Tecniche litografiche per la microelettronica

Tecniche litografiche per la microelettronica

Le tecniche litografiche rivestono un ruolo di fondamentale importanza nell’ambito della microelettronica, in quanto consentono la riduzione delle dimensioni dei percorsi circuitali e la conseguente integrazione di un numero sempre crescente di dispositivi sul singolo chip. Un processo litografico presuppone la presenza dei seguenti elementi fondamentali: il resist, la sorgente per l’esposizione e la maschera. Il resist è una sostanza liquida organica o polimerica che, se esposta alle radiazioni, varia le proprie caratteristiche chimiche, diventando più o meno solubile; esso è positivo se, interagendo con la radiazione, diventa maggiormente solubile, mentre è negativo se, nelle parti esposte, subisce un rafforzamento dei legami tra le molecole che lo compongono. La sorgente per l’esposizione può essere di diverse tipologie, a seconda del tipo di radiazione emessa (ultravioletta, a elettroni, a ioni e a raggi X). La maschera è generalmente costituita da una lastra di quarzo coperta da un sottile film di cromo e riporta il disegno dei percorsi circuitali da trasferire sul substrato.

Per effettuare un processo litografico occorre mettere in atto le seguenti fasi (Fig. 1):

1 Preparazione del substrato;

2 Deposizione del resist;

3 Esposizione;

4 Sviluppo del resist;

5 Deposizione del metallo;

6 Lift-off;

La fase di preparazione del substrato consiste nell’eliminazione dal substrato stesso di polvere o altri elementi contaminanti e nella stesura di una particolare sostanza, detta “primer”, che facilita la successiva deposizione del resist.

La seconda fase consiste nel depositare sul substrato alcune gocce di resist e nel disporre tale substrato su un supporto girevole detto “spinner” che, ruotando, consente al resist di formare un film sottile e uniforme.

Durante la fase di esposizione il substrato, tramite la maschera sulla quale è impresso lo schema dei percorsi circuitali, viene sottoposto all’azione della radiazione, al fine di sensibilizzare il resist che ricopre le zone del substrato in corrispondenza delle aperture della maschera stessa.

La fase di sviluppo consiste nel rimuovere dal substrato, tramite solventi chimici, le porzioni di resist diventate maggiormente solubili; infatti, nel caso in cui si utilizzi un tipo di resist positivo, l’esposizione alla radiazione determina un indebolimento della struttura molecolare del materiale, con conseguente aumento della facilità di disgregazione dello stesso.

Una volta eliminato il resist solubile, si effettua la deposizione di materiale metallico su tutta la superficie del substrato. Il metallo, quindi, va a coprire le zone di substrato rimaste prive di resist e le porzioni di resist che non hanno interagito con la radiazione incidente.

La fase di lift-off consiste nell’eliminare, con solventi chimici molto potenti, anche le restanti parti di resist, in modo che sul substrato restino solo i percorsi circuitali metallici esattamente complementari a quelli del disegno impresso sulla maschera.

Per realizzare sul substrato percorsi circuitali disposti in modo identico a quelli della maschera occorre utilizzare un resist negativo; questo tipo di resist, però, tende ad aumentare di volume nelle parti esposte alla radiazione, determinando un allargamento dell’immagine con conseguente perdita di risoluzione. Per risolvere questo problema si può effettuare il cosiddetto “processo di inversione di tono”: si deposita sul substrato un resist di tipo positivo e si effettua la fase di esposizione; poi, invece di passare alla fase di sviluppo, si inserisce il substrato in un forno ad elevata temperatura, al fine di rafforzare i legami molecolari nelle porzioni di resist precedentemente esposte. In seguito si effettua l’esposizione dell’intero substrato, in modo da indebolire il resist; quest’ultimo, però, diventa maggiormente solubile nelle parti che nella prima esposizione non avevano subito l’azione della radiazione e, quindi, effettuando adesso le fasi di sviluppo e deposizione metallica, i percorsi circuitali che restano sul substrato risultano identici a quelli impressi sulla maschera.

