Fotolithografie

So funktioniert es

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   Den Resist aufschleudern. Der Wafer trägt bereits eine dünne zu strukturierende Schicht, etwa Siliziumoxid oder Metall. Einige Tropfen Fotolack (eine lichtempfindliche flüssige Kunststoffmasse) landen darauf, und der Wafer dreht sich mit tausenden U/min und hinterlässt einen gleichmäßigen Film von etwa einem Mikrometer oder weniger Dicke. Ein kurzes Ausbacken trocknet ihn.

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   Ausrichten und belichten. Eine Maske (eine Glasplatte, die das Muster einer Schicht in Chrom trägt, auch Retikel genannt) wird auf die bereits auf dem Wafer befindlichen Muster ausgerichtet, bei fortgeschrittenen Chips auf wenige Nanometer genau. UV-Licht scheint durch ihre klaren Teile, und eine Linse verkleinert das Bild, meist um das Vierfache, auf den Resist. Die Maschine, Stepper oder Scanner genannt, wiederholt das Feld für Feld über den Wafer.

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   Entwickeln. Eine Entwicklerflüssigkeit spült über den Wafer. Beim gängigen Positivresist lösen sich die vom Licht getroffenen Bereiche auf und hinterlassen Öffnungen in der Form der klaren Bereiche der Maske.

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   Ätzen. In einem Plasmaätzer (einer Kammer mit elektrisch geladenem Gas) frisst das Plasma die Schicht nur dort weg, wo der Resist offen ist; anderswo schützt der Resist sie. Statt zu ätzen, können die Öffnungen auch neues Material oder implantierte Atome erhalten.

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   Strippen. Der restliche Resist wird mit Lösungsmitteln oder einem Sauerstoffplasma entfernt. Das Muster existiert nun in der Schicht selbst.

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   Wiederholen. Eine neue Schicht wird aufgebracht, und der Zyklus beginnt mit der nächsten Maske von vorn, jedes Muster auf die darunterliegenden ausgerichtet. Ein fortgeschrittener Chip durchläuft dutzende dieser Zyklen.

Wichtige Fakten

Werkstoffe

Siliziumwafer, mit Fotolack beschichtet; auch Glas, Verbindungshalbleiter und Leiterplatten

Typische Teile

Flache Muster, Schicht für Schicht gestapelt: Transistoren, Verdrahtung, Sensoren, Display-Backplanes

Bauteilgröße

Wafer bis 300 mm Durchmesser; eine Belichtung deckt ein Feld von etwa 26 × 33 mm ab

Präzision

Etwa ein Mikrometer mit einfachen Labor-Justiergeräten; einige zehn Nanometer mit 193-nm-Laserlicht; nahe 10 nm mit EUV-Licht (13,5 nm)

Oberfläche

Hinterlässt keine eigene Textur; strukturierte Wafer schimmern in Regenbogenfarben

Geeignete Losgröße

Massenfertigung: Ein Maskensatz bedient tausende Wafer, jeder mit hunderten bis tausenden Chips

Werkzeug- und Maschinenkosten

Labor-Maskenjustiergeräte: zehntausende bis hunderttausende Dollar; EUV-Scanner: hunderte Millionen; ein fortgeschrittener Maskensatz: Millionen

Geschwindigkeit

Ein Produktionsscanner belichtet grob 100–300 Wafer pro Stunde, je eine Schicht

Stärken und Grenzen

Wo es eingesetzt wird

• ElektronikProzessoren, Speicherchips, Bildsensoren von Kameras
• DisplaysDas Transistorgitter hinter LCD- und OLED-Bildschirmen
• Sensoren und MEMSBeschleunigungssensoren, Mikrofone, Drucksensoren
• PhotonikLED-Chips, Laserdioden, Lichtleiter auf Chips
• LeiterplattenKupferbahnen, mit Trockenfilmresist strukturiert
• ForschungMikrofluidische „Lab-on-a-Chip“-Geräte

So erkennen Sie es

• Die Muster sind für das Auge unsichtbar. Die feinsten Linien sind tausendmal dünner als ein Haar und brauchen ein Elektronenmikroskop, um sichtbar zu werden. Sie stecken in jedem Chip in Ihrem Handy, Laptop und Auto und hinter jedem Pixel Ihres Bildschirms.
• Regenbogenschimmer. Kippen Sie einen blanken Wafer oder Chip unter Licht, und er blitzt in Regenbogenfarben: Seine regelmäßigen Muster spalten Licht auf, wie es eine CD tut.
• Gelb beleuchtete Räume. Auf Fabrikfotos leuchtet der Lithografiebereich gelb, weil der Resist gelbes Licht ignoriert.
• Leiterplatten. Die feinen Kupferbahnen auf einer grünen Leiterplatte wurden ebenfalls durch Licht über eine Maske definiert, in einem viel gröberen Maßstab.

Im Vergleich mit

Ansehen

How are microchips made? - George Zaidan and Sajan Saini

TED-Ed · Ein kurzer animierter Überblick über die Chipfertigung und wo die Lithografie hineinpasst

How are Microchips Made? 🖥️🛠️ CPU Manufacturing Process Steps

Branch Education · Detaillierte 3D-Animation jedes Fab-Schritts, einschließlich des Scanners

MAS.809 - Cleanroom Videos - Photolithography

Conformable Decoders · Echte Labor-Fotolithografie, Schritt für Schritt

Inside the machine: How a High NA system generates EUV light | ASML

ASML · Wie die fortschrittlichsten Scanner ihr EUV-Licht erzeugen

Echte Fotos ansehen

• Wikipedia: Fotolithografie — Diagramme der Schritte und Fotos von Lithografieanlagen
• Fotosuche auf Wikimedia Commons