Fotolitografía



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La fotolitografía es el conjunto de operaciones para transferir una imagen (generalmente presente en una máscara) a un sustrato . Esta técnica se utiliza ampliamente en la industria de los semiconductores . Los patrones de la imagen así transferidos se convertirán posteriormente en las diferentes zonas de los componentes electrónicos (ejemplo: contacto, drenaje, etc.) o las uniones entre estos componentes.

Introducción

La fabricación de componentes microelectrónicos se basa en un gran número de técnicas, cuya complementariedad permite, en última instancia, obtener componentes utilizables como diodos , transistores o incluso chips que en realidad son sólo un conjunto de estos componentes elementales.

La técnica principal utilizada es la litografía , cuyo origen se remonta a un antiguo método de impresión en blanco y negro a partir de una piedra caliza sobre la que se transfiere un patrón (al revés) con tinta d 'an, motivo que luego se transfiere por contacto a la soporte para ser impreso, como Alphonse Poitevin y su proceso de fotolitografía sobre piedra , en 1855. Encontramos una gran cantidad de derivados de este método en los procesos de impresión , y posteriormente se ha aplicado un proceso de este tipo a la fabricación de semiconductores , que es, fotolitografía.

Materiales y procesos

General y terminología

Los pasos del proceso de fotolitografía comienzan con la aplicación de un fotorresistente en forma de película delgada sobre la superficie de un sustrato (por ejemplo, silicio u óxido de silicio). Luego se expone a radiación de luz. Durante este paso, el uso de una máscara, formada por áreas opacas y transparentes, permite definir el patrón que se va a reproducir en la oblea.

Preparación de sustratos

Los principales materiales utilizados para la fabricación de componentes microelectrónicos se eligen por sus propiedades intrínsecas. En primer lugar viene el silicio, el material semiconductor por excelencia (el más abundante, el más barato de fabricar y con muy buenas propiedades semiconductoras). También es posible encontrar materiales semiconductores compuestos, como arseniuro de galio (GaAs), nitruro de boro (BN), fosfuro de indio (InP), etc., que tienen otras propiedades interesantes. También existen ciertos metales como el aluminio o el cobre , elegidos especialmente por sus propiedades conductoras, que pueden desempeñar el papel de conexión interna, o bien aislantes como el dióxido de silicio (SiO 2 ) y determinados materiales orgánicos. También podemos añadir a esta lista un buen número de materiales que se prestan, por ejemplo, a la realización de resistencias o condensadores.

Cada uno de estos materiales debe utilizarse de acuerdo con las técnicas adecuadas, con el fin de obtener las propiedades deseadas. Así los metales pueden depositarse mediante procesos de pulverización o craqueo en fase vapor o por electroquímica (caso del cobre), los óxidos de silicio se crearán por oxidación del silicio que constituye las obleas o por deposición en fase vapor, etc.

Se buscan características muy precisas de planitud, estado de la superficie y conductividad en todas las etapas de fabricación.

Cada adición o eliminación de material en una oblea debe realizarse de acuerdo con un cierto esquema, definido durante el diseño del chip, de modo que cada una de las características por las que se busca un material pueda desempeñar plenamente su función dentro del componente. una vez que esté completo y empaquetado.

Generación de un enmascaramiento (foto)

La exposición crea reacciones dentro de la resina y genera modificaciones químicas, las zonas irradiadas verán evolucionar su solubilidad según el tipo de resina - positiva o negativa. Los disolventes específicos contenidos en el revelador permitirán eliminar la resina, esté o no expuesta, en función de su solubilidad y así exponer la última capa fina depositada sobre el sustrato.

  • En el caso de que la región expuesta se vuelva más soluble, se forma una imagen positiva de la máscara con la resina, de ahí el término resina positiva. Por el contrario, cuando se utiliza una resina negativa, la imagen formada es negativa (las áreas expuestas resisten el revelado).

El siguiente paso, en el caso de un grabado, eliminará la capa de sustrato (por ejemplo: SiO 2 ) en todas las regiones no cubiertas con resina, luego se reproducirán los patrones de la máscara en la capa inferior. En el caso de un implante iónico , la resina suficientemente espesa bloqueará, donde esté presente, la implantación de iones en el sustrato, por lo que los fotorresistentes deben tener dos cualidades esenciales. Ofrecer inicialmente una buena respuesta a la exposición radiativa, con el fin de garantizar la reproducción fiel y precisa de la imagen de la máscara. Y en segundo lugar, proteger eficazmente el sustrato durante el grabado o la implantación, lo que implica una cierta resistencia a los agentes utilizados (ácidos, plasmas, etc.) en el caso del grabado y un espesor suficiente.

