Урок 13.2Микро и наноГлава 13 · Микро- и нанопроизводство

Фотолитография

Проецирует рисунок светом на светочувствительное покрытие, затем травит

Фотолитография печатает рисунки на кремниевой пластине светом, почти как проявка фотографии через трафарет. Она рисует миллиарды транзисторов и проводников на компьютерном чипе, слой за слоем. Каждый чип в вашем телефоне проходил через неё десятки раз.

Фото: Le hollandais volant, CC BY 4.0, через Wikimedia Commons

Один цикл фотолитографии в шести разрезахКаждая панель — разрез крошечного участка пластины после этого шага; номера в кружках соответствуют шагам ниже.

Как это работает

Нанесите резист центрифугированием. На пластине уже есть тонкий слой, который нужно структурировать, например оксид кремния или металл. На неё падают несколько капель фоторезиста (светочувствительного жидкого пластика), и пластина вращается со скоростью тысячи об/мин, оставляя ровную плёнку толщиной около микрометра или меньше. Недолгая сушка закрепляет её.
Совместите и экспонируйте. Маску (стеклянную пластину с рисунком одного слоя из хрома, её также называют фотошаблоном) совмещают с рисунками, уже нанесёнными на пластину, с точностью до нескольких нанометров на современных чипах. УФ-свет проходит через её прозрачные части, а линза уменьшает изображение, обычно в четыре раза, на резисте. Машина, называемая степпером или сканером, повторяет это поле за полем по всей пластине.
Проявить. Проявитель омывает пластину. При самом распространённом позитивном резисте области, на которые попал свет, растворяются, оставляя отверстия, повторяющие прозрачные области маски.
Травить. В плазменном травильнике (камере с электрически заряженным газом) плазма разъедает слой только там, где резист открыт; в остальных местах резист его защищает. Вместо травления в отверстия можно также нанести новый материал или внедрить атомы.
Удалить резист. Оставшийся резист удаляют растворителями или кислородной плазмой. Теперь рисунок существует в самом слое.
Повторить. Добавляют новый слой, и цикл начинается снова со следующей маской, каждый рисунок совмещается с нижележащими. Современный чип проходит десятки таких циклов.

Ключевые факты

Материалы: Кремниевые пластины с фоторезистом; также стекло, составные полупроводники и печатные платы
Типичные детали: Плоские рисунки, наложенные слой за слоем: транзисторы, проводка, датчики, подложки дисплеев
Размер детали: Пластины диаметром до 300 мм; одна экспозиция покрывает поле около 26 × 33 мм
Точность: Около микрометра на простых лабораторных установках совмещения; десятки нанометров при лазерном свете 193 нм; около 10 нм при свете EUV (13,5 нм)
Качество поверхности: Собственной фактуры не оставляет; пластины с рисунком переливаются всеми цветами радуги
Подходящая партия: Массовое производство: один комплект масок обслуживает тысячи пластин, на каждой от сотен до тысяч чипов
Стоимость оснастки и оборудования: Лабораторные установки совмещения масок: от десятков до сотен тысяч долларов; сканеры EUV: сотни миллионов; современный комплект масок: миллионы
Скорость: Производственный сканер экспонирует примерно 100–300 пластин в час, по одному слою каждая

Сильные стороны и ограничения

Сильные стороны

Структурирует всю пластину параллельно: миллиарды элементов сразу
Достигает нанометровой детализации на современных сканерах
Очень повторяема: основа всего производства чипов
Очень низкая стоимость транзистора при больших объёмах

Ограничения

Чрезвычайно дорогие машины, маски и чистые помещения
Длина волны света ограничивает самую мелкую деталь
Только плоские слои; 3D-структуры получаются укладкой десятков таких слоёв
Нужны свободные от пыли и вибраций помещения с жёлтым освещением

Где применяется

ЭлектроникаПроцессоры, микросхемы памяти, датчики изображения камер
ДисплеиСетка транзисторов за экранами LCD и OLED
Датчики и МЭМСАкселерометры, микрофоны, датчики давления
ФотоникаСветодиодные чипы, лазерные диоды, светопроводы на чипах
Печатные платыМедные дорожки, формируемые с помощью сухого плёночного резиста
ИсследованияМикрофлюидные устройства «лаборатория на чипе»

Как узнать процесс

Рисунки невидимы глазу. Самые тонкие линии в тысячи раз тоньше волоса, и чтобы их увидеть, нужен электронный микроскоп. Они скрыты внутри каждого чипа в вашем телефоне, ноутбуке и автомобиле и за каждым пикселем вашего экрана.
Радужное мерцание. Наклоните голую пластину или кристалл чипа под светом, и он вспыхнет цветами радуги: его правильные рисунки разлагают свет так же, как компакт-диск.
Помещения с жёлтым светом. На фотографиях заводов зона литографии светится жёлтым, потому что резист не реагирует на жёлтый свет.
Печатные платы. Тонкие медные дорожки на зелёной печатной плате тоже были заданы светом через маску, но в гораздо более грубом масштабе.

Сравните с

Химическое фрезерование и фотохимическое травление6.8тот же приём «свет и резист», но в миллиметровом масштабе, используемый для вытравливания деталей из тонких металлических листов.LIGA13.7использует рентгеновские лучи и очень толстый резист, чтобы делать высокие микродетали, а не тонкие слои.Фокусированный ионный пучок13.5пишет или вырезает рисунки точка за точкой без маски: гибко, но слишком медленно для массового производства.

Смотрите

TED-Ed · Короткий анимированный обзор производства чипов и места литографии в нём

Branch Education · Подробная 3D-анимация каждого шага на фабрике, включая сканер

Conformable Decoders · Настоящая лабораторная фотолитография, шаг за шагом

ASML · Как самые современные сканеры создают свой EUV-свет

Смотреть реальные фото

Википедия: Photolithography — схемы шагов и фотографии литографического оборудования
Поиск фотографий в Wikimedia Commons

Запомните

Фотолитография печатает сразу весь слой чипа, как проявка фотографии через трафарет.
Нанесите, экспонируйте, проявите, вытравите, удалите, затем повторите: десятки циклов на чип.
Свет с более короткой длиной волны печатает более тонкие детали, поэтому и существуют машины EUV.