Fotolitografia



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A fotolitografia é o conjunto de operações de transferência de uma imagem (geralmente presente em uma máscara) para um substrato . Esta técnica é amplamente utilizada na indústria de semicondutores . Os padrões da imagem assim transferidos tornar-se-ão subseqüentemente as diferentes zonas dos componentes eletrônicos (exemplo: contato, dreno, etc.) ou as junções entre esses componentes.

Introdução

O fabrico de componentes microeletrónicos assenta num grande número de técnicas, cuja complementaridade permite, em última análise, obter componentes utilizáveis ​​como díodos , transístores ou mesmo chips que, na realidade, são apenas um conjunto desses componentes.

A principal técnica utilizada é a litografia , cuja origem remonta a um antigo método de impressão a preto e branco a partir de um calcário sobre o qual é transferido um padrão (de cabeça para baixo) usando uma tinta, um motivo então transferido por contacto para o suporte a ser impresso, como Alphonse Poitevin e seu processo de fotolitografia sobre pedra , em 1855. Encontramos um grande número de derivados deste método em processos de impressão , e posteriormente um processo deste tipo foi aplicado à fabricação de semicondutores , que é, fotolitografia.

Materiais e processos

Geral e terminologia

As etapas do processo de fotolitografia começam com a aplicação de um fotorresiste na forma de um filme fino na superfície de um substrato (por exemplo, silício ou óxido de silício). Em seguida, é exposto à radiação luminosa. Nessa etapa, o uso de uma máscara, formada por áreas opacas e transparentes, permite definir o padrão a ser reproduzido no wafer.

Preparação de substratos

Os principais materiais utilizados para a fabricação de componentes microeletrônicos são escolhidos por suas propriedades intrínsecas. Em primeiro lugar, vem o silício, o material semicondutor por excelência (o mais abundante, o mais barato de fabricar e com excelentes propriedades semicondutoras). Também é possível encontrar materiais semicondutores compostos, como arseneto de gálio (GaAs), nitreto de boro (BN), fosfeto de índio (InP), etc., possuindo outras propriedades interessantes. Existem também certos metais como o alumínio ou o cobre , escolhidos em particular pelas suas propriedades condutoras, que podem desempenhar o papel de ligação interna, ou então isolantes como o dióxido de silício (SiO 2 ) e certos materiais orgânicos. Podemos também adicionar a esta lista um bom número de materiais que se prestam, por exemplo, à realização de resistências ou condensadores.

Cada um desses materiais deve ser utilizado de acordo com técnicas adequadas, a fim de se obter as propriedades desejadas. Assim, os metais podem ser depositados por processos de pulverização ou craqueamento na fase de vapor ou por eletroquímica (caso do cobre), os óxidos de silício serão criados por oxidação do silício que constitui as bolachas ou por deposição em fase de vapor, etc.

Características muito precisas de planicidade, condição de superfície e condutividade são buscadas em todos os estágios de fabricação.

Cada adição ou remoção de material em um wafer precisa ser feito de acordo com um certo esquema, definido durante o projeto do chip, de modo que cada uma das características para as quais um material é procurado possa desempenhar plenamente seu papel dentro do componente depois de concluído e embalado.

Geração de uma máscara (foto)

A exposição cria reações dentro da resina e gera modificações químicas, as zonas irradiadas verão sua solubilidade evoluir de acordo com o tipo de resina - positiva ou negativa. Os solventes específicos contidos no revelador permitirão a remoção da resina, exposta ou não, dependendo de sua solubilidade e, assim, expor a última camada fina depositada no substrato.

  • Caso a região exposta se torne mais solúvel, uma imagem positiva da máscara é formada com a resina, daí o termo resina positiva. Por outro lado, ao usar uma resina negativa, a imagem formada é negativa (as áreas expostas resistem ao desenvolvimento).

A próxima etapa, no caso de um ataque ácido, irá eliminar a camada de substrato (ex: SiO 2 ) em todas as regiões não recobertas com resina, os padrões da máscara serão então reproduzidos na camada inferior. No caso de um implante iônico , a resina suficientemente espessa irá bloquear, onde estiver presente, a implantação de íons no substrato, portanto os fotorresistentes devem ter duas qualidades essenciais. Oferecem inicialmente uma boa resposta à exposição radiativa, de forma a garantir a reprodução fiel e precisa da imagem da máscara. E em segundo lugar, para proteger eficazmente o substrato durante o ataque ou implantação, o que implica uma certa resistência aos agentes utilizados (ácidos, plasmas, etc.) no caso do ataque e uma espessura suficiente.