A seconda del tipo di sorgente utilizzata si può distinguere tra le seguenti tecniche litografiche:

– a fascio elettronico;

– a raggi X;

– ioniche;

– ottiche.

LITOGRAFIA A FASCIO ELETTRONICO

La litografia a fascio elettronico (Fig.2) viene impiegata per creare percorsi circuitali sul substrato senza l’utilizzo della maschera.

tecnica litografica

Il fascio elettronico, generato in una colonna elettro-ottica simile a quella di un microscopio elettronico a scansione, viene indirizzato verso il substrato coperto di resist e guidato da un computer verso le regioni da impressionare. La tecnica litografica appena descritta, oltre ad essere impiegata per disegnare in modo diretto i percorsi circuitali, può essere validamente utilizzata per la realizzazione di maschere in vetro e cromo per processi litografici ottici o a raggi X. Tali maschere possono essere realizzate tramite le seguenti fasi:

– deposizione di cromo su un substrato in vetro;

– deposizione del resist;

– esposizione al fascio elettronico;

– sviluppo del resist;

– attacco chimico del cromo;

Durante la prima fase si procede a realizzare un sottile strato di cromo sull’intera superficie del substrato in vetro. Poi si deposita un film di resist sul cromo e si procede ad esporre il substrato all’azione selettiva del fascio elettronico. Dopo l’esposizione si procede sia a rimuovere le porzioni di resist rese maggiormente solubili dagli elettroni sia ad attaccare chimicamente il cromo sottostante, al fine di ottenere la maschera riportante i pattern circuitali di interesse.

Il controllo software del fascio rappresenta uno dei principali vantaggi di questa tecnica litografica, in quanto consente di realizzare disegni circuitali diversi semplicemente variando i dati in ingresso al calcolatore e minimizza la possibilità di errori.

Per contro, una tecnica di questo tipo può presentare problemi relativi allo scattering degli elettroni; queste particelle, infatti, penetrano nel resist con traiettorie non parallele, impressionando porzioni di resist di dimensioni non rispondenti alle specifiche di progetto. Questo determina una deformazione dei percorsi circuitali di cui si deve tenere conto nella valutazione finale della qualità dell’immagine trasferita.

LITOGRAFIA A RAGGI X

La litografia a raggi X rappresenta una tecnica molto utilizzata per realizzare strutture di dimensioni micrometriche caratterizzate da un’elevatissima densità di percorsi circuitali. Il sistema litografico (Fig. 3) comprende: il substrato su cui dovrà essere realizzato il circuito, una maschera riportante il disegno dei percorsi circuitali da realizzare e una sorgente di raggi X. La maschera è posta a una certa distanza dal substrato, al fine di evitarne eventuali danneggiamenti superficiali. A differenza di quel che accade con la litografia a fascio elettronico, in questo tipo di tecnica litografica i raggi X si propagano nel resist seguendo traiettorie parallele e, di conseguenza, consentono la realizzazione di elevate densità di percorsi circuitali. Lo svantaggio principale di questo tipo di tecnica, però, risiede nella necessità di utilizzare una sorgente di raggi X di dimensioni molto ridotte, al fine di evitare che la sorgente stessa ponga in ombra alcune regioni di resist; inoltre, dato che la sorgente deve essere posta ad elevata distanza dal substrato per garantire il perfetto trasferimento del disegno, occorre utilizzare sorgenti ad elevata potenza, al fine di evitare eccessivi tempi di esposizione. Una sorgente di raggi X potenzialmente in grado di rispondere a queste esigenze è rappresentata dal cosiddetto “sincrotrone”. Il sincrotrone è un acceleratore di elettroni circolare, in grado di costringere il fascio a percorrere una traiettoria chiusa. In tal modo esso produce fasci molto stretti, potenti e fortemente collimati, cioè costituiti dai soli elettroni che si muovono con basse velocità e perpendicolarmente al substrato. Questo determina la diminuzione dei tempi di esposizione e un netto miglioramento della risoluzione. Tuttavia, i costi relativi a un sistema utilizzante radiazione di sincrotrone sono ancora molto proibitivi e non consentono alla tecnica litografica in esame di diffondersi pienamente nel sistema produttivo della microelettronica.

