La fotolitografía es un método para obtener un determinado patrón en la superficie de un material, muy utilizado en microelectrónica y otros tipos de microtecnología , así como en la producción de placas de circuito impreso . Uno de los principales métodos de tecnología planar utilizados en la producción de dispositivos semiconductores .
La esencia del proceso de fotolitografía es que primero se aplica una fina película de polímero fotosensible ( fotoprotector ) a la superficie a tratar. Luego, esta película se ilumina a través de una fotomáscara con un patrón determinado. Las áreas expuestas luego se eliminan en el revelador. El patrón obtenido en la fotoprotección se utiliza para etapas tecnológicas de tecnología planar como grabado , electrodeposición , deposición al vacío y otras. Después de realizar uno de estos procesos, también se elimina el fotorresistente restante, que no se eliminó durante el revelado.
La diferencia fundamental entre la fotolitografía y otros tipos de litografía es que la exposición se realiza con luz (visible o ultravioleta ), mientras que en otros tipos de litografía, los rayos X ( litografía de rayos X ), un haz de electrones ( litografía de haz de electrones ) o iones ( litografía de haz de iones) se utilizan para esto, litografía de haz ) y más.
Las dimensiones más pequeñas de los detalles de la imagen, alcanzables en fotolitografía (resolución), están determinadas por: la longitud de onda de la radiación utilizada, la calidad de la óptica utilizada para la exposición, las propiedades de la fotorresistencia y alcanzan los 100 nm. La aplicación de métodos especiales ( litografía de inmersión ) teóricamente permite obtener una resolución de hasta 11 nm .
Inicialmente, el sustrato (en la producción de microcircuitos monolíticos, generalmente es una oblea de silicio de un solo cristal ) se limpia de contaminantes en un baño ultrasónico en varios solventes orgánicos: acetona y metanol y enjuagando en isopropanol . En caso de contaminación importante de la superficie, se trata con una mezcla de ácido sulfúrico y peróxido de hidrógeno (H 2 SO 4 + H 2 O 2 ) seguido del proceso de limpieza RCA .
Diferentes materiales de sustrato tienen diferente adhesión ( adherencia ) de la fotoprotección al mismo. Por ejemplo, los metales como el aluminio , el cromo y el titanio tienen una alta adherencia, mientras que los metales preciosos como el oro , la plata o el platino tienen una muy mala adherencia. En caso de baja adherencia, se recomienda aplicar una fina capa de adhesivo antes de aplicar la fotoprotección , lo que aumenta la adherencia de la fotoprotección a la superficie, por ejemplo, hexametildisilazano (HMDS). Además, a veces se aplican recubrimientos antirreflectantes sobre la fotoprotección .
El método más utilizado para aplicar fotoprotectores a una superficie es la centrifugación. Este método permite crear una película fotorresistente uniforme y controlar su espesor mediante la velocidad de rotación de la placa (del orden de varios miles de revoluciones por minuto). Normalmente se utiliza cuando se trabaja con plaquitas redondas grandes.
Cuando se utilizan superficies que no son adecuadas para la centrifugación, por ejemplo para recubrir superficies pequeñas, se utiliza el recubrimiento por inmersión en fotoprotector. Las desventajas de este método son el alto consumo de fotoprotector y la falta de homogeneidad de las películas resultantes.
Si es necesario aplicar el protector sobre superficies complejas, se utiliza la pulverización de aerosol, sin embargo, el espesor de la película con este método de aplicación tampoco es uniforme.
Después de aplicar la resistencia, es necesario realizar su secado preliminar (curtido). Para ello, la muestra se mantiene durante varios minutos en un horno a una temperatura de 100-120 ° C. Esta etapa es necesaria para la evaporación del solvente contenido en el fotorresistente, que ayuda a mejorar la adherencia, eliminar la adherencia a la fotomáscara . , la posibilidad de aplicar una segunda capa de fotorresistente y tiene un efecto positivo en algunos otros aspectos.
El proceso de exposición consiste en exponer el fotorresistente a través de una fotomáscara que contiene el patrón deseado con luz visible o ultravioleta, lo que distingue el proceso de fotolitografía de otros tipos de litografía . Por ejemplo, en el caso de la litografía de rayos X , haz de iones y electrones , se utilizan rayos X , iones y electrones para la exposición, respectivamente.
Las longitudes de onda de exposición más estándar en fotolitografía son la línea i (365 nm ), la línea h (405 nm) y la línea g (436 nm). Sea como fuere, la mayoría de los fotorresistentes también pueden exponerse a un amplio espectro en el rango ultravioleta (exposición integral), para lo que se suele utilizar una lámpara de mercurio . En el caso de la fotolitografía en ultravioleta profundo (duro) , se utilizan longitudes de onda de unos 13,5 nm y fotorresistores especiales. Entre las fuentes de radiación utilizadas en fotolitografía, las más comunes son:
La exposición se puede realizar tanto con el uso de fotomáscara como sin ella ( litografía sin máscara ). En el último caso, el patrón en la fotoprotección está formado por un rayo láser o de electrones que se mueve directamente, o un grupo de ellos, enfocado en la superficie de la fotoprotección. En el caso de usar fotomáscaras, los métodos de exposición por proyección se usan con más frecuencia, cuando un patrón de una fotomáscara se transfiere a una fotoprotección usando un sistema de lentes ópticas . En algunas realizaciones de litografía, la máscara puede estar en contacto con el fotoprotector, o muy cerca, en presencia de un microespacio.
Existen tecnologías que pueden reducir la distorsión y producir microcircuitos con estándares de diseño más bajos:
En la producción de dispositivos semiconductores para la exposición de placas de área grande (150, 200, 300 mm de diámetro), se utilizan dispositivos como escaladores y escáneres, en los que una pequeña fotomáscara se expone repetidamente a la placa moviendo la superficie expuesta.