Fotorresinas

Em geral

As propriedades básicas das resinas fotossensíveis podem ser classificadas em três categorias:

Propriedades ópticas , que incluem resolução e índice de refração;
As propriedades químicas e mecânicas , que incluem fotossensibilidade, viscosidade, adesão, resistência à corrosão, estabilidade térmica, sensibilidade aos gases ambientais (por exemplo: oxigênio, vapor de água, etc.);
Aspectos tecnológicos e de segurança , que incluem pureza, metais contidos, latitudes de processo, prazo de validade ...
Composição de fotoresiste positivo

As resinas fotossensíveis são compostas essencialmente de três materiais: uma matriz, um composto fotossensível e um solvente. As propriedades da resina são alteradas por transformações fotoquímicas do material fotoativo, sendo a principal consequência a modificação de sua solubilidade.

  • A matriz é uma resina polimérica, frequentemente referida pelo termo genérico "novolak", que é um Cresol / Formaldeído. É isso que confere ao filme, uma vez polimerizado, suas propriedades mecânicas e físicas. A taxa de dissolução de um filme composto exclusivamente de novolak (sem agente fotoativo) em um revelador aquoso é da ordem de 150 Å. . As resinas Novolak apresentam boas propriedades de estabilidade térmica, resistência a ácidos e possibilitam a obtenção de altas resoluções de padrões. Eles também oferecem boa transparência e são solúveis em reveladores aquosos.
  • O composto fotoativo (PAC) em resinas positivas é a diazonaftoquinona (DNQ). Não é ou apenas ligeiramente solúvel no revelador.
  • O solvente , por outro lado, determina a viscosidade da resina. Constitui cerca de 70% da resina e geralmente possui vários componentes. Atualmente, são principalmente PGMEA (acetato de éter monometílico de propilenoglicol) e lactatos de etila (EEP, etil 3-etoxi propionato).

As resinas fotossensíveis positivas são comumente referidas como Novolak-diazonaphthoquinone ou DNQ-Novolak.

Mecanismo

O princípio da fotolitografia é baseado na capacidade das resinas de ver sua solubilidade evoluir em função da quantidade de radiação luminosa absorvida. O mecanismo envolvido para resinas positivas DNQ-Novolak pode ser dividido em dois componentes principais:

Resina não exposta: o PAC interage com a resina Novolak durante a polimerização para inibir a solubilidade da resina em reveladores alcalinos, formando ligações de hidrogênio com a matriz. A dissolução do filme no revelador aumenta para cerca de 10 a 20Å. .

Resina exposta: a parte ativa (fotossensível) do DNQ irá reagir e se transformar sob a ação da luz ( fotólise ) e na presença de água. Isso resulta em um rearranjo molecular com a matriz que libera as ligações de hidrogênio, bem como a produção de ácido carboxílico. A presença de ácido carboxílico, que é uma molécula polar, tem como consequência o aumento considerável da solubilidade; a taxa de dissolução das partes expostas do filme exposto se aproxima então de 1000 a 2000Å. .

O mecanismo de formação de imagem em resina positiva é, portanto, baseado na diferença de solubilidade das áreas expostas ou não a um feixe de luz, com taxas de dissolução do filme variando por um fator de 100 (de 10 a 1000 Å. ).

Características

Filiação

A adesão das resinas aos substratos de Si , SiO 2 e Al é geralmente baixa, o que pode causar sérios problemas durante as etapas de condicionamento em que os processos utilizados são muito agressivos para a resina. As soluções utilizadas são, por um lado, a desidratação da superfície dos substratos e, por outro lado, o fornecimento de um composto que promove a adesão resina / substrato.

