Micro e nanotecnologia/Microtecnologia/Tecniche litografiche/Litografia ottica: differenze tra le versioni

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{{Micro e nanotecnologia}}
La fotoligrafia'''fotolitografia ottica''' è un processo usato per rimuovere selettivamente parti di un film sottile o parti del substrato. Viene usata luce per trasferire un disegno geometrico da una foto-maschera, una lastra di generalmente quarzo con zone di trasparenza e di opacità in corrispondenza del disegno geometrico da riprodurre, ad un sostanza chimica sensibile alla luce [[w:Photoresit|fotoresist]] steso sopra il substrato.
parti del substrato. Viene usata luce per trasferire un disegno geometrico da una foto-maschera, una lastra di generalmente quarzo con zone di trasparenza e di opacità in corrispondenza del disegno geometrico da riprodurre, ad un sostanza chimica sensibile alla luce ([[w:Photoresit|fotoresist]]
steso sopra il substrato.
Successivi trattamenti chimici o fisici modellano il disegno esposto sul materiale sotto il resist.
In un ciclo completo per circuiti integrati un wafer di silicio subisce fino a 50 volte i processi fotolitografici.
 
Successivi trattamenti chimici o fisici modellano il disegno esposto sul materiale sotto il ''resist''. In un ciclo completo per circuiti integrati un wafer di silicio subisce fino a 50 volte i processi fotolitografici.
La fotolitografia ha molte similitudini con la fotografia analogica, infatti il photoresist è molto simile alle sostanze fotosensibili usate nelle pellicole fotografiche. La differenza sostanziale è che mentre la fotografia tradizionale difficilmente necessita di una precisione dei dettagli
minore di qualche decina di <math>\mu m\ </math>, la fotolitografia necessita di una risoluzione molto maggiore.
 
La fotolitografia ha molte similitudini con la fotografia analogica, infatti il ''photoresist'' è molto simile alle sostanze fotosensibili usate nelle pellicole fotografiche. La differenza sostanziale è che mentre la fotografia tradizionale difficilmente necessita di una precisione dei dettagli minore di qualche decina di <math>\mu m\ </math>, la fotolitografia necessita di una risoluzione molto maggiore.
==Procedura di base==
Il processo fotolitografico prevede molte fasi, alcune specifiche di alcuni materiali, qui vengono
riassunte le principali.
==Passi del processo di Fotolitografia==
[[File:Step Fotolitografia.jpg|700px]]
 
Il processo fotolitografico prevede molte fasi, alcune specifiche di alcuni materiali, qui vengono riassunte le principali.
1) La superficie della fetta di silicio viene riscaldata in maniera che il vapor acqueo che e’ presente sulla superficie possa evaporare.
 
==Passi del processo di Fotolitografiafotolitografia==
2)Una goccia di resist viene fatta cadere sulla fetta. Mettendo la fetta in rotazione se ne ottiene la totale copertura.
 
[[File:Step Fotolitografia.jpg|700px]]
3)La fetta e’ posta su un piatto caldo per far evaporare i solventi.
 
4)Si fa l' esposizione con il reticolo precedentemente disegnato.
 
5)Si effettua un altro riscaldamento per migliorare l' adesione del resist.
 
1)# La superficie della fetta di silicio viene riscaldata in maniera che il vapor acqueo che e’è presente sulla superficie possa evaporare.
6)Lo sviluppo del resist si ottiene andando a spruzzare sulla fetta la soluzione per ottenere lo sviluppo.
2)# Una goccia di resist viene fatta cadere sulla fetta. Mettendo la fetta in rotazione se ne ottiene la totale copertura.
3)# La fetta e’ posta su un piatto caldo per far evaporare i solventi.
4)# Si fa l' esposizione con il reticolo precedentemente disegnato.
5)# Si effettua un altro riscaldamento per migliorare l' adesione del resist.
6)# Lo sviluppo del resist si ottiene andando a spruzzare sulla fetta la soluzione per ottenere lo sviluppo.
7)# Si effettuano le misure per verificare che tuttoiltutto il processo fotolitografico sia stato fatto in modo ottimo.
 
