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LITOGRAFIA - Coggle Diagram
LITOGRAFIA
Litografia a raggi X
Maschera e resist dovranno essere sensibili ai raggi X; essi hanno una lunghezza tra 10nm e 1 pm e sono radiazioni ionizzanti
- raggi X molli: lunghezza d'onda > 0,1 nm (diagnostica)
- raggi X duri: lunghezza < 0,1 nm (terapia oncologica)
Differenze dalla tradizionale
- i raggi X hanno lunghezza d'onda minore
- effetti di diffrazione minori e risoluzione maggiore
- tencica di produzione 1:1 (si usa solo in prossimità)
- richiede maschere ad alta precisione
- esistono 3 sorgenti di raggi X: tubi radiogeni, laser plasma, sincrotroni.
Caratteristiche ideali del resist
- elevata sensibilità ai raggi X
- garaantire elevata risoluzione
- essere resistente all'etching
- avere stabilità termica
- il più utilizzato è il PMMA (plexiglass) che è un resist positivo
- generalmente i resist negativi per litografia a raggi X hanno sensibilità maggiore
Fabbricazione della maschera
- zona assorbente: materiali con elevato numero atomico (oro, tungsteno)
- zone trasparenti: titanio o silicio
Sono solitamente con litografia a particelle cariche.
C'è un wafer di silicio, trasparente ai raggi X, che viene rivestito da uno strato d'oro a sua volta rivestito da un resist (PMMA); attraverso un fascio di elettromi si scolpisce lo strato di PMMA; si passa a un etching ionico (sistema al plasma con ioni di Argon), l'etching fisico fa sì che l'oro venga rimosso solo dove prima era stato asportato il resist; fase di stripping in cui si toglie il PMMA; si ottiene la maschera composta da uno strato di silicio e varie zone di oro
Liga
Particolare tecnica litografica a raggi X che unisce il metodo dello stampo sacrificale alla litografia e all'elettrodeposizione.
Prevede di fare uno stampo metallico; il resist prima di essere rimosso viene riempito con metallo per elettrodeposizione, così quando si toglie il resist rimane lo stampo metallico; esso può essere usato poi per produzioni in serie, ma richiede un grande investimento di soldi e tempo.
hot embossing
Stampaggio per compressione in cui si scalda uno strato di materiale polimerico sopra la sua temperatura di transizione vetrosa Tg e viene compresso tra lo stampo e un supporto; il sistema viene poi raffreddato.
injection molding
Il materiale viene fuso e iniettato con velocità e pressione costanti all'interno dello stampo che è stato scaldato; viene poi raffreddato e rimosso dallo stampo.
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Caratteristiche generali
- risoluzione: minimi caratteristica riportata sul substrato
- registrazione: registrare i pattern per replicarli
- volume di produzione: numero di dispositivi o area lavorata all'ora
Per avere volumi di produzione maggiori devo avere risoluzioni minori e viceversa.
elementi chiave:
- substrato (in silicio)
- resist (polimero fotosensibile)
- maschera (riporta la geometria)
- radiazioni (determinano il tipo di litografia)
- resist positivi: aumentano la solubilità nelle zone irraggiate, che vengono poi rimosse
- resist negativi: vengono induriti dalla radiazione, viene tolta la parte non irraggiata.
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Litografia tradizionale
Schema generale
si ha il wafer in silicio su cui viene applicato prima uno strato di ossido e poi il resist. Il substrato va incontro al soft-baking, un processo termico soft che elimina il solvente residuo nel resist. Si applica la maschera e il tutto viene sottoposto a radiazione; vengono eliminate determinate zone del resist e si procede con un altro trattamento termico (hard-baking), che serve ad eliminare il solvente.
A questo punto si possono fare ulteriori modifiche, come togliere o aggiungere materiale; queste modifiche saranno solo efficaci sulle zone del substrato non protette dal resist.
2: Deposizione del resist
- SPIN COATING: utilizza una spin coater; il wafer viene ancorato al supporto tramite il vuoto, si inserisce il resist e si mette in rotazione il supporto (prima più piano per spargere il resist e poi veloce per appiattire il film); lo spessore del resist dipende da quanto viene depositato, dal tipo di solvente e dal tempo di rotazione; se il volume deposto è troppo si creano effetti di bordo.