Partículas e metais poluentes

A pureza da resina é um fator que influencia as características finais do padrão litografado. Para garantir uma quantidade mínima de poluentes na solução, regras rígidas de filtragem e armazenamento são utilizadas. Os métodos de filtração, sob pressão de nitrogênio, removem partículas maiores que 0,1 μm. Os metais, em particular o sódio e o potássio, são indesejáveis ​​porque podem contaminar o material semicondutor por difusão. A quantidade residual de sódio (Na) e potássio (K) nas resinas não deve exceder 0,5  ppm .

Razão fase sólida / solvente (conteúdo sólido)

Este parâmetro especifica a porcentagem de resina obtida após a evaporação completa do solvente. A quantidade de sólido contido na resina determina sua viscosidade. É, de certa forma, função do tempo, pois no caso das resinas positivas o PAC se decompõe lentamente para acabar formando precipitados (após armazenamento prolongado por exemplo).

Viscosidade

A viscosidade é essencialmente dependente da temperatura e da proporção de sólido presente. É a viscosidade que determinará a espessura do filme depositado pelo revestimento centrífugo , em função da velocidade de rotação.

Resistência à corrosão e estabilidade térmica

A resistência à corrosão define a capacidade da resina de passar pelo processo de corrosão do wafer durante a transferência do padrão. As resinas devem desenvolver boa resistência ao ataque ácido para cumprir plenamente sua função. Se essa resistência é geralmente boa no caso das gravações a úmido, não é o mesmo para as gravações a seco, que são muito mais agressivas. A dificuldade encontrada se deve ao fato de que a sensibilidade à radiação da resina é reduzida. A resistência pode ser melhorada aumentando a quantidade de ligações entre as cadeias moleculares do material.

Operações

Processamento de fotorresistentes

Desidratação e promotor de adesão

A contaminação de superfícies pode afetar muitas etapas subsequentes no processo fotolitográfico. Normalmente, os problemas causados ​​são a diminuição da adesão e a inclusão de defeitos. A eliminação destes problemas requer uma limpeza muito boa dos substratos.

A umidade é um dos agentes mais poluentes nos processos litográficos. Na verdade, as superfícies dos substratos comumente usados ​​(óxido, etc.) são hidrofílicas e absorvem a umidade do ar ambiente. A água na superfície dos substratos promove a formação de hidróxidos polarizados que são particularmente difíceis de remover posteriormente. Isso resulta em interferência com os fenômenos de adesão resina / substrato.

A solução consiste em um chamado cozimento de desidratação. As bolachas passam por uma etapa de aumento de temperatura em um sistema de placa de aquecimento. Esta cozedura deve ser efectuada pouco tempo antes do passo seguinte, porque a reabsorção da humidade é muito rápida.

O primer, ou promotor de adesão, é um composto depositado na superfície para melhorar a adesão resina / substrato. Este composto é geralmente hexametildisilazano (HMDS). O processo consiste em substituir os grupos hidrofílicos que normalmente se formam na superfície por outros grupos hidrofóbicos. Algumas das moléculas reagem com a superfície oxidada do substrato, parcialmente hidrossilicato devido à adsorção do hidrogênio, para formar ligações Si - O, com a produção de água. A outra extremidade da molécula será capaz de formar ligações com a resina. A deposição do HMDS ocorre na fase de vapor e consiste na introdução do produto na forma de gás em uma câmara na presença do substrato. O HMDS pode ser aplicado frio ou quente.

Depósito de resina

O filme de resina é obtido por um processo de revestimento centrífugo (spin coating). O princípio consiste em espalhar por meio de forças centrífugas uma pequena quantidade de resina sobre um substrato (pastilha de silício). O processo consiste em cinco etapas principais:

a) Depósito de resina no wafer;
b) Distribuição da resina em toda a superfície do wafer por rotação;
c) Aumento da velocidade de rotação para eliminar o excesso de resina;
d) Rotação em velocidade constante para estabelecer a espessura da resina;
e) Rotação por um determinado tempo para permitir a evaporação do solvente.

Durante a primeira etapa (a), uma pequena quantidade de resina, alguns mililitros, é depositada na placa. A deposição é realizada em dois modos principais: no wafer estacionário ou no wafer girando em baixa velocidade (1500 ). O segundo modo oferece a vantagem de homogeneizar o volume de resina no centro do substrato (diâmetro, espessura) e eliminar imediatamente o excesso de resina. Uma forte aceleração (b) (20.000 ) é então aplicada ao wafer para promover a formação de uma camada uniforme sobre toda a superfície.

