Fotolitografi: En Nyckelteknik Bakom Högteknologiska Produkter

I dagens digitala tidsålder är vårt liv fyllt med elektroniska enheter som mobiltelefoner, datorer och TV-apparater. Men har du någonsin funderat över hur dessa avancerade produkter faktiskt tillverkas? Här kommer vi att utforska en avgörande teknik som möjliggör tillverkningen av dessa enheter – fotolitografi.

Vad är Fotolitografi?

Fotolitografi är en process som överför mönster från en fotomask till ytan av en kiselwafer med hjälp av ljus. Namnet härstammar från grekiska ord: “photo” (ljus), “litho” (sten), och “graphene” (skriva). Med andra ord, det är att skriva med ljus. Denna teknik gör det möjligt att skapa extremt små komponenter som är osynliga för blotta ögat.

Alphonse Poitevin: Skaparen av Fotolitografi

Alphonse Poitevin var mannen bakom uppfinningen av fotolitografi, som han skapade redan 1855. Poitevin kombinerade ljus med lithografi för att skapa denna banbrytande teknik som fortfarande används i modern mikrotillverkning.

Processen Bakom Fotolitografi

Fotolitografi är en komplex process som involverar flera steg och olika verktyg och kemikalier. Här är en översikt över hur det fungerar:

Förbehandling av Kiselwafer: Kiselwafern behandlas kemiskt med väteperoxid (H₂O₂) för att ta bort eventuell förorening som kan finnas på kiselwaferns yta.
Applicering av Fotolack som Maskeringsfilm: Ett tunt lager av fotolack appliceras på ytan av kiselwafern för att fungera som en maskeringsfilm.
Applicering av Fotoresist: Hexametylendiacyl (HMDs) (kemisk formel: C₁₂H₁₈O₄) appliceras på kiselwafern för att förbättra vidhäftningen av fotoresist till vågen.
Beläggning av Fotoresist: Fotoresisten appliceras jämnt på kiselwafern genom spin-beläggning.
Exponering av Ljus: En mask som liknar den önskade kretsmönstret hålls över den belagda kiselwafern med fotoresist. UV-ljus används för att exponera fotoresisten genom masken.
Användning av Fotoresist: Används för att tvätta bort vissa områden av fotoresisten och skapa det önskade mönstret.
Ätning av Substrat: Ett kemiskt medel används för att ta bort det övre lagret av substratet i områden som inte skyddas av fotoresisten.
Avlägsnande av Överskott Fotoresist: Överskottet av fotoresist avlägsnas med hjälp av en flytande resistborttagare.
Avsättning av Kiseloxid: Kiseloxid (kemisk formel: SiO₂) deponeras på kiselwafern för att täcka eventuella områden som kan ha ändrats under rengöringsprocessen.
Upprepning av Processen: Processen upprepas för att skapa olika skikt och geometrier för att slutföra kretsdesignen.

“Resist remover” eller “Resist stripper”

En produkt som används för att avlägsna överskott av fotoresist kallas ofta “resist remover” eller “resist stripper” på engelska. På svenska kan den kallas “resistborttagningsvätska” eller “resistborttagningsmedel.”
Resistborttagningsvätskor innehåller oftast kemikalier som är effektiva för att avlägsna fotoresisten från ett substrat. De vanligaste kemikalierna som används i dessa vätskor inkluderar:
- Natriumhydroxid (NaOH): Natriumhydroxid, även kallat kaustiksoda, används ofta för att bryta ned fotoresisten och avlägsna den från substratet.
- Diaminometan (DMA): Diaminometan är en annan kemikalie som kan användas för att lösa upp och avlägsna fotoresist.
- Propylenglykolmonometyleteracetat (PGMEA): PGMEA är en organisk förening som också kan användas som en resistborttagningsvätska i vissa processer.
- N-Metyl-2-pyrrolidon (NMP): NMP är en lösningsmedelsliknande förening som ibland används för att lösa upp och ta bort fotoresist.
- Dimetylsulfoxid (DMSO): DMSO är en annan kemikalie som kan användas för att lösa upp fotoresisten.

För ätning av substrat

Den kemiska föreningen som vanligtvis används för detta ändamål är oftast en syra. Följande är några av de syror som kan användas i denna process:

Väteklorid (HCl): Väteklorid, även känt som saltsyra, används ibland för att etsa substratet. Det är en stark syra som kan reagera med och ta bort det övre lagret av materialet.
Fluorvätesyra (HF): Fluorvätesyra används i vissa processer för att etsa kiselbaserade material, eftersom den är effektiv på att ta bort kiseloxid.
Svavelsyra (H₂SO₄): Svavelsyra är en annan stark syra som kan användas i ätprocesser för att avlägsna substratmaterial.

