Pelajaran 13.2Mikro & nanoBab 13 · Mikro- dan nanofabrikasi

Fotolitografi

Memproyeksikan pola dengan cahaya ke lapisan peka cahaya, lalu mengetsanya

Fotolitografi mencetak pola ke wafer silikon dengan cahaya, mirip mencuci foto melalui stensil. Ia menggambar miliaran transistor dan kabel pada chip komputer, satu lapisan pada satu waktu. Setiap chip di ponsel Anda melewatinya puluhan kali.

Foto: Le hollandais volant, CC BY 4.0, melalui Wikimedia Commons

Satu siklus fotolitografi dalam enam penampangSetiap panel adalah potongan melalui sepotong kecil wafer setelah langkah itu; angka dalam lingkaran sesuai dengan langkah-langkah di bawah.

Cara kerjanya

Spin-coat resist. Wafer sudah membawa lapisan tipis yang akan dipola, seperti silikon oksida atau logam. Beberapa tetes photoresist (plastik cair peka cahaya) mendarat di atasnya, dan wafer berputar pada ribuan rpm, meninggalkan film merata setebal sekitar satu mikrometer atau kurang. Pemanggangan singkat mengeringkannya.
Sejajarkan dan ekspos. Masker (pelat kaca yang membawa pola satu lapisan dalam krom, disebut juga reticle) disejajarkan dengan pola yang sudah ada di wafer, hingga dalam beberapa nanometer pada chip canggih. Cahaya UV menyinari melalui bagian beningnya, dan lensa memperkecil gambar, biasanya empat kali, ke resist. Mesin, disebut stepper atau scanner, mengulang ini bidang demi bidang melintasi wafer.
Kembangkan. Cairan developer membasuh wafer. Dengan resist positif yang paling umum, area yang terkena cahaya larut, menyisakan bukaan berbentuk area bening masker.
Etsa. Dalam plasma etcher (ruang gas bermuatan listrik), plasma menggerus lapisan hanya di tempat resist terbuka; di tempat lain resist melindunginya. Alih-alih mengetsa, bukaan juga bisa menerima material baru atau atom yang ditanam (implan).
Lepaskan. Sisa resist dibuang dengan pelarut atau plasma oksigen. Pola kini ada pada lapisan itu sendiri.
Ulangi. Lapisan baru ditambahkan dan siklus dimulai lagi dengan masker berikutnya, setiap pola disejajarkan dengan yang ada di bawahnya. Chip canggih melalui puluhan siklus seperti ini.

Fakta kunci

Material: Wafer silikon berlapis photoresist; juga kaca, semikonduktor majemuk, dan papan sirkuit
Komponen khas: Pola datar yang ditumpuk lapis demi lapis: transistor, kabel, sensor, backplane layar
Ukuran komponen: Wafer hingga selebar 300 mm; satu eksposur mencakup bidang sekitar 26 × 33 mm
Presisi: Sekitar satu mikrometer dengan aligner laboratorium sederhana; puluhan nanometer dengan cahaya laser 193 nm; mendekati 10 nm dengan cahaya EUV (13,5 nm)
Hasil permukaan: Tidak meninggalkan tekstur sendiri; wafer berpola berkilau dengan warna pelangi
Ukuran batch yang cocok: Produksi massal: satu set masker melayani ribuan wafer, masing-masing memuat ratusan hingga ribuan chip
Biaya perkakas dan mesin: Mask aligner laboratorium: puluhan hingga ratusan ribu dolar; scanner EUV: ratusan juta; satu set masker canggih: jutaan
Kecepatan: Scanner produksi mengekspos kira-kira 100–300 wafer per jam, satu lapisan masing-masing

Kekuatan dan batasan

Kekuatan

Memola seluruh wafer secara paralel: miliaran fitur sekaligus
Mencapai detail skala nanometer dengan scanner modern
Sangat berulang: tulang punggung seluruh produksi chip
Biaya per transistor sangat rendah pada volume tinggi

Batasan

Mesin, masker, dan cleanroom yang sangat mahal
Panjang gelombang cahaya membatasi detail terhalus
Hanya lapisan datar; struktur 3D berasal dari menumpuk puluhan lapisan
Butuh ruangan bebas debu dan bebas getaran di bawah cahaya kuning

Di mana dipakai

ElektronikProsesor, chip memori, sensor gambar kamera
LayarKisi transistor di balik layar LCD dan OLED
Sensor dan MEMSAkselerometer, mikrofon, sensor tekanan
FotonikaChip LED, dioda laser, pemandu cahaya pada chip
Papan sirkuitJalur tembaga, dipola dengan dry-film resist
RisetPerangkat mikrofluida "lab-on-a-chip"

Cara mengenalinya

Polanya tak terlihat oleh mata. Garis terhalus ribuan kali lebih tipis daripada rambut dan butuh mikroskop elektron untuk dilihat. Mereka tersembunyi di dalam setiap chip pada ponsel, laptop, dan mobil Anda, dan di balik setiap piksel layar Anda.
Kilau pelangi. Miringkan wafer atau die chip polos di bawah cahaya dan ia berkilat dengan warna pelangi: polanya yang teratur memecah cahaya seperti CD.
Ruangan berlampu kuning. Pada foto pabrik, area litografi bersinar kuning, karena resist tidak peka terhadap cahaya kuning.
Papan sirkuit. Jalur tembaga halus pada papan sirkuit hijau juga ditentukan oleh cahaya melalui masker, pada skala yang jauh lebih kasar.

Bandingkan dengan

Permesinan kimia dan etsa fotokimia6.8trik cahaya-dan-resist yang sama pada skala milimeter, dipakai untuk mengetsa komponen dari lembaran logam tipis.LIGA13.7memakai sinar-X dan resist sangat tebal untuk membuat mikro-komponen tinggi, bukan lapisan tipis.Focused ion beam13.5menulis atau memotong pola titik demi titik tanpa masker: fleksibel, tetapi jauh terlalu lambat untuk produksi massal.

Tonton

TED-Ed · Ikhtisar animasi singkat pembuatan chip dan posisi litografi di dalamnya

Branch Education · Animasi 3D mendetail setiap langkah fab, termasuk scanner

Conformable Decoders · Fotolitografi laboratorium nyata, langkah demi langkah

ASML · Bagaimana scanner paling canggih menghasilkan cahaya EUV-nya

Lihat foto asli

Wikipedia: Photolithography — diagram langkah dan foto peralatan litografi
Pencarian foto Wikimedia Commons

Ingat

Fotolitografi mencetak seluruh lapisan chip sekaligus, seperti mencuci foto melalui stensil.
Lapisi, ekspos, kembangkan, etsa, kupas, lalu ulangi: puluhan siklus per chip.
Cahaya berpanjang gelombang lebih pendek mencetak detail lebih halus, itulah mengapa mesin EUV ada.