- SPRAY COATING: il substrato viene messo sotto un ugello ad ultrasuoni da cui escono droplet di resist; permette rivestimenti più omogenei, si hanno meno stress residui e si spreca meno materiale ma sono più spessi; esiste la variante dell' electro spray coating che prevede una tensione tra substrato e ugello
-MENISCUS COATING: sfrutta il menisco che si crea quando l'adesione del liquido al substrato è maggiore della forze di coesione del liquido stesso; il fotoresist viene fatto passare attraverso un tubo poroso con flusso laminare; si possono rivestire grandi aree, no difetti di bordo, ricircolo del resist.
- ELECTRODEPOSITION: permette di rivestire totalmente il wafer, che viene immerso in una soluzione con particelle cariche di fotoresist; viene applicata una tensione e le particelle si muovono verso il substrato di carica opposta.
- DIP COATING: immersione del substrato nella soluzione del resist e poi tolto con velocità costante; si possono rivestire substati di ogni forma ma è poco controllabile
- ROLLER COATING: il rivestimento può avvenire su un solo lato o su entrambi, si ha il roller di supporto (che muove il substrato), l'application roller (che deposita il resist) e il doctor roller; più utilizzata a livello industriale.
- CURTAIN COATING: il reservoir di resist viene fatto passare attraverso una fessura e il substrato viene messo in movimento; si riveste solo un lato e la distanza tra fessura e substrato è tale da permettere un'evaporazione del solvente
- EXTRUSION COATING: il resist passa per la testa di estrusione e un ugello, che viene posizionato molto vicino al substrato; permette di rivestire substrati di grandi dimensione e un range di spessori elevato.
3: Soft baking
Trattamento termico leggero per stabilizzare il resist, per 3 motivi:
- eliminare il solvente lesivo (riduzione spessore)
- eliminare eventuali tensioni residue
- aumentare l'adesione tra resist e substrato
Bisogna fare attenzione a non essere troppo aggressivi altrimenti si danneggia il materiale fotosensibile
4: Esposizione
Nella fotolitografia tradizionale si usa radiazione UV-visibile.
La più piccola caratteristica riportabile sul resist è circa pari alla lunghezza d'onda della radiazione. La dose è il prodotto tra intensità e tempo di esposizione. Le zone trasparenti della maschera sono in silicio, quelle assorbenti in cromo.
- maschera negativa (clear field mask): il pattern è la regione assorbente
- maschera positiva (dark field mask): il pattern è la regione trasparente
Le maschere vengono realizzate da tecniche litografiche, in particolare quella a fascio di elettroni.
- maschera a contatto: risoluzioni alte ma usura della maschera
- in prossimità: piccolo gap che evita l'usura ma perde unpo' di risoluzione
- per proiezione: su utilizza un sistema di lenti, alte risoluzioni no usura e si può ridurre la dimensione della proiezione rispetto a quella della maschera
Nelle maschere normali l'informazione è binaria, ma esistono maschere a scale di grigio in cui lo sviluppo rende il resist sensibile in modo proporzionale alla quantità di dose che ha assorbito; le zone di grigio vengono fatte con spot di materiale assorbente di dimensione inferiore alla lunghezza d'onda.
5: Sviluppo
Questo step serve per rimuovere una parte del resist:
- processi di sviluppo bagnati - si immerge il campione in soluzione, eventualmente con agitazione meccanica o termica
- sviluppo a secco - all'interno di un reattore al plasma vuoto, in cui si utilizza l'ossigeno, che impattando con il resist lo rende volatile
6: Post baking
trattamento termico più aggressivo per eliminare il solvente residuo. Aumenta la resistenza del resist agli attacchi chimico-fisici a cui può essere sottoposto nelle fasi successive. Anche in questo caso può causare una riduzione dello spessore.
7: Deposizione/Etching
L'etching prevede asportazione di materiale dal substrato.
La deposizione invece comporta un'aggiunta di materiale.
i trattamenti hanno efficacia solo dove non è presente il resist.
Nell'ultima fase, detta di stripping viene tolto il resist
- stripping wet: si immerge il campione in soluzioni di acidi forti o nella soluzione piragna.
- stripping da asciutto: plasma a vuoto con ossigeno.
1: Pulizia del wafer
Le litografie vengono effetuate in camere bianche, con atmosfera controllata. La pulizia serve ad evitare residui di solvente e organici che riducono poi l'adesione tra resist e substrato.
- dry cleaning: si utilizzano gas, plasma, trattamenti termici o meccanici (meno scalabili a livello industriale)
- wet cleaning: più utilizzati ma le soluzioni sono tossiche e lo smaltimenti è problematico (RCA1 RCA2)