Fotorresinas

General

Las propiedades básicas de las resinas fotosensibles se pueden clasificar en tres categorías:

Propiedades ópticas , que incluyen resolución e índice de refracción;
Las propiedades químicas y mecánicas , que incluyen fotosensibilidad, viscosidad, adhesión, resistencia al grabado, estabilidad térmica, sensibilidad a los gases ambientales (por ejemplo: oxígeno, vapor de agua, etc.);
Aspectos tecnológicos y de seguridad , que incluyen pureza, metales contenidos, latitudes de proceso, vida útil ...
Composición de fotoprotectores positivos

Las resinas fotosensibles se componen esencialmente de tres materiales: una matriz, un compuesto fotosensible y un disolvente. Las propiedades de la resina se alteran por transformaciones fotoquímicas del material fotoactivo, siendo la principal consecuencia la modificación de su solubilidad.

  • La matriz es una resina polimérica, a la que a menudo se hace referencia con el término genérico "novolak", que es un cresol / formaldehído. Es esto lo que confiere a la película, una vez polimerizada, sus propiedades mecánicas y físicas. La velocidad de disolución de una película compuesta únicamente de novolak (sin agente fotoactivo) en un revelador acuoso es del orden de 150 Å. . Las resinas Novolak tienen buenas propiedades de estabilidad térmica, resistencia a los agentes decapantes y permiten lograr altas resoluciones de patrones. También ofrecen una buena transparencia y son solubles en reveladores acuosos.
  • El compuesto fotoactivo (PAC) en las resinas positivas es diazonaftoquinona (DNQ). No es o es solo ligeramente soluble en el revelador.
  • El solvente , por otro lado, determina la viscosidad de la resina. Constituye aproximadamente el 70% de la resina y generalmente tiene varios componentes. Actualmente son principalmente PGMEA (acetato de éter monometílico de propilenglicol) y lactatos de etilo (EEP, 3-etoxi propionato de etilo).

Las resinas fotosensibles positivas se denominan comúnmente Novolak-diazonaphthoquinone o DNQ-Novolak.

Mecanismo

El principio de la fotolitografía se basa en la capacidad de las resinas para ver evolucionar su solubilidad en función de la cantidad de radiación luminosa absorbida. El mecanismo involucrado para las resinas positivas DNQ-Novolak se puede dividir en dos componentes principales:

Resina no expuesta: el PAC interactúa con la resina Novolak durante la polimerización para inhibir la solubilidad de la resina en reveladores alcalinos formando enlaces de hidrógeno con la matriz. La disolución de la película en el revelador aumenta hasta aproximadamente 10 a 20 Å. .

Resina expuesta: la parte activa (fotosensible) del DNQ reaccionará y se transformará bajo la acción de la luz ( fotólisis ) y en presencia de agua. Esto da como resultado un reordenamiento molecular con la matriz que libera los enlaces de hidrógeno, así como la producción de ácido carboxílico. La presencia de ácido carboxílico, que es una molécula polar, tiene la consecuencia de aumentar considerablemente la solubilidad; la velocidad de disolución de las partes expuestas de la película expuesta se acerca entonces a 1000 a 2000Å. .

El mecanismo de formación de imagen en resina positiva se basa, por tanto, en la diferencia de solubilidad de las áreas expuestas o no a un haz de luz, con tasas de disolución de la película que varían en un factor de 100 (de 10 a 1000 Å. ).

Caracteristicas

Afiliación

La adherencia de las resinas a los sustratos de Si , SiO 2 y Al es generalmente baja, lo que puede causar serios problemas durante las etapas de grabado donde los procesos utilizados son muy agresivos para la resina. Las soluciones utilizadas son, por un lado, la deshidratación de la superficie de los sustratos y, por otro lado, la provisión de un compuesto que favorece la adhesión resina / sustrato.

