Lição 13.2Micro e nanoCapítulo 13 · Micro e nanofabricação

Fotolitografia

Projeta um padrão com luz sobre um revestimento sensível à luz e depois o corrói

A fotolitografia imprime padrões em um wafer de silício com luz, de forma muito parecida com revelar uma foto através de um estêncil. Ela desenha os bilhões de transistores e fios de um chip de computador, uma camada por vez. Todo chip do seu celular passou por ela dezenas de vezes.

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

Um ciclo de fotolitografia em seis cortesCada quadro é um corte por um pedacinho do wafer depois daquela etapa; os números circulados correspondem às etapas abaixo.

Como funciona

Aplique o resiste por spin coating. O wafer já traz uma fina camada a ser padronizada, como óxido de silício ou metal. Algumas gotas de fotorresiste (um plástico líquido sensível à luz) caem sobre ele, e o wafer gira a milhares de rpm, deixando um filme uniforme de cerca de um micrômetro de espessura ou menos. Um breve cozimento o seca.
Alinhe e exponha. Uma máscara (uma placa de vidro com o padrão de uma camada em cromo, também chamada de retículo) é alinhada com os padrões já presentes no wafer, com precisão de alguns nanômetros em chips avançados. A luz UV passa pelas partes transparentes, e uma lente reduz a imagem, normalmente quatro vezes, sobre o resiste. A máquina, chamada stepper ou scanner, repete isso campo por campo pelo wafer.
Revele. Um líquido revelador percorre o wafer. Com o resiste positivo mais comum, as áreas atingidas pela luz se dissolvem, deixando aberturas com a forma das áreas transparentes da máscara.
Corroa. Em um corroedor por plasma (uma câmara de gás eletricamente carregado), o plasma consome a camada só onde o resiste está aberto; nos outros lugares o resiste a protege. Em vez de corroer, as aberturas também podem receber material novo ou átomos implantados.
Remova. O resiste restante é removido com solventes ou plasma de oxigênio. O padrão agora existe na própria camada.
Repita. Uma nova camada é adicionada e o ciclo recomeça com a máscara seguinte, cada padrão alinhado aos de baixo. Um chip avançado passa por dezenas desses ciclos.

Dados-chave

Materiais: Wafers de silício revestidos com fotorresiste; também vidro, semicondutores compostos e placas de circuito
Peças típicas: Padrões planos empilhados camada por camada: transistores, fiação, sensores, backplanes de telas
Tamanho da peça: Wafers de até 300 mm de diâmetro; uma exposição cobre um campo de cerca de 26 × 33 mm
Precisão: Cerca de um micrômetro com alinhadores simples de laboratório; dezenas de nanômetros com luz de laser de 193 nm; perto de 10 nm com luz EUV (13,5 nm)
Acabamento superficial: Não deixa textura própria; os wafers padronizados cintilam em cores de arco-íris
Tamanho de lote adequado: Produção em massa: um jogo de máscaras serve a milhares de wafers, cada um com centenas a milhares de chips
Custo de ferramental e máquinas: Alinhadores de máscara de laboratório: de dezenas a centenas de milhares de dólares; scanners EUV: centenas de milhões; um jogo de máscaras avançado: milhões
Velocidade: Um scanner de produção expõe aproximadamente 100–300 wafers por hora, uma camada cada

Pontos fortes e limites

Pontos fortes

Padroniza um wafer inteiro em paralelo: bilhões de detalhes de uma vez
Alcança detalhes em escala de nanômetro com scanners modernos
Muito repetível: a espinha dorsal de toda a produção de chips
Custo por transistor muito baixo em alto volume

Limites

Máquinas, máscaras e salas limpas extremamente caras
O comprimento de onda da luz limita o menor detalhe
Só camadas planas; as estruturas 3D vêm de empilhar dezenas delas
Precisa de salas livres de poeira e de vibração, sob luz amarela

Onde é usado

EletrônicaProcessadores, chips de memória, sensores de imagem de câmeras
TelasA grade de transistores por trás de telas LCD e OLED
Sensores e MEMSAcelerômetros, microfones, sensores de pressão
FotônicaChips de LED, diodos laser, guias de luz em chips
Placas de circuitoTrilhas de cobre, padronizadas com resiste em filme seco
PesquisaDispositivos de microfluídica "laboratório em um chip"

Como reconhecê-lo

Os padrões são invisíveis a olho nu. As linhas mais finas são milhares de vezes mais finas que um fio de cabelo e precisam de um microscópio eletrônico para serem vistas. Elas se escondem dentro de todo chip do seu celular, notebook e carro, e por trás de cada pixel da sua tela.
Cintilação de arco-íris. Incline um wafer nu ou uma pastilha de chip sob a luz e ele cintila em cores de arco-íris: seus padrões regulares dividem a luz como um CD faz.
Salas com luz amarela. Em fotos de fábricas, a área de litografia brilha em amarelo, porque o resiste ignora a luz amarela.
Placas de circuito. As finas trilhas de cobre de uma placa de circuito verde também foram definidas por luz através de uma máscara, em uma escala muito mais grosseira.

Compare com

Usinagem química e corrosão fotoquímica6.8o mesmo truque de luz e resiste em escala de milímetro, usado para corroer peças em chapas finas de metal.LIGA13.7usa raios X e resiste muito espesso para fazer micropeças altas em vez de camadas finas.Feixe de íons focalizado13.5escreve ou corta padrões ponto a ponto sem máscara: flexível, mas lenta demais para a produção em massa.

Assista

TED-Ed · Uma breve visão geral animada da fabricação de chips e de onde a litografia se encaixa

Branch Education · Animação 3D detalhada de cada etapa de uma fábrica de chips, incluindo o scanner

Conformable Decoders · Fotolitografia real de laboratório, passo a passo

ASML · Como os scanners mais avançados produzem sua luz EUV

Veja fotos reais

Wikipedia: Fotolitografia — diagramas das etapas e fotos de equipamentos de litografia
Busca de fotos no Wikimedia Commons

Lembre-se

A fotolitografia imprime uma camada inteira de chip de uma vez, como revelar uma foto através de um estêncil.
Reveste, expõe, revela, corrói, remove, depois repete: dezenas de ciclos por chip.
Luz de comprimento de onda menor imprime detalhes mais finos, e é por isso que existem as máquinas EUV.