Se tutto è andato bene la fetta può essere inviata ad un altro processo che potrebbe essere quello di impiantazione ionica o etch; se invece ci sono dei problemi la fetta deve essere rilavorata reiniziando il processo.
7)Si effettuano le misure per verificare che tuttoil processo fotolitografico sia stato fatto in modo ottimo.
 
Se tutto è andato bene la fetta può essere inviata ad un altro processo che potrebbe essere quello di impiantazione ionica o etch; se invece ci sono dei problemi la fetta deve essere rilavorata reiniziando il processo.
=== Pulizia ===
Nel caso in cui contaminanti siano presenti sulla superfice del wafer essi vengono preventimante rimossi mediante un trattamento chimico in fase liquida. L'immersione in una soluzione al 50% di [[w:Perossido_di_idrogeno|acqua ossigenata]] (ad alta concentrazione) e acido solforico è in genere la procedura più usata per rimuovere sia tracce organiche che normali contaminanti.
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=== Preparazione ===
Successivamente il wafer viene riscaldato ad una temperatura sufficientemente elevata per rimuovere ogni traccia di acqua presente. In genere il trattamento di pulizia è maggiormente necessario per wafer che sono stati conservati a lungo, in quanto è più facile l'accumulo di contaminanti. Per aumentare l'adesione del resist al substrato, vengono spesso utilizzate delle sostanze che aumentano l'adesione; la più comune di queste sostanze è l'esametilsilazano ('''HDMS'''). Uno strato monomolecolare di tale sostanza è una ottima interfaccia tra wafer e resist. L'applicazione di tale sostanza può avvenire per immersione e successiva asciugatura, o meglio lasciando il wafer in una camera satura di vapori di HDMS per una durata di qualche minuto.
Successivamente il wafer viene riscaldato ad una temperatura sufficientemente elevata per rimuovere
ogni traccia di acqua presente. In genere il trattamento di pulizia è maggiormente necessario per wafer che sono stati conservati a lungo, in quanto è più facile l'accumulo di contaminanti. Per aumentare l'adesione del resist al substrato, vengono spesso utilizzate delle sostanze che aumentano l'adesione; la più comune di queste sostanze è l'esametilsilazano ('''HDMS'''). Uno strato monomolecolare di tale sostanza è una ottima interfaccia tra wafer e resist. L'applicazione di tale sostanza può avvenire per immersione e successiva asciugatura, o meglio lasciando il wafer in una camera satura di vapori di HDMS per una durata di qualche minuto.
 
=== Applicazione del fotoresist===
[[Image:Spinner.jpg|thumb|200px|right|Un esempio di ''spin coater '']]
 
Il fotoresist è una particolare sostanza chimica usata nei processi di fotoincisione. Questa sostanza è sensibile alle radiazioni luminose (in particolar modo ai raggi UV) e altera le sue proprietà chimiche se sottoposto a tali radiazioni. Per l'applicazione sui wafer, il fotoresist viene versato in poche gocce sulla superficie del wafer stesso che successivamente viene fatto ruotare con una elevata velocità angolare attorno al suo centro, affinchè tutto il fotoresist copra tutta la superficie in maniera omogenea. La tecnica viene chiamata
[[w:Spin_coating|spin coating]], di cui non esiste una efficace traduzione in italiano. Le velocità angolari tipiche vanno da 1000 giri al minuto fino a 6000 giri al minuto. La durata caratteristica di tale rotazione è dell'ordine del minuto. La diluizione del resist, come la velocità angolare, influenzano lo spessore del resist; tale spessore può andare da frazioni di [[w:Micron|micron]] a qualche micron.
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=== Esposizione e sviluppo ===
Nel processo successivo viene allineata la maschera al wafer, ponendoli o a contatto o nel cono d'ombra l'uno dell'altro. L'apparecchio che opera tale operazione, chiamato allineatore di maschere, è in genere di elevato costo e complessità specialmente se opera in proiezione.
 
