristica di tale rotazione è dell'ordine del minuto. La diluizione del resist come la velocità angolare influenzano lo spessore del resist il cui spessore può andare da frazioni di micron a qualche micron. Aumentare la velocità di rotazione diminisce lo spessore del resist.

Nel processo di ricopertura mediante spinning, naturalmente uno spessore maggiore di resist si forma sul bordo esterno del wafer, tale spessore viene rimosso dalla geometria della centrifuga o in una fase successiva.

La rimozione del solvente in eccesso viene fatta mantenendo il wafer sopra una piastra riscaldata (pre-bake) a temperatura di circa , per un tempo di circa 5 minuti. In alcuni casi si preferisce effettuare il processo in un forno in atmosfera di azoto, in questo caso il processo di essiccatura ha una durata maggiore (30 minuti).

Esposizione e sviluppo

Nel processo successivo viene allineata la maschera al wafer, ponendoli o a contatto o nel cono d'ombra l'uno dell'altro. L'apparecchio che opera tale operazione, chiamato allineatore di maschere, è in genere di elevato costo e complessità specialmente se opera in proiezione. La litografia ottica, per ragioni di risoluzione (vedi dopo), usa luce ultravioletta. I resist più comuni sono positivi, in questo caso il processo di esposizione rende meno stabile il resist, essendo una sostanza polimerica quindi la depolimerizza. Esistono, seppure meno utilizzati, resist negativi, in questo l'esposizione rende il resist più stabile (facilita la polimerizzazione).

Il cambiamento chimico permette di rimuovere il resist indesiderato in una soluzione opportuna, in genere fortemente basica, chiamata sviluppo (l'analogia con il processo fotografico analogico è evidente). Spesso nel caso di litografia ad alta risoluzione per eliminare le frange di interferenza sul bordo delle strutture viene effettuato un ulteriore cottura (post-bake).

Lo sviluppo in laboratorio viene effettuato per immersione nella soluzione, mentre nei processi industriali viene effettuato su uno spinner. Il materiale basico più utilizzato è l'idrossido di sodio in soluzione di acqua. Nei processi di fabbricazione dei MOSFET il sodio rappresenta un contaminante indesiderato per l'ossido tra il gate ed il canale, per cui si preferisco usare sviluppo privi di ioni metallici tipo l'idrossido di tetrametilammonio (TMAH).

In seguito il wafer viene sottoposto ad un trattamento termico ad una temperatura superiore ai precedenti trattamenti tra 120 e 180 °C, per qualche decina di minuti. Questo trattamento rende molto più resistente il resist per i processi successivi, ma non è necessario in alcuni processi.


Risoluzione

La possibilità di proiettare una immagine precisa di un piccolo particolare è limitata dalla lunghezza d'onda della luce usata e dalla capacità del sistema di lenti che riducono l'immagine della fotomaschera di avere pochi problemi di diffrazione. Attualmente la fotolitografia usa DUV (deep ultraviolet) in italiano (UV vicino)con lunghezze d'onda tra 248 nm a 193 nm: i particolari più piccoli sono dell'ordine di 50 nm.

Il minimo particolare che il sistema di proiezione può scrivere è dato approssimativamente da:

dove è la minima dimensione del particolare (anche chiamata la dimensione critica). Spesso indicata con 2 volte la mezza spaziatura.

(comunemente detto fattore k1) è un coefficiente che contiene tutti fattori dovuti al processo tecnologico e nei processi industriali vale tipicamente 0.4.


è la lunghezza d'onda della luce usata.

è l'apertura numerica della lente finale del sistema di proiezione sul wafer. L'apertura numerica è una grandezza adimensionale che indica il massimo angolo utile del sistema.

Secondo questa equazione, un particolare minimo può essere diminuito diminuendo la lunghezza d'onda ed aumentando l'apertura numerica: cioè facendo lenti più grandi e portandole il più vicino possibile al wafer. Purtroppo non si può avvicinare troppo al wafer a causa del problema della profondità di fuoco (DF). Infatti in un sistema di proiezione

Dove, è un altro coefficiente adimensionale legato al processo. La profondità di fuoco pone delle restrizioni sullo spessore del photoresist e la profondità della topografia sul wafer. La tecnica di Chemical mechanical polishing descritta nel seguito è spesso usata per spianare la topografia prima di passaggi ad alta risoluzione di litografia.

Lastre

Le maschere o lastre della litografia moderna consistono di una lastra di quarzo fuso (un vetro ricavato da biossido di silicio di elevata purezza). La ragione di usare vetri particolari risiede nel fatto che solo il quarzo di elevata purezza ha un assorbimento trascurabile nelle frequenza dell'ultravioletto. Le lastre vengono ricoperte da uno strato di poche decine di nm di Cromo. Nel passato nella litografia a contatto si sono usati anche degli ossidi, come il biossido di ferro, che essendo trasparente nel visibile ed opaco nell'ultravioletto permette di allineare facilmente le maschere con il substrato. Il Cromo ha soppiantato tale materiale a causa della sua durezza e resistenza alla corrosione. Le maschere vengono in genere fabbricate applicando sopra il quarzo ricoperto di cromo un resist elettronico e sono esposte mediante litografia a fascio di elettroni.

Il disegno sulla maschera rappresenta solo un livello nel disegno di un circuito integrato.