Fotolitográfia

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából

A mikro- és nanotechnológiában, illetve a félvezetőiparban a fotolitográfia egy olyan gyártási eljárás, melyet például mikroprocesszorok, és egyéb félvezető eszközök gyártására alkalmaznak. Az eljárás segítségével rendkívül kis méretű elektronikus áramkörök készíthetők: az így készült vezetők vastagsága mindössze néhány tíz nanométer; ez az úgynevezett „csíkszélesség”. Minimális csíkszélességnek nevezzük a kialakítható legkisebb alakzat méretét ez az ún. MFS (Minimal Feature Size).

Az el­járás során a félvezető felületére felvitt speciális rétegen maszkot alakítanak ki, mely fény hatására eltávolíthatóvá válik, ezáltal a félvezetőn bizonyos miniatűr struktúrát hátrahagyva. Az így kialakított maszk bizonyos részeket el­szigetel, másokat elérhetővé tesz más technológiai eljárások számára. A mikroprocesszorok gyártása során számos ilyen, néhány tized mikrométer vastag réteg kerül egymás fölé, igen bonyolult áramköri struktúrát kialakítva ezzel.

A régebbi, kisebb integráltsági fokú eszközöknél a megvilágításra egyszerű fénysugarakat használtak, mivel azonban az alkalmazott hullámhossz határt szab a kialakítható szerkezet méretének, a nanoméretekhez közelítve újabban a megvilágítást speciális optikai eszkö­zökkel, lézerrel, röntgensugarakkal végzik. A fotolitográfa módosulatai az elektron- és ionsugarakkal működő litográfiás berendezések is, melyek alkalmazásával az elérhető legkisebb csíkszélesség elméletileg 5 nm körül van, melyet a becslések szerint (lásd még: Moore-törvény) 2020-ra érnek el. Ez alatt a méret alatt technológiaváltásra lesz szükség.

Lépései[szerkesztés]

A fotolitográfiai folyamat különféle mintázatokkal való megismétlése során bonyolult rétegszerkezetek alakíthatók ki. Egy fotolitográfiai folyamat általában az alábbi főbb lépésekből áll:[1]

Előkészítés[szerkesztés]

A hordozó, amin az eszközök kialakításra kerülhetnek, szennyezett lehet. A szerves és szervetlen szennyezők eltávolítására a modern tisztatéri félvezetőipari üzemekben sztenderd eljárásokat alkalmaznak, ilyen például a Radio Corporation of America üzemeiben kidolgozott RCA tisztítási eljárás. Az alkalmazott vegyi tisztítási és marási lépések az alkalmazástól is függnek. Egyes esetekbena szennyezőkön kívül a natív felületi oxidréteg eltávolítására is szükség van.

A rétegleválasztási lépésekhez a szilíciumlapkákat gyakran 150 °C-ra melegítik, melynek célja a felületre adszorbeálódott páracseppek elpárologtatása.[2]

Fotoreziszt-réteg leválasztása[szerkesztés]

Egy spin-coater berendezés.

A mintadarab felületén fényérzékeny fotoreziszt-bevonatot alakítanak ki például spin-coating eljárással, azaz a mintát forgatva az oldószerben oldott, folyékony, viszkózus rezisztanyagot lecseppentik, kiszárítják. A minta forgatása az egyenletes rétegvastagság, és a száradási foltok elkerülése végett lényeges. A 30–60 másodperces folyamat során 0,5–2,5 µm vastagságú réteg képződik, melynek egyenetlensége tipikusan nem haladja meg a 10 nm-t. A rétegvastagságot befolyásolni lehet a forgatás sebességével, az oldott reziszt összetételével illetve a forgatás időtartamával. A rezisztréteg helyes kialakításakor figyelembe kell venni, hogy milyenek lesznek az eszköz kívánt végső mintázatai: apróbb, finomabb részleteket tartalmazó áramkörök esetén a szóródási jelenségek miatt vékonyabb rezisztet alkalmaznak, hogy elkerüljék a mintázat elmosódását.

Maszkolás[szerkesztés]

A mintadarab fölé elhelyezik a fotomaszkot, mely a kívánt mintázat szerint lett kialakítva: tipikusan olyan vékony szűrő, mely bizonyos helyeken átengedi a nyalábot, máshol pedig nem.

Expozíció[szerkesztés]

Ezt követi az expozíció, mely során a maszkon át szelektíven megvilágítják a mintadarabot. A fotoreziszt a nyalábra érzékeny, így ahol fény érte, kémiai jellemzői megváltoznak.

Marás[szerkesztés]

A levilágított fotorezisztet kémiai vagy fizikai kezelésnek vetik alá, melyben az például szelektíven kioldódik. A rezisztet pozitívnak vagy negatívnak nevezik aszerint, hogy ettől a kezeléstől az exponált területek oldódnak-e le, vagy épp azok maradnak a felületen.