Tali processi devono necessariamente svolgersi in una camera pulita. La necessità di tale ambiente deriva dal fatto che le particelle di polvere sospese nell’aria possono posarsi sulle fette di silicio e sulle maschere fotolitografiche, causando così nei dispositivi difetti tali da provocare il mancato funzionamento dell’intero circuito integrato. Per esempio nell’area di fotolitografia, una particella di polvere aderita ad una maschera fotolitografica si comporta come una sagoma opaca sulla maschera stessa e come tale viene trasferita agli strati sottostanti assieme al tracciato del circuito.Per la maggior parte degli ambiento nei quali si sviluppa la fabbricazione dei circuiti integrati è necessaria una camera pulita di classe 100.
 
;====Metodi di esposizione:====
Come detto, il processo di trasferimento dei tracciati (pattern transfer) è condotto usando uno strumento di esposizione fotolitografica.
 
Come detto, il processo di trasferimento dei tracciati (pattern transfer) è condotto usando uno strumento di esposizione fotolitografica.
Esistono due tecniche fondamentali di esposizione ottica: la '''stampa per trasparenza''' e la '''stampa per proiezione'''.
''''';Stampa per trasparenza'''''
:Nel primo caso la maschera e la fetta possono essere a diretto contatto o molto vicine, ma comunque separate.
:Il primo metodo ottiene una risoluzione migliore (circa <math>1 \mu m\ </math>) ma è soggetta all’inconveniente provocato dalla possibile presenza delle particelle di polvere, che se presenti sulla fetta, possono essere inclusi nella maschera quando viene posta a contatto danneggiandola in maniera permanente.
:Per eliminare il problema delle particelle si utilizza il metodo di esposizione per prossimità, in cui la maschera viene distanziata dalla fetta di una spaziatura di <math>10-50\mu m\ </math>. Questo metodo ottiene una risoluzione inferiore (<math>2-5\mu m\ </math>) per effetto del fenomeno della diffrazione ai bordi delle sagome presenti sulla maschera. Si nota infatti che quando la luce passa in vicinanza dei bordi delle sagome opache, subisce una deviazione dalla direzione rettilinea (diffrazione), e parte della luce invade anche le zone d’ombra. Tuttavia anche questo metodo non garantisce di evitare completamente il danneggiamento della maschera, poichè, per una data distanza di separazione tra la maschera e la fetta, ogni particella di polvere avente un diametro superiore può potenzialmente danneggiare la maschera.
''''';Stampa per proiezione'''''
:Per i problemi legati al danneggiamento della maschera, tipici della stampa per trasparenza, sono stati sviluppati particolari strumenti di esposizione per la stampa per proiezione. Tali apparati sono ingrado di proiettare l’immagine delle sagome presenti sulla maschera sulla fetta ricoperta di resist, da una distanza di parecchi cm dalla maschera stessa.
 
'''====Sviluppo'''====
 
La fase di sviluppo permette di rimuovere il resist indesiderato mediante l'utilizzo di una soluzione opportuna, in genere fortemente [[w:Base_(chimica)|basica]]. Spesso nel caso di litografia ad alta risoluzione per eliminare le frange di interferenza sul bordo delle strutture viene effettuato un ulteriore cottura ''(post-bake'').
'''''Stampa per trasparenza'''''
 
Lo sviluppo in laboratorio viene effettuato per immersione nella soluzione, mentre nei processi industriali viene effettuato su uno spinner. Il materiale basico più utilizzato è l'[[w:Idrossido_di_sodio|idrossido di sodio]] in soluzione di acqua. Nei processi di fabbricazione dei [[w:MOSFET|MOSFET]] il sodio rappresenta un contaminante indesiderato per l'ossido tra il gate ed il canale, per cui si preferisco usare sviluppo privi di ioni metallici tipo l'idrossido di tetrametilammonio (TMAH).
Nel primo caso la maschera e la fetta possono essere a diretto contatto o molto vicine, ma comunque separate.
Il primo metodo ottiene una risoluzione migliore (circa <math>1 \mu m\ </math>) ma è soggetta all’inconveniente provocato dalla possibile presenza delle particelle di polvere, che se presenti sulla fetta, possono essere inclusi nella maschera quando viene posta a contatto danneggiandola in maniera permanente.
Per eliminare il problema delle particelle si utilizza il metodo di esposizione per prossimità, in cui la maschera viene distanziata dalla fetta di una spaziatura di <math>10-50\mu m\ </math>. Questo metodo ottiene una risoluzione inferiore (<math>2-5\mu m\ </math>) per effetto del fenomeno della diffrazione ai bordi delle sagome presenti sulla maschera. Si nota infatti che quando la luce passa in vicinanza dei bordi delle sagome opache, subisce una deviazione dalla direzione rettilinea (diffrazione), e parte della luce invade anche le zone d’ombra. Tuttavia anche questo metodo non garantisce di evitare completamente il danneggiamento della maschera, poichè, per una data distanza di separazione tra la maschera e la fetta, ogni particella di polvere avente un diametro superiore può potenzialmente danneggiare la maschera.
 