Partículas y metales contaminantes

La pureza de la resina es un factor que influye en las características finales del patrón litografiado. Para asegurar una cantidad mínima de contaminantes en la solución, se utilizan reglas estrictas de filtración y almacenamiento. Los métodos de filtración, bajo presión de nitrógeno, eliminan las partículas de más de 0,1 m. Los metales, en particular sodio y potasio, son indeseables porque pueden contaminar el material semiconductor por difusión. La cantidad residual de sodio (Na) y potasio (K) en las resinas no debe exceder 0.5  ppm .

Relación fase sólida / disolvente (contenido sólido)

Este parámetro especifica el porcentaje de resina obtenido después de la evaporación completa del solvente. La cantidad de sólido contenido en la resina determina su viscosidad. Es, en cierto modo, una función del tiempo porque en el caso de las resinas positivas el PAC se descompone lentamente para acabar formando precipitados (tras un almacenamiento prolongado por ejemplo).

Viscosidad

La viscosidad depende esencialmente de la temperatura y la proporción de sólido presente. Es la viscosidad la que determinará el espesor de la película depositada por recubrimiento centrífugo , en función de la velocidad de rotación.

Resistencia al grabado y estabilidad térmica

La resistencia al grabado define la capacidad de la resina para someterse al proceso de grabado de la oblea durante la transferencia del patrón. Las resinas deben desarrollar una buena resistencia al grabado para cumplir plenamente su función. Si esta resistencia es generalmente buena en el caso de los grabados en húmedo, no es lo mismo para los grabados en seco, que son mucho más agresivos. La dificultad encontrada se debe al hecho de que se reduce la sensibilidad a la radiación de la resina. La resistencia se puede mejorar aumentando la cantidad de enlaces entre las cadenas moleculares del material.

Operaciones

Procesamiento de fotorresistentes

Promotor de deshidratación y adherencia

La contaminación de las superficies puede afectar a muchos pasos posteriores del proceso fotolitográfico. Comúnmente, los problemas provocados son la disminución de la adherencia y la inclusión de defectos. La eliminación de estos problemas requiere una muy buena limpieza de los sustratos.

La humedad es uno de los agentes más contaminantes en los procesos litográficos. De hecho, las superficies de los sustratos de uso común (óxido, etc.) son hidrófilas y absorben la humedad del aire ambiente. El agua en la superficie de los sustratos promueve la creación de hidróxidos polarizados que son particularmente difíciles de eliminar posteriormente. Esto da como resultado una interferencia con los fenómenos de adhesión resina / sustrato.

La solución consiste en la denominada cocción por deshidratación. Las obleas pasan por un paso de aumento de temperatura en un sistema de placa calefactora. Esta cocción debe realizarse muy poco antes del siguiente paso, porque la reabsorción de humedad es muy rápida.

La imprimación, o promotor de la adhesión, es un compuesto que se deposita sobre la superficie para mejorar la adhesión resina / sustrato. Este compuesto suele ser hexametildisilazano (HMDS). El proceso consiste en reemplazar los grupos hidrófilos que normalmente se forman en la superficie por otros grupos hidrófobos. Algunas de las moléculas reaccionan con la superficie oxidada del sustrato, parcialmente hidrosilicato debido a la adsorción de hidrógeno, para formar enlaces Si-O, con la producción de agua. El otro extremo de la molécula podrá formar enlaces con la resina. La deposición de HMDS tiene lugar en fase vapor y consiste en introducir el producto en forma de gas en una cámara en presencia del sustrato. HMDS se puede aplicar frío o caliente.

Depósito de resina

La película de resina se obtiene mediante un proceso de recubrimiento centrífugo (recubrimiento por rotación). El principio consiste en esparcir mediante fuerzas centrífugas una pequeña cantidad de resina sobre un sustrato (oblea de silicio). El proceso consta de cinco pasos principales:

a) Depósito de resina en la oblea;
b) Distribución de la resina sobre toda la superficie de la oblea mediante rotación;
c) Aumento de la velocidad de rotación para eliminar el exceso de resina;
d) Rotación a velocidad constante para establecer el espesor de la resina;
e) Rotación por un tiempo determinado para permitir la evaporación del solvente.

Durante el primer paso (a) se deposita sobre la placa una pequeña cantidad de resina, unos pocos mililitros. La deposición se realiza de dos modos principales: sobre la oblea estacionaria o sobre la oblea que gira a baja velocidad (1500 ). El segundo modo ofrece la ventaja de homogeneizar el volumen de resina en el centro del sustrato (diámetro, espesor) y eliminar inmediatamente el exceso de resina. A continuación, se aplica una fuerte aceleración (b) (20.000 ) a la oblea para promover la formación de una capa uniforme sobre toda la superficie.