Los principales parámetros de exposición son la longitud de onda, el tiempo de exposición y la potencia de la fuente de radiación. Como regla general, cada fotoprotector tiene un cierto valor de dosis (mJ/cm 2 ) requerido para su exposición, por lo que es importante elegir los parámetros de exposición correctos. La subdosificación puede causar problemas con el revelado de la fotorresistencia y la sobreexposición puede dañar la película de la fotorresistencia. El rendimiento de las instalaciones fotolitográficas, medido en placas por hora (wph), depende de los parámetros de potencia.
Además, vale la pena señalar un método de fotolitografía como "quemado", en el que las ventanas necesarias en la capa de polímero se queman bajo la influencia de un potente flujo de luz sobre ellas, evaporando la película depositada sobre el material o quemando el material. a través de sí mismo. Este método se utiliza para la fabricación de formas offset de tiradas cortas y en algunos sistemas de risografía .
El endurecimiento secundario se lleva a cabo inmediatamente después de la exposición y no es un paso obligatorio. Este paso es necesario solo en los casos en los que se utilizan fotorresistentes mejorados químicamente, cuando se utiliza un fotorresistente reversible, cuando las películas gruesas de fotorresistente necesitan relajarse y en algunas otras situaciones.
En el proceso de revelado, partes de la fotoprotección se eliminan con un líquido especial, un revelador (por ejemplo , hidróxido de tetrametilamonio ), formando ventanas en la película fotorresistente. En el caso de usar un fotorresistente positivo, se elimina el área expuesta, y en el caso de uno negativo, se elimina el área no expuesta.
Ciertos fotoprotectores son desarrollados por un determinado desarrollador y no desarrollados por otros. Por regla general, el revelador se diluye con agua (1:2, 1:4), mientras que el grado de dilución controla la velocidad de revelado, que también depende de la dosis de exposición que recibe el fotorresistente.
El endurecimiento final del fotorresistente también es un paso opcional, aunque a menudo ayuda a mejorar sus propiedades. En particular, el secado a 130-140 ° C mejora la estabilidad química y térmica de la fotoprotección desarrollada para los pasos posteriores, como la electrodeposición y el grabado seco y húmedo.
Por regla general, la fotolitografía está estrechamente relacionada con la etapa tecnológica, para la cual se requiere realmente el patrón obtenido del fotorresistente. El proceso más común en esta etapa es el grabado , aunque en la fotolitografía inversa se suelen utilizar procesos como la electrodeposición y la pulverización catódica .
GrabadoEl grabado es el proceso más utilizado junto con la fotolitografía en la fabricación de placas de circuito impreso y dispositivos semiconductores para microelectrónica . Hay dos tipos principales de grabado: líquido (líquido) y grabado en seco . El grabado en seco se subdivide en pulverización física, pulverización iónica ; grabado químico en fase gaseosa; grabado con iones reactivos . Según las tareas se utiliza uno u otro tipo de grabado. El grabado húmedo se utiliza principalmente en la fabricación de PCB, pero también para el grabado de sacrificio en la fabricación de MEMS y otras aplicaciones en las que se requiere grabado isotrópico (es decir, grabado en todas las direcciones). El plasma , y en particular el grabado con plasma profundo , se utiliza cuando es necesario grabar la estructura a una profundidad relativamente alta, manteniendo el ángulo vertical de las paredes tanto como sea posible, es decir, grabar de forma anisotrópica, solo en la dirección vertical. El resultado del grabado está estrechamente relacionado con los parámetros de la fotorresistencia, lo que determina en gran medida su elección.
ElectrodeposiciónEn el proceso de galvanoplastia , las ventanas de la fotoprotección se utilizan para depositar material del electrolito en ellas .
Pulverización. Litografía inversaEn los casos en que se requiere obtener un patrón a partir de un material mal grabado, se utiliza el proceso de litografía inversa (explosiva). En el proceso de litografía inversa , se deposita una capa delgada de material (generalmente metal) sobre la fotoprotección aplicada y revelada , a partir de la cual se formará un patrón. En la siguiente etapa, se retira el fotorresistente, de modo que el material depositado permanece solo en ventanas que no están protegidas por el fotorresistente, y se lleva consigo la película que ha caído sobre el fotorresistente, es decir, el llamado " explosión” se lleva a cabo. Para la litografía inversa, por regla general, se utilizan fotorresistores especiales LOR (lift-off-resist). Existen numerosas modificaciones a este método, por ejemplo, cuando se utilizan dos o incluso tres capas de fotoprotector con diferentes velocidades de desarrollo. En general, la eliminación precisa de fotorresistencia requiere que la película de fotorresistencia sea dos o más veces más gruesa que la película de material depositado, y que las paredes de la fotorresistencia tengan una pendiente negativa, lo que excluye la posibilidad de recubrirlas con el material depositado.
El paso final en el proceso de fotolitografía es la eliminación de la fotoprotección. Para eliminar la fotoprotección de la superficie tratada, se utiliza un tratamiento en un líquido especial: un removedor (por ejemplo, dimetilsulfóxido , N-metilpirrolidona, una mezcla de ácido sulfúrico y peróxido de hidrógeno) o un tratamiento con plasma que contiene oxígeno. Como regla general, ciertos decapantes son adecuados solo para ciertos grupos de fotoprotectores. En los procesos de fotolitografía inversa, junto con el fotorresistente, también se elimina la película de material que lo recubre. Si en los pasos anteriores se usaron promotores de adherencia o recubrimientos antirreflectantes, generalmente también son eliminados por el decapante.