 
'''''Stampa per proiezione'''''
 
Per i problemi legati al danneggiamento della maschera, tipici della stampa per trasparenza, sono stati sviluppati particolari strumenti di esposizione per la stampa per proiezione. Tali apparati sono ingrado di proiettare l’immagine delle sagome presenti sulla maschera sulla fetta ricoperta di resist, da una distanza di parecchi cm dalla maschera stessa.
 
 
 
'''Sviluppo'''
 
La fase di sviluppo permette di rimuovere il resist indesiderato mediante l'utilizzo di una soluzione opportuna, in genere fortemente [[w:Base_(chimica)|basica]]. Spesso nel caso di litografia ad alta risoluzione per eliminare le frange di interferenza sul bordo delle strutture viene effettuato un ulteriore cottura (post-bake).
Lo sviluppo in laboratorio viene effettuato per immersione nella soluzione, mentre nei processi industriali viene effettuato su uno spinner. Il materiale basico più utilizzato è l'[[w:Idrossido_di_sodio|idrossido di sodio]] in soluzione di acqua. Nei processi di fabbricazione dei [[w:MOSFET|MOSFET]] il sodio rappresenta un contaminante indesiderato per l'ossido tra il gate ed il canale, per cui si preferisco usare sviluppo privi di ioni metallici tipo l'idrossido di tetrametilammonio (TMAH).
In seguito il wafer viene sottoposto ad un trattamento termico ad una temperatura superiore ai precedenti trattamenti tra 120 e 180 °C, per qualche decina di minuti. Questo trattamento rende molto più resistente il resist per i processi successivi, ma non è necessario in alcuni processi.
 
== Risoluzione ==
La possibilità di proiettare una immagine precisa di un piccolo particolare è limitata dalla lunghezza d'onda della luce usata e dalla capacità del sistema di lenti che riducono l'immagine della fotomaschera di avere pochi problemi di diffrazione. La lampada al mercurio (lunghezza d'onda 365 nm), è oggigiorno largamente utilizzata nei sistemi di proiezione a causa della sua elevata intensità ed affidabilità. Questo tipo di litografia che utilizza la lampada a mercurio è denominata I-Line e può offrire una risoluzione di 0.3 nm. I sistemi di esposizione più avanzati usano invece dispositivi DUV (''deep ultraviolet''), ovvero dei laser ad eccimeri (KrF o ArF, con luinghezze d'onda rispettivamente di 248 nm e 193 nm) attraverso i quali si raggiungono risoluzionei di 0.18 e 0.10 μm rispettivamente.
 
La possibilità di proiettare una immagine precisa di un piccolo particolare è limitata dalla lunghezza d'onda della luce usata e dalla capacità del sistema di lenti che riducono l'immagine della fotomaschera di avere pochi problemi di diffrazione. La lampada al mercurio (lunghezza d'onda 365 nm), è oggigiorno largamente utilizzata nei sistemi di proiezione a causa della sua elevata intensità ed affidabilità. Questo tipo di litografia che utilizza la lampada a mercurio è denominata I-Line e può offrire una risoluzione di 0.3 nm. I sistemi di esposizione più avanzati usano invece dispositivi DUV (deep ultraviolet), ovvero dei laser ad eccimeri (KrF o ArF, con luinghezze d'onda rispettivamente di 248 nm e 193 nm) attraverso i quali si raggiungono risoluzionei di 0.18 e 0.10 μm rispettivamente.
 
