Fotolitografia
A Fotolitografia (também denominada litografia óptica) é um processo que consiste na utilização de radiação luminosa para a transferência de um padrão para uma camada de fotorresiste (resina fotossensível) depositada sobre uma amostra, geralmente um substrato de silício (wafer). Trata-se de uma técnica fundamental na manufatura de circuitos integrados (CI).
Na década de 1820, Nicéphore Niépce inventou um processo fotográfico que utilizava o Betume da Judeia, um asfalto natural, como a primeira fotorresina. Um revestimento fino de betume sobre uma folha de metal, vidro ou pedra tornava-se menos solúvel onde era exposto à luz; as partes não expostas podiam então ser enxaguadas com um solvente adequado, expondo o material subjacente, que era então gravado quimicamente em um banho de ácido para produzir uma placa de impressão. A sensibilidade à luz do betume era muito baixa e eram necessárias exposições muito longas, mas, apesar da introdução posterior de alternativas mais sensíveis, o seu baixo custo e a excelente resistência a ácidos fortes prolongaram a sua vida comercial até ao início do século XX. Em 1940, Oskar Süß criou uma fotorresina positiva utilizando diazonaftoquinona, que funcionava de maneira oposta: o revestimento era inicialmente insolúvel e tornava-se solúvel onde era exposto à luz. Em 1954, Louis Plambeck Jr. desenvolveu a placa tipográfica polimérica Dycryl, que tornou o processo de fabricação de placas mais rápido. O desenvolvimento de fotorresinas costumava ser realizado em lotes de wafers (processamento em lote) mergulhados em um banho de revelador, mas as ofertas de processos modernos realizam o desenvolvimento de um wafer de cada vez (processamento de wafer único) para melhorar o controle do processo.
Uma única iteração da fotolitografia combina várias etapas em sequência. Salas limpas modernas usam sistemas automatizados e robóticos de trilha de wafer (*wafer track*) para coordenar o processo. O procedimento descrito aqui omite alguns tratamentos avançados, como agentes diluentes. O processo de fotolitografia é realizado pela trilha de wafer e pelo *stepper*/scanner, e o sistema de trilha de wafer e o *stepper*/scanner são instalados lado a lado. Os sistemas de trilha de wafer também são conhecidos como sistemas de revestidor/revelador de wafer (*wafer coater/developer*), que desempenham as mesmas funções. As trilhas de wafer (*wafer tracks*) são nomeadas após os "trilhos" usados para transportar os wafers dentro da máquina, mas as máquinas modernas não usam trilhos.
Limpeza
Se contaminações orgânicas ou inorgânicas estiverem presentes na superfície do wafer, elas geralmente são removidas por tratamento químico úmido, por exemplo, o procedimento de limpeza RCA baseado em soluções contendo peróxido de hidrogênio. Outras soluções feitas com tricloroetileno, acetona ou metanol também podem ser usadas para limpeza.
Preparação
O wafer é inicialmente aquecido a uma temperatura suficiente para eliminar qualquer umidade que possa estar presente na superfície do wafer; 150 °C por dez minutos é suficiente. Wafers que estiveram em armazenamento devem ser limpos quimicamente para remover a contaminação. Um "promotor de adesão" líquido ou gasoso, como a Bis(trimetilsilil)amina ("hexametildissilazano", HMDS), é aplicado para promover a adesão da fotorresina ao wafer. A camada superficial de dióxido de silício no wafer reage com o HMDS para formar dióxido de silício trimetilado, uma camada altamente repelente de água (hidrofóbica), não muito diferente da camada de cera na pintura de um carro. Esta camada repelente de água impede que o revelador aquoso penetre entre a camada de fotorresina e a superfície do wafer, prevenindo, assim, o chamado descolamento (*lifting*) de pequenas estruturas de fotorresina no padrão (em revelação). Para garantir o desenvolvimento da imagem, é melhor cobri-lo e colocá-lo sobre uma placa de aquecimento e deixá-lo secar enquanto estabiliza a temperatura em 120 °C.
Aplicação da fotorresina
O wafer é coberto com líquido de fotorresina por revestimento por rotação (*spin coating*). Assim, a camada superior da resina é rapidamente ejetada da borda do wafer, enquanto a camada inferior ainda rasteja lentamente radialmente ao longo do wafer. Desta forma, qualquer "calombo" ou "cumeeira" de resina é removido, deixando uma camada muito plana. No entanto, filmes viscosos podem resultar em grandes cordões de borda (*edge beads*), que são áreas nas bordas do wafer ou da fotomáscara com maior espessura da resina, cuja planarização tem limites físicos. Frequentemente, a remoção do cordão de borda (EBR - *Edge bead removal*) é realizada, geralmente com um bocal, para remover esta resina extra, pois, caso contrário, poderia causar contaminação por partículas. A espessura final também é determinada pela evaporação dos solventes líquidos da resina. Para recursos muito pequenos e densos (< 125 nm ou mais), são necessárias espessuras de resina mais baixas (< 0,5 mícron) para superar os efeitos de colapso em altas razões de aspecto; as razões de aspecto típicas são < 4:1.