A evaporação do solvente reduz significativamente a viscosidade da resina da qual a espessura do filme depende diretamente. Como a evaporação é rápida, é necessário garantir que o tempo de espalhamento da resina seja curto. A aceleração é, no entanto, limitada pela capacidade dos motores e pela resistência mecânica das pastilhas.

Durante a etapa (c), o filme é levado à sua espessura final. A rotação ocorre em velocidade constante porque a espessura está sujeita à velocidade de rotação. A faixa de velocidade de rotação está entre 2.000 e 7.000 , no entanto, a uniformidade ideal é alcançada em velocidades acima de 4.000 . Durante a rotação de alta velocidade, a maior parte do solvente contido evapora para, eventualmente, produzir um filme sólido. A qualidade do filme depende essencialmente da presença ou ausência de defeitos (cometas, poeira, lacunas, etc.) e da uniformidade da sua espessura (variações de espessura, simetria, etc.).

Há outra tecnologia ( revestimento de fenda ) usada para depositar a resina em substratos muito grandes, como monitores de tela plana fabricados em usinas de geração 5 e superiores (1100  mm x 1250-1 300  mm ou mais). Uma vez que é praticamente difícil girar substratos grandes rapidamente, uma resina mais viscosa é usada e é distribuída no substrato por uma série de micro-bocais dispostos em um eixo que se move ao longo do substrato. Este método de aplicação tem a vantagem de consumir menos resina do que o revestimento centrífugo. Existe também o método híbrido (slit / spin), que combina aplicação por micro-bocais e planarização por centrifugação, utilizado até a geração 6 (1.500  mm x 1.800  mm ).

Cozinhar após o depósito

Esta etapa segue imediatamente a deposição da resina no wafer. Garante a rápida eliminação de parte dos solventes e a polimerização da matriz. O teor de solvente cai de 20 - 30% remanescente após a primeira secagem para 4 - 7%. Isso resulta em um encolhimento de volume da resina que gera uma perda de espessura da ordem de 10%. O nível de solvente residual influencia em particular no desenvolvimento: quanto menor esta taxa, mais rápida é a dissolução da resina.

O aquecimento das plaquetas pode ser realizado de diferentes modos. O mais utilizado é um sistema de placas quentes sobre as quais são colocadas as bolachas. A temperatura está em torno de 110  ° C e o tempo de ciclo é muito curto (30 - 60 s) e ajustado para atingir o nível de solvente desejado. O princípio do aquecimento por placa vem em duas variantes: por contato, onde o calor é transmitido por condução, e por proximidade, onde desta vez a placa fica posicionada a uma curta distância da placa, a transmissão por convecção.

Qualquer operação de cozimento é seguida pelo resfriamento da bolacha. A técnica é idêntica. As placas de resfriamento são então utilizadas em uma temperatura próxima à temperatura ambiente ( 22  ° C ).

Insolação

A luz fluorescente filtrada na fotolitografia de salas limpas não contém luz ultravioleta ou azul para evitar a exposição dos wafers. O espectro de luz emitido por esses dispositivos dá a praticamente todos esses espaços uma cor amarela brilhante.

A insolação consiste em expor certas áreas da resina, por meio de um sistema de mascaramento, à radiação ultravioleta. É então criada, por reação fotoquímica, uma imagem latente na espessura da resina fotossensível. O grau de exposição depende principalmente da intensidade da fonte e do tempo de exposição e é medido por meio de uma energia de superfície ( ). Ele condiciona o grau de progresso da reação fotoquímica que depende da sensibilidade da resina.

A exposição da resina é uma etapa crítica no processo de fotolitografia por vários motivos: procedemos wafer a wafer, pois o tempo de exposição influencia diretamente no tempo de ciclo. O tempo de exposição é um parâmetro que oferece relativamente poucas margens porque uma resina subexposta causa uma degradação significativa da resolução dos padrões. O tempo dedicado ao alinhamento das placas não é desprezível e é difícil de reduzir. Melhorar os tempos de processo neste nível envolve necessariamente a otimização das reações fotoquímicas. Esta tarefa é difícil porque existe uma forte dependência entre a exposição e todas as etapas anteriores.

Resolução e fenômenos relacionados
Imagem panorâmica
Os diferentes comprimentos de onda usados ​​na fotolitografia .
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A resolução de impressão é um fator crítico, pois é a principal causa das limitações de tamanho mínimo do padrão. A qualidade das imagens impressas por projeção é hoje limitada pelos fenômenos de difração de luz.

Todos os sistemas de litografia óptica geram fenômenos de difração de luz. A principal causa disso é a passagem das ondas de luz pelas fendas formadas pelas máscaras. Por causa desses fenômenos de difração, a radiação aparece em áreas não expostas diretamente à radiação incidente. A distribuição de intensidade então produz séries de áreas claras e escuras alternadas, cujo período depende da distância entre as fendas no wafer, da configuração geométrica das fendas e da pureza cromática da fonte de luz.

  • Fonte de luz: pode consistir em uma lâmpada de vapor de mercúrio , que fornece um amplo espectro com diversos picos de intensidade. A faixa espectral ultravioleta (λ = 150 a 500 nm) é dividida em três regiões: UVC ou UV profundo (DUV), UVB ou UV médio (MUV) e UVA ou UV próximo. Os diferentes picos da lâmpada de mercúrio estão localizados no UV médio (linha G [λ = 436 nm], linha H [λ = 405 nm], linha I [λ = 365 nm]. A seleção de um ou vários os picos permitem, portanto, determinar com precisão o comprimento de onda da radiação incidente, ao qual a resolução de impressão está diretamente ligada: quanto menor o comprimento de onda, maior a resolução. A luz é definida por filtros que permitem a seleção de determinados comprimentos de onda. Outras fontes possíveis de luz que permitem uma melhor resolução são os lasers de excímero KrF ou ArF , respectivamente DUV [λ = 248 nm], DUV [λ = 193 nm]).

O fundador taiwanês TSMC afirma lançar microprocessadores com gravação fina de 7 nm para o final de 2019 e 5 nm para o início de 2020. Ainda de acordo com a TSMC estaria construindo uma unidade de produção em mais de 13 bilhões de dólares para a fabricação em 2021 de chips gravados a 3 nm caso seu projeto não atendesse a imprevistos .TSMC buscaria miniaturizar e ganhar um pouco mais de potência mas acima tudo para reduzir consideravelmente o consumo de energia para poder continuar a vender cada vez mais produtos. Segundo o fundador norte-americano Intel, ele está pronto para a gravação em 10 nm, mas buscaria iniciar uma gravação 3 D para aumentar a densidade dos transistores na mesma superfície, o que seria uma ruptura completa da tecnologia para poder para seguir a Lei de Moore. Só o futuro saberá se TSMC, Intel ou Samsung vão ganhar a batalha pela miniaturização, porque todas essas reivindicações são apenas retiradas dos anúncios dos vários fundadores, além disso, eles nem sequer mencionam os fenômenos de problemas relacionados a eles -chamada de física quântica que vai interferir em todos os seus edifícios.

Glossário

  • CD  : Dimensão Crítica (Dimensão Crítica)
  • DNQ  : Diazonaftoquinona, composto fotoativo de fotoresiste
  • HMDS  : Hexametildisilazano (promotor de adesão)
  • SEM  : microscopia eletrônica de varredura
  • Padrão Designa parte de uma máscara (resina, óxido, etc.)
  • Novolak  : Matriz de fotoresiste positivo (Cresol / Formaldeído)
  • CAP  : Composto Foto Ativo (Composto Foto Ativa)
  • Polissilício  : silício policristalino
  • SEM  : Microscópio Eletrônico de Varredura (Microscópio Eletrônico de Varredura)
  • Onda estacionária  : interferência de luz criada por múltiplas reflexões entre materiais com diferentes índices de refração
  • Padrão Dev.  : Desvio padrão ( desvio padrão)
  • Stepper  : Equipamento que garante a insolação da resina por meio de uma fonte de luz, um retículo e um sistema de lentes ópticas. O stepper isola os campos da fatia sucessivamente a passo (step em inglês daí seu nome)
  • Wafer  : Wafer , placa ou wafer do semicondutor

Referências

Veja também

Domínios abrangentes

Campos relacionados

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