 
Infatti illuminando un reticolo periodico con luce incidente parallelamente alla normale del reticolo, la luce uscente dal reticolo, a causa della diffrazione, non avrà le stesse componenti della luce incidente bensì ci saranno anche componenti di ordine superiore. Per poter riprodurre una immagine si dimostra che devono essere raccolti dalla lente almeno gli ordini numero 0, 1, -1.
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Il minimo particolare che il sistema di proiezione può scrivere è dato approssimativamente da:
 
:<math>CD = k_1 \cdot\frac{\lambda}{NA}</math>
::dove <math>\,CD</math> è la minima dimensione del particolare (anche chiamata la ''dimensione critica''). Spesso indicata con ''2'' volte la mezza spaziatura.
 
::<math>\,k_1</math> (comunemente detto ''fattore k1'') è un coefficiente che contiene tutti fattori dovuti al processo tecnologico e nei processi industriali vale tipicamente 0.4.
dove <math>\,CD</math> è la minima dimensione del particolare (anche chiamata la ''dimensione critica''). Spesso indicata con ''2'' volte la mezza spaziatura.
::<math>\,\lambda</math> è la lunghezza d'onda della luce usata.
 
::<math>\,NA</math> è l'[[w:Apertura_numerica|apertura numerica]] della lente finale del sistema di proiezione sul wafer. L'apertura numerica è una grandezza adimensionale che indica il massimo angolo utile del sistema.
<math>\,k_1</math> (comunemente detto ''fattore k1'') è un coefficiente che contiene tutti fattori dovuti al processo tecnologico e nei processi industriali vale tipicamente 0.4.
 
 
<math>\,\lambda</math> è la lunghezza d'onda della luce usata.
 
<math>\,NA</math> è l'[[w:Apertura_numerica|apertura numerica]] della lente finale del sistema di proiezione sul wafer. L'apertura numerica è una grandezza adimensionale che indica il massimo angolo utile del sistema.
 
Secondo questa equazione, un particolare minimo può essere diminuito diminuendo la lunghezza d'onda ed aumentando l'apertura numerica: cioè facendo lenti più grandi e portandole il più vicino possibile al wafer. Purtroppo non si può avvicinare troppo al wafer a causa del problema della [[w:Prfondità_di_fuoco|profondità di fuoco]] ('''DF'''). Infatti in un sistema di proiezione
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Maggiore è NA, maggiore sarà la risoluzione perchè maggiore è il passo reticolare (pitch) risolvibile. La risoluzione può essere migliorata sia riducendo la lunghezza d’onda che aumentando NA. Inoltre il DF peggiora peggiora molto più rapidamente aumentando NA che diminuendo <math>\lambda</math>.
 
Si cerca quindi di ottimizzare la sorgente di luce piuttosto che NA. Questo fatto spiega la tendenza della litografia ottica verso l’uso di lunghezze d’onda sempre più piccole.
 
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Le maschere o lastre della litografia moderna consistono di una lastra di quarzo fuso (un vetro ricavato da [[w:silice|biossido di silicio]] di elevata purezza). La ragione di usare vetri particolari risiede nel fatto che solo il quarzo di elevata purezza ha un assorbimento trascurabile nelle frequenza dell'ultravioletto. Le lastre vengono ricoperte da uno strato di poche decine di nm di
[[w:Cromo|Cromo]]. Nel passato nella litografia a contatto si sono usati anche degli ossidi, come il biossido di ferro, che essendo trasparente nel visibile ed opaco nell'ultravioletto permette di allineare facilmente le maschere con il substrato.
 
Il Cromo ha soppiantato tale materiale a causa della sua durezza e resistenza alla corrosione. Le maschere vengono in genere fabbricate applicando sopra il quarzo ricoperto di cromo un resist elettronico e sono esposte mediante litografia a fascio
di elettroni.
 
Il disegno sulla maschera rappresenta solo un livello nel disegno di un circuito integrato. Per produrre un circuito integrato ci vogliono all' incirca una quarantina di processi. Per fare questo quasi ogni processo ha la sua maschera.
 
Per produrre un circuito integrato ci vogliono all' incirca una quarantina di processi. Per fare questo quasi ogni processo ha la sua maschera.
 
[[Categoria:Micro e nanotecnologia|Litografia ottica]]