A fenti lépéseket más eljárások követhetik: marás, porlasztás, rétegleválasztás, stb. illetve további litográfiás lépések.

Miniatürizálási igény[szerkesztés]

A felbontóképesség korlátja[szerkesztés]

Flash-memória méretskálázódásának trendje. A 2000-es évek elején érte el a 100 nm nagyságrendjét egy NAND-kapu mérete

A leképező nanolitográfia során az expozíció során a maszkot optikai rendszeren át világítjuk meg, majd a maszk ábráin diffraktálódik, és a minta tetején levő fotorezisztben képeződik le. A maszk és a minta távolsága a hullámhosszhoz képest ekkor igen nagy, ezért Fraunhofer-diffrakciós, azaz távoltéri közelítést alkalmazhatunk. Ebben a közelítésben a felbontás alsó határát a Rayleigh-feltétel adja meg, mely szerint

,

ahol d a felbontás, a használt fény hullámhossza, NA pedig a leképezőrendszer numerikus apertúrája. A felbontás javítására alapvetően kétféle lehetőség van a fenti egyenlet szerint. A felbontás javul, ha

  • a numerikus apertúrát növelik (pl. nagyobb lencsét alkalmaznak), vagy
  • a hullámhosszat csökkentik.

A fotolitográfia fényforrása látható fény volt. A 2000-es évek közepére azonban a vonalszélesség elérte a 100 nanométeres nagyságrendet, így további csökkentéséhez szükségessé vált a forrás hullámhosszának látható tartomány alá csökkentése. Az ultraibolya-tartományba eső forrással működő eszközöket már az ipari gyakorlatban is elterjedten alkalmazzák, és folyik az ennél még rövidebb hullámhosszú, például röntgennyalábos eszközök fejlesztése.

Anyagválasztás[szerkesztés]

Problémát jelent, hogy az ultraibolya-sugárzás a hagyományos optikai eszközöket károsítja, az optikai üvegek áteresztése igen lecsökken az UV-tartományban. Emiatt más anyagok, például CaF2 anyagú lencséket kell használni, mely kettős törő tulajdonsága miatt viszont egyéb nehézségekhez vezet.[3] Kb. 157 nm alatti hullámhosszú fény esetén már ezen eszközök sem alkalmazhatók, lencsék helyett csak tükröket lehet alkalmazni, az optikai rendszer tervezése igen összetett feladat.[4]

Ahogy a hullámhosszat csökkentik, úgy kell időről-időre újítani a reziszt kutatását is, ugyanis adott fotoreziszt csak adott hullámhosszúságú fénnyel működik. Továbbá vannak hullámhosszfüggő diffrakciós jelenségek a maszk levilágításakor, például a maszkon való fényelhajlás és a fotoreziszt proximity-effektusa.[5]

Egyéb nehézségek[szerkesztés]

Nagyobb vastagságú minta esetén számottevő hatást jelenthet a mélységélességből adódó pontatlanság. A kis mélységélesség azt jelenti, hogy a pókuszpont körül kis magasságban lesz a levilágítás leképezése éles, azaz a fókuszsíkhoz képest túl mélyen vagy túl magasan levő síkokban a maszk leképezett mintázata elmosódik.[5]

Jegyzetek[szerkesztés]

  1. Lithography Lecture #1. hackman.mit.edu. (Hozzáférés: 2017. április 21.)
  2. Mack, Chris: The Basics of Microlithography (en nyelven). www.lithoguru.com. (Hozzáférés: 2017. december 8.)
  3. CaF2 Lenses. www.tf.uni-kiel.de. (Hozzáférés: 2017. április 21.)
  4. Cui 2016, 22. o.
  5. ^ a b N. Cheung: Lecture 4. Photolithography. U.C. Berkeley. (Hozzáférés: 2017. április 21.)

Források[szerkesztés]

Szakkönyvek[szerkesztés]

  • Chang, C. Y.. ULSI technology. McGraw-Hill (1996). ISBN 978-0-07-063062-8 
  • Bucknall, David. Nanolithography and patterning techniques in microelectronics. Woodhead Pub. CRC Press (2005). ISBN 978-1-84569-090-8 
  • Thomas Ihn: Semiconductor Nanostructures: Quantum states and electronic transport. Oxford: Oxford University Press. 2009. ISBN 9780199534432  
  • Okoroanyanwu, Uzodinma. Chemistry and lithography. SPIE (2010). ISBN 978-0-8194-7562-6 
  • Waser, Rainer. Nanoelectronics and information technology : advanced electronic materials and novel devices. Wiley-VCH (2012). ISBN 978-3-527-40927-3 
  • Madou, Marc. Fundamentals of microfabrication and nanotechnology. CRC Press (2012). ISBN 978-1-4200-5519-1 

Tananyagok, ismeretterjesztő weblapok[szerkesztés]