Utvecklingen av Fotolitografi

Fotolitografi har utvecklats avsevärt sedan Alphonse Poitevin först skapade det. De viktigaste förbättringarna har att göra med upplösningen och ljuskällan:
Tidigare användes en kvicksilverånglampa med en våglängd av 365 nanometer som ljuskälla. Nu används fluoridebaserade laser med kortare våglängd, vilket ger högre upplösning.
Enligt Moores lag fördubblas antalet transistorer i en given yta varannan år. Detta är möjligt tack vare den ökade upplösningen som fotolitografi erbjuder.

Numerisk Apertur och Ljuskälla

Numerisk apertur (NA) är ett mått på ett optiskt systems förmåga att samla in ljus och bestäms av brytningsindex och den maximala halvriktningen för kollimerat ljus.

Här är en förklaring av de olika delarna av formeln i enklare termer:
Numerisk apertur (NA): Numerisk apertur är ett värde som berättar hur bra ett optiskt system kan samla in ljus. Ju högre numerisk apertur, desto bättre är systemet på att fånga ljus och producera skarpa bilder.
Brytningsindex: Brytningsindex är ett mått på hur snabbt ljus färdas genom ett medium. Om brytningsindexet är högt, färdas ljuset långsammare. Numerisk apertur tar hänsyn till detta värde för att beräkna systemets förmåga att samla in ljus.
Maximal halvriktning för kollimerat ljus: Detta är vinkeln vid vilken ljuset kan komma in i det optiska systemet och ändå vara användbart för att producera en skarp bild. Ju större denna vinkel är, desto mer ljus kan systemet samla in.
Ljuskällan är en annan kritisk faktor. Ljusets våglängd påverkar upplösningen; kortare våglängder ger högre upplösning.
- Tidigare användes ofta kvicksilverbåglampor med en våglängd på 365 nanometer (nm) som standardljuskälla för UV-exponering inom mikroelektronikindustrin. Denna våglängd användes för att skapa mönster med rimlig upplösning för många applikationer.
- Numera används fluoridebaserade UV-laserkällor med kortare våglängder, särskilt excimerlaser med våglängder som sträcker sig från ultraviolett (UV) till extremt ultraviolett (EUV), för att uppnå ännu högre upplösning och för att möjliggöra tillverkning av mer komplexa och detaljerade mikroelektroniska enheter. Dessa kortare våglängder, ofta inom området 193 nm (som används i ArF excimerlaser), 157 nm (F2 excimerlaser), och ännu kortare våglängder, möjliggör skapandet av mycket fina strukturer och mönster som krävs för avancerade halvledartillverkningsprocesser.
  - ArF (Argon Fluoride) Excimer Laser: ArF är en typ av excimerlaser med en våglängd på 193 nanometer (nm). Den används inom halvledartillverkning för att exponera fotoresisten med extremt korta våglängder, vilket möjliggör hög upplösning och detaljerade mönster som krävs för moderna mikroelektroniska kretsar.
  - F2 (Fluorine) Excimer Laser: F2 excimerlaser har en ännu kortare våglängd än ArF, med en våglängd på 157 nanometer (nm). Den används i den senaste generationen av mikroelektronikproduktion, särskilt inom EUV (extremt ultraviolett) lithography, och möjliggör ännu högre upplösning och förmågan att skriva extremt små strukturer på halvledarchip.

Moores Lag och Transistorer

Moores lag är en viktig drivkraft för halvledarindustrin. Den säger att antalet transistorer som kan rymmas inom en given yta fördubblas ungefär varannan år. Detta är möjligt tack vare ökad upplösning inom fotolitografi. Med mindre komponenter kan fler transistorer integreras på en kiselplatta, vilket leder till kraftfullare datorer och avancerad teknologi.

Kritiska Dimensioner

Inom modern fotolitografi är de kritiska dimensionerna av stor vikt. Detta är den maximala avståndet mellan grindarna på transistorernas komponenter. Idag är standarden en kritisk dimension på 14 nanometer, vilket visar hur små och precist fotolitografin kan skapa komponenterna.

ASML: Ledande inom Fotolitografi inom Halvledarindustrin.

ASML: ASML Holding N.V. är ett nederländskt företag med huvudkontor i Veldhoven, Nederländerna. ASML är en ledande leverantör av fotolitografiequipment som används inom halvledartillverkningsindustrin. De producerar avancerade maskiner som används för att tillverka integrerade kretsar (IC), inklusive de som används i mikroprocessorer och minneskretsar.

Avslutning

Fotolitografi är en avgörande teknik som möjliggör tillverkningen av små och kraftfulla elektroniska enheter. Från Alphonse Poitevins tidiga insatser 1855 har fotolitografin utvecklats och förfinats för att möta dagens högteknologiska behov. Denna teknik fortsätter att vara en grundläggande byggsten inom elektