Fotolitografia ja mikrofotolitografia – valokuvauksen ja litografian yhdistelmä

Fotolitografia on valokuvauksen ja litografian yhdistelmä. Sen käyttötarkoituksiin kuuluu valokuvien massapainatus. Mikrofotolitografia on fotolitografian käyttö valokuvamaskin geometristen muotojen siirtämiseksi puolijohdekiekkojen pinnalle integroitujen piirien valmistusta varten.

Miten fotolitografia toimii

Perusperiaate on yksinkertainen: pinnalle levitetään valolle herkkä kerros, niin kutsuttu valotusherkkä resist (photoresist). Sen jälkeen resistiä altistetaan valolle läpi valokuvamaskin, joka muodostaa halutun kuvion. Altistuksen jälkeen resisti kehitetään, jolloin altistuneet tai suojaamattomat alueet poistuvat (riippuen siitä, onko kyseessä positiivinen vai negatiivinen resist). Jäljelle jäävä resist toimii suojakerroksena, kun alla oleva materiaali syövyttään, ionisilloitetaan tai muuten käsitellään. Lopuksi resist poistetaan ja jää jäljelle tarkka kuvio pintakerroksessa.

Tärkeimmät vaiheet

• Puhdistus ja esikäsittely: alusta (esim. piikiekko tai paperi) puhdistetaan ja tasoitetaan.
• Resistin levitys: spin-coatingilla levitetään tasainen ohuen resist-kerros.
• Pehmeä paahdo (soft bake): liuottimen osittainen poisto ja resistin kovettaminen ennen valotusta.
• Altistus: valo (usein UV) kulkee maskin läpi ja siirtää kuvion resistiin.
• Keittaus ja kehitys: kuuma kehitys (post-exposure bake) ja kemiallinen kehitys paljastavat kuvion.
• Prosessointi: syövytys, ionisäteilyn implantointi tai muu käsittely siirtää kuvion alusmateriaalin pintaan.
• Resistin poisto (strip): lopuksi resisti poistetaan.

Mikrofotolitografia puolijohdeteollisuudessa

Mikrofotolitografiassa vaaditaan erittäin tarkkaa geometriaa ja kohdistusta (overlay). Käytössä ovat monimutkaiset maskit (tai reticlet), optiset stepper- ja scanner-laitteistot sekä tarkat kohdistusjärjestelmät. Kun laitteiden läpimeno (throughput) ja valmistuskustannukset ovat kriittisiä, tehdasympäristöissä käytetään puhtausluokan hallintaa, automaatiota ja tarkkoja prosessiparametreja.

Resoluutio ja tekniikan kehitys

Fotolitografian resoluutio riippuu aallonpituudesta ja optiikan numeerisesta aukosta (NA). Perinteisesti on käytetty UV-valoa (365 nm, 248 nm ja 193 nm), ja viime vuosina on siirrytty yhä lyhyempiin aallonpituuksiin (esim. EUV ~13,5 nm) pienempien viivojen tuottamiseksi. Lisäksi tekniikoita kuten immersion-lithography ja monimutkainen multi-patterning (kaksinkertainen tai moninkertainen patternointi) on otettu käyttöön, jotta voidaan ylittää perinteiset optiset rajoitukset.

Sovellukset

• Puolijohdepiirien valmistus (mikrofotolitografian tärkein sovellus).
• Pienkomponenttien ja MEMS-laitteiden kuviointi.
• Printtaus ja massapainatus (suurempaan mittakaavaan sovellettuna perinteinen fotolitografia käyttää samaa perusideaa).
• Tutkimus ja nanofabrikaatio, anturit, mikrofluidiikka ja optiikan valmistus.

Haasteet ja rajoitukset

Tekniikka kohtaa useita haasteita: kustannukset (kalliit laitteistot ja maskit), puhtausvaatimukset, altistuksen aiheuttamat virheet ja diffraktiorajoitteet, jotka vaativat kehittyneitä korjausmenetelmiä. Kun halutaan entistä pienempiä piirejä, tarvitaan uusia lähestymistapoja kuten EUV-lithografiaa, monihakasyötteistä patternointia tai vaihtoehtoisia tekniikoita kuten nanoimprint-lithografiaa.

Yhteenveto

Fotolitografia yhdistää valokuvauksen periaatteet ja litografian kuvioinnin, ja se on keskeinen menetelmä niin perinteisessä massapainatuksessa kuin nykyaikaisessa puolijohdevalmistuksessa. Mikrofotolitografia on tämän menetelmän tarkka ja teknisesti vaativa muoto, jolla voidaan siirtää erittäin pieniä geometrioita ja valmistaa monimutkaisia integroitujen piirien rakenteita.

Hae kirjaimella