Exposição e revelação
Após o pré-cozimento, a fotorresina é exposta a um padrão de luz intensa. A exposição à luz causa uma alteração química que permite que parte da fotorresina seja removida por uma solução especial, chamada de "revelador" por analogia com o revelador fotográfico. A fotorresina positiva, o tipo mais comum, torna-se solúvel no revelador quando exposta; com a fotorresina negativa, as regiões não expostas são solúveis no revelador. Um cozimento pós-exposição (PEB - *post-exposure bake*) é realizado antes da revelação, tipicamente para ajudar a reduzir os fenômenos de onda estacionária causados pelos padrões de interferência destrutiva e construtiva da luz incidente. Na litografia ultravioleta profunda, utiliza-se a química de resina quimicamente amplificada (CAR - *chemically amplified resist*). Esta resina é muito mais sensível ao tempo, temperatura e atraso do PEB, pois a resina funciona criando ácido quando é atingida por fótons e, em seguida, sofre uma reação de "exposição" (criando ácido, tornando o polímero solúvel no revelador básico e realizando uma reação química catalisada por ácido) que ocorre principalmente no PEB.
Gravação, implantação
Na gravação (*etching*), um agente químico líquido ("úmido") ou plasma ("seco") remove a camada mais superior do substrato nas áreas que não estão protegidas pela fotorresina. Na fabricação de semicondutores, geralmente são usadas técnicas de gravação seca (*dry etching*), pois podem ser tornadas anisotrópicas, a fim de evitar subgravações (*undercutting*) significativas do padrão da fotorresina. Isso é essencial quando a largura dos recursos a serem definidos é semelhante ou menor que a espessura do material sendo gravado (ou seja, quando a razão de aspecto se aproxima da unidade). Os processos de gravação úmida são geralmente de natureza isotrópica, o que é frequentemente indispensável para sistemas microeletromecânicos, onde estruturas suspensas devem ser "liberadas" da camada subjacente.
Remoção da fotorresina
Depois que uma fotorresina não é mais necessária, ela deve ser removida do substrato. Isso geralmente requer um "removedor de resina" (*resist stripper*) líquido, que altera quimicamente a resina para que ela não adira mais ao substrato. Alternativamente, a fotorresina pode ser removida por um plasma contendo oxigênio, que a oxida. Esse processo é chamado de limpeza por plasma (*plasma ashing*) e se assemelha à gravação seca. O uso do solvente 1-Metil-2-pirrolidona (NMP) para a fotorresina é outro método usado para remover uma imagem. Quando a resina tiver sido dissolvida, o solvente pode ser removido por aquecimento a 80 °C sem deixar resíduos.
Sistemas de exposição normalmente produzem uma imagem no wafer usando uma fotomáscara. A fotomáscara bloqueia a luz em algumas áreas e permite que ela passe em outras. (A litografia sem máscara projeta um feixe preciso diretamente no wafer sem usar uma máscara, mas não é amplamente utilizada em processos comerciais.) Os sistemas de exposição podem ser classificados pela óptica que transfere a imagem da máscara para o wafer. A fotolitografia produz estruturas de transistor de filme fino melhores do que a eletrônica impressa, devido a camadas impressas mais suaves, padrões menos ondulados e registro de eletrodo de dreno-fonte mais preciso.
Contato e proximidade
Um alinhador de contato, o sistema de exposição mais simples, coloca uma fotomáscara em contato direto com o wafer e o expõe a uma luz uniforme. Um alinhador de proximidade deixa um pequeno espaço (*gap*) de cerca de 5 mícrons entre a fotomáscara e o wafer. Em ambos os casos, a máscara cobre todo o wafer e padroniza simultaneamente cada matriz (*die*). A impressão/litografia de contato é propensa a danificar tanto a máscara quanto o wafer, e esta foi a principal razão pela qual foi abandonada na produção em alto volume. Tanto a litografia de contato quanto a de proximidade exigem que a intensidade da luz seja uniforme em todo o wafer e que a máscara se alinhe precisamente aos recursos já presentes no wafer. Como os processos modernos usam wafers cada vez maiores, essas condições tornam-se cada vez mais difíceis.