La evaporación del solvente reduce significativamente la viscosidad de la resina de la que depende directamente el espesor de la película. Dado que la evaporación es rápida, es necesario asegurarse de que el tiempo de esparcimiento de la resina sea corto. Sin embargo, la aceleración está limitada por la capacidad de los motores y la resistencia mecánica de las pastillas.

Durante el paso (c), la película se lleva a su espesor final. La rotación se realiza a velocidad constante porque el espesor está sujeto a la velocidad de rotación. El rango de velocidad de rotación está entre 2000 y 7000 , sin embargo, la uniformidad óptima se logra a velocidades superiores a 4000 . Durante la rotación a alta velocidad, la mayor parte del disolvente contenido se evapora para producir finalmente una película sólida. La calidad de la película depende fundamentalmente de la presencia o ausencia de defectos (cometas, polvo, huecos, etc.) y de la uniformidad de su espesor (variaciones de espesor, simetría, etc.).

Existe otra tecnología ( hendidura ) que se utiliza para depositar la resina en sustratos muy grandes, como las pantallas planas fabricadas en plantas de generación 5 y superiores (1100  mm x 1250-1 300  mm o más). Dado que es prácticamente difícil rotar grandes sustratos rápidamente, se utiliza una resina más viscosa, y se distribuye al sustrato mediante una serie de microboquillas dispuestas en un eje que se mueve a lo largo del sustrato. Este método de aplicación tiene la ventaja de consumir menos resina que el revestimiento centrífugo. También existe un método híbrido (hendidura / centrifugado), que combina la aplicación por microboquillas y la planarización por centrifugación, utilizado hasta la generación 6 (1.500  mm x 1.800  mm ).

Cocinar después del depósito

Este paso sigue inmediatamente a la deposición de la resina en la oblea. Asegura la rápida eliminación de parte de los disolventes y la polimerización de la matriz. Por tanto, el contenido de disolvente desciende del 20 - 30% restante después del primer secado al 4 - 7%. Esto da como resultado una contracción del volumen de la resina que genera una pérdida de espesor del orden del 10%. El nivel de disolvente residual influye en particular en el desarrollo: cuanto menor es esta velocidad, más rápida es la disolución de la resina.

El calentamiento de las plaquetas se puede realizar de diferentes modos. El más utilizado es un sistema de placas calefactoras sobre las que se colocan las obleas. La temperatura es de alrededor de 110  ° C y el tiempo de ciclo es muy corto (30 - 60 s) y se ajusta para alcanzar el nivel de solvente deseado. El principio de calentamiento de la placa calefactora se presenta en dos variantes: la de contacto, donde el calor se transmite por conducción, y la de proximidad, donde esta vez la placa permanece colocada a poca distancia de la placa calefactora, la transmisión por convección.

A cualquier operación de cocción le sigue el enfriamiento de la oblea. La técnica es idéntica. A continuación, se utilizan placas frías a una temperatura cercana a la temperatura ambiente ( 22  ° C ).

Insolación

La luz fluorescente filtrada en fotolitografía de salas blancas no contiene luz ultravioleta o azul para evitar exponer las obleas. El espectro de luz emitido por estos dispositivos da a prácticamente todos estos espacios un color amarillo brillante.

La insolación consiste en exponer determinadas zonas de la resina, mediante un sistema de enmascaramiento, a la radiación ultravioleta. Luego se crea, por reacción fotoquímica, una imagen latente en el espesor de la resina fotosensible. El grado de exposición depende principalmente de la intensidad de la fuente y del tiempo de exposición y se mide mediante una energía superficial ( ). Condiciona el grado de avance de la reacción fotoquímica que depende de la sensibilidad de la resina.

La exposición de la resina es un paso crítico en el proceso de fotolitografía por varias razones: procedemos oblea por oblea, por lo que el tiempo de exposición influye directamente en el tiempo del ciclo. El tiempo de exposición es un parámetro que ofrece relativamente pocos márgenes porque una resina subexpuesta provoca una degradación significativa de la resolución de los patrones. El tiempo dedicado a la alineación de las placas no es despreciable y es difícil de reducir. Por tanto, mejorar los tiempos de proceso a este nivel implica necesariamente optimizar las reacciones fotoquímicas. Esta tarea es difícil porque existe una fuerte dependencia entre la exposición y todas las etapas anteriores.