LITOGRAFIA OTTICA

La litografia ottica consiste nel trasferire, tramite l’azione di una sorgente di luce, l’immagine circuitale dalla fotomaschera al substrato coperto di resist. Il sistema litografico in esame (Fig.4) comprende: la sorgente di luce, il sistema ottico, la maschera e il substrato. A seconda della distanza cui sono posti la maschera e il substrato si distingue tra diverse tipologie di esposizione: a contatto, a prossimità e a proiezione. Nell’esposizione a contatto la maschera e il substrato in silicio sono posti l’una sull’altro e, grazie a questo contatto, l’immagine impressa sulla maschera viene trasferita sul substrato con ottime risoluzioni. Tuttavia, la vicinanza tra maschera e substrato potrebbe determinare un danneggiamento del resist con conseguenze non trascurabili sulla qualità del disegno circuitale. Con la tecnica di esposizione a prossimità la maschera e il substrato sono posti a qualche decina di micrometri tra loro; ciò riduce la probabilità di eventuali difetti dovuti al contatto tra le due superfici, ma determina una lieve degradazione del livello di risoluzione dell’immagine. Nell’ambito della tecnica di esposizione a proiezione la maschera e il substrato sono posti a qualche centimetro di distanza e tra di essi viene inserito un sistema ottico di lenti per la proiezione dell’immagine sul substrato. Con quest’ultima tecnica si risolve il problema dei difetti, ma si degrada ulteriormente la risoluzione finale dell’immagine circuitale. Per aumentare la risoluzione può essere utilizzato il cosiddetto metodo “stepping”: la maschera contiene il disegno da trasferire ingrandito di molte volte rispetto all’originale e la sorgente illumina in maniera sequenziale una piccola porzione di maschera alla volta; tale porzione, poi, viene ridimensionata tramite il sistema ottico e trasferita sul substrato con le dimensioni originali, ma con un notevole livello di risoluzione. I vantaggi legati alla tecnica litografica appena descritta sono connessi essenzialmente ai bassi costi dei materiali utilizzati per il sistema ottico e alla possibilità di impiego di numerose sorgenti di luce molto prestanti ( ad esempio sorgenti laser).

 

LITOGRAFIA IONICA

La litografia ionica consiste nel realizzare sul substrato percorsi circuitali tramite un fascio di ioni ad elevata energia, senza l’utilizzo di fotomaschere o resist (Fig.5). Gli ioni, infatti, entrando in contatto con il substrato si depositano nelle zone di incidenza e possono, in tal modo, realizzare percorsi circuitali rispondenti alle specifiche progettuali. Rispetto agli elettroni, gli ioni, essendo più pesanti, sono meno soggetti al fenomeno dello scattering e riducono, quindi, la probabilità di un aumento delle dimensioni dei pattern realizzati. Per contro la necessità di disegnare percorsi circuitali in modo sequenziale e le difficoltà di controllo della posizione del fascio ostacolano la piena diffusione della tecnica litografica appena descritta e si pongono come sfide aperte per i numerosi centri di ricerca coinvolti nel settore della litografia per la microelettronica.

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6 Comments

  1. mingoweb 7 febbraio 2011
  2. linus 8 febbraio 2011
  3. sorex 9 febbraio 2011
  4. giuskina 7 febbraio 2011
  5. Fabrizio87 7 febbraio 2011
  6. NIck_BG 7 febbraio 2011

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