Projeção
A litografia de integração em altíssima escala (VLSI) usa sistemas de projeção. Ao contrário das máscaras de contato ou proximidade, que cobrem um wafer inteiro, as máscaras de projeção (conhecidas como "retículos") mostram apenas uma matriz ou um arranjo de matrizes (conhecido como "campo") em uma porção do wafer por vez. Sistemas de exposição de projeção (*steppers* ou scanners) projetam a máscara no wafer muitas vezes, mudando a posição do wafer a cada projeção, para criar o padrão completo, padronizando totalmente o wafer. A diferença entre *steppers* e scanners é que, durante a exposição, um scanner move a fotomáscara e o wafer simultaneamente, enquanto um *stepper* move apenas o wafer. Alinhadores de máscara de contato, proximidade e projeção precederam os *steppers* e não movem a fotomáscara nem o wafer durante a exposição e usam máscaras que cobrem todo o wafer. Scanners de litografia de imersão usam uma camada de água ultrapura entre a lente e o wafer para aumentar a resolução. Uma alternativa à fotolitografia é a litografia de nanoimpressão. O tamanho máximo da imagem que pode ser projetada em um wafer é conhecido como limite do retículo.
A imagem para a máscara origina-se de um arquivo de dados computadorizado. Este arquivo de dados é convertido em uma série de polígonos e gravado em um quadrado de substrato de quartzo fundido coberto com uma camada de cromo, utilizando um processo fotolitográfico. Um feixe de laser (escritor de laser) ou um feixe de elétrons (escritor de feixe de elétrons ou e-beam writer) é usado para expor o padrão definido pelo arquivo de dados e percorre a superfície do substrato de forma vetorial ou por varredura matricial (raster). Onde a fotorresina na máscara é exposta, o cromo pode ser removido por ataque químico, deixando um caminho livre para a luz de iluminação no sistema stepper/scanner passar.
A capacidade de projetar uma imagem nítida de um pequeno recurso no wafer é limitada pelo comprimento de onda da luz utilizada e pela capacidade do sistema de lentes de redução em capturar ordens de difração suficientes da máscara iluminada. As ferramentas de fotolitografia de ponta atuais usam luz ultravioleta profunda (DUV) de lasers de excímero com comprimentos de onda de 248 (KrF) e 193 (ArF) nm (a tecnologia de litografia dominante hoje é, portanto, também chamada de "litografia de laser de excímero"), que permitem tamanhos mínimos de recursos de até 50 nm. A litografia de laser de excímero desempenhou, assim, um papel crítico no avanço contínuo da Lei de Moore nos últimos 20 anos (veja abaixo). O tamanho mínimo do recurso que um sistema de projeção pode imprimir é dado aproximadamente por: onde C D {\displaystyle \,CD} é o tamanho mínimo do recurso (também chamado de dimensão crítica, target design rule ou "half-pitch"), λ {\displaystyle \,\lambda } é o comprimento de onda da luz utilizada e N A {\displaystyle \,NA} é a abertura numérica da lente conforme vista do wafer.
Além da resolução, a profundidade de foco (DoF — depth of focus) é outra métrica fundamental em sistemas de litografia. A profundidade de foco é inversamente proporcional ao quadrado da abertura numérica (NA) em sistemas de litografia de projeção. Estruturas periódicas podem ser iluminadas para aumentar grandemente a profundidade de foco, por exemplo, a geração de imagens por dois feixes para um passo (pitch) de linha fixo. Por outro lado, recursos não periódicos, como lacunas entre pontas (tip-to-tip gaps), podem limitar severamente a profundidade de foco, restringindo o quanto podem ser reduzidos; isso efetivamente limita a resolução mais do que o passo mínimo.
Como a luz consiste em fótons, em doses baixas, a qualidade da imagem depende fundamentalmente do número de fótons. Isso afeta o uso da litografia ultravioleta extrema ou EUVL, que é limitada ao uso de doses baixas, da ordem de 20 fótons/nm2. Isso se deve ao menor número de fótons para a mesma dose de energia em um comprimento de onda mais curto (maior energia por fóton). Com menos fótons compondo a imagem, ocorre ruído no posicionamento das bordas. Os efeitos estocásticos tornam-se mais complicados em padrões de passo (pitch) maior, com mais ordens de difração e utilizando mais pontos de origem de iluminação. Elétrons secundários na litografia EUV agravam as características estocásticas.
A fotolitografia tem desafiado as previsões sobre o seu fim há muitos anos. Por exemplo, no início da década de 1980, muitos na indústria de semicondutores passaram a acreditar que recursos menores que 1 mícron não poderiam ser impressos de forma óptica. Técnicas modernas que utilizam a litografia por laser de excímero já imprimem recursos com dimensões que são uma fração do comprimento de onda da luz utilizada — um feito óptico impressionante. Novas técnicas, como a litografia de imersão, fotorresina de tom duplo (*dual-tone resist*) e padronização múltipla (*multiple patterning*), continuam a melhorar a resolução da litografia de 193 nm. Enquanto isso, pesquisas atuais exploram alternativas ao UV convencional, como a litografia por feixe de elétrons, litografia por raios X, litografia ultravioleta extrema e litografia por projeção de íons. A litografia ultravioleta extrema entrou em uso na produção em massa em 2018 pela Samsung e outros fabricantes seguiram o exemplo.