Resolución y fenómenos relacionados
Imagen panorámica
Las diferentes longitudes de onda utilizadas en fotolitografía .
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La resolución de impresión es un factor crítico, ya que es la causa principal de las limitaciones de tamaño mínimo del patrón. La calidad de las imágenes impresas por proyección está hoy limitada por el fenómeno de la difracción de la luz.

Todos los sistemas de litografía óptica generan fenómenos de difracción de luz. La principal causa de estos es el paso de ondas de luz a través de las rendijas formadas por las máscaras. Debido a estos fenómenos de difracción, la radiación aparece en áreas que no están directamente expuestas a la radiación incidente. La distribución de la intensidad produce una serie de áreas oscuras y claras alternas, cuyo período depende de la distancia entre las ranuras de la oblea, la configuración geométrica de las ranuras y la pureza cromática de la fuente de luz.

  • Fuente de luz: puede consistir en una lámpara de vapor de mercurio , que proporciona un amplio espectro con varios picos de intensidad. El rango espectral ultravioleta ( = 150 a 500 nm) se divide en tres regiones: UVC o UV profundo (DUV), UVB o UV medio (MUV) y UVA o UV cercano. Los diferentes picos de la lámpara de mercurio se encuentran en el UV medio (línea G [ = 436 nm], línea H [ = 405 nm], línea I [ = 365 nm]. La selección de una o varias Por tanto, los picos permiten determinar con precisión la longitud de onda de la radiación incidente, a la que está directamente vinculada la resolución de impresión: cuanto menor es la longitud de onda, mayor es la resolución. La luz se define mediante filtros que permiten la selección de determinadas longitudes de onda. Otras posibles fuentes de luz que permiten una mejor resolución son los láseres excimer KrF o ArF , respectivamente DUV [ = 248 nm], DUV [ = 193 nm]).

El fundador taiwanés TSMC afirma lanzar microprocesadores con grabado fino de 7 nm para finales de 2019 y 5 nm para principios de 2020. Aún según TSMC estaría construyendo una unidad de producción en más de 13 mil millones de dólares para la fabricación en 2021 de chips grabados a 3 nm si su proyecto no cumple con imprevistos .TSMC buscaría miniaturizar y ganar un poco más de potencia pero por encima todo ello para reducir considerablemente el consumo energético para poder seguir vendiendo cada vez más productos. Según el fundador estadounidense Intel, está listo para el grabado de 10 nm, pero buscaría iniciar un grabado en 3 D para aumentar la densidad de los transistores en la misma superficie, lo que sería una ruptura completa en la tecnología para poder para seguir la Ley de Moore. Solo el futuro sabrá si TSMC, Intel o Samsung ganarán la batalla por la miniaturización porque todas estas afirmaciones solo están tomadas de los anuncios de los distintos fundadores, además ni siquiera mencionan los fenómenos problemáticos relacionados vinculados a los mismos. -la llamada física cuántica que va a interferir en todos sus edificios.

Glosario

  • CD  : Dimensión crítica (Dimensión crítica)
  • DNQ  : Diazonaftoquinona, compuesto fotoactivo de fotorresistentes
  • HMDS  : Hexametildisilazano (promotor de adhesión)
  • SEM  : microscopía electrónica de barrido
  • Patrón Designa parte de una máscara (resina, óxido, etc.)
  • Novolak  : Matriz de fotorresistentes positivos (Cresol / Formaldehído)
  • CAP  : compuesto fotoactivo ( foto activa compuesta )
  • Polisilicio  : silicio policristalino
  • SEM  : microscopio electrónico de barrido (microscopio electrónico de barrido)
  • Onda estacionaria  : interferencia de luz creada por múltiples reflejos entre materiales con diferentes índices de refracción
  • Std. Dev.  : Desviación estándar ( desviación estándar)
  • Stepper  : Equipo que asegura la insolación de la resina mediante una fuente de luz, una retícula y un sistema de lentes ópticas. El stepper aísla los campos de la rebanada sucesivamente por paso (paso en inglés de ahí su nombre)
  • Oblea  : Oblea , placa u oblea del semiconductor

Referencias

Ver también

Abarcando dominios

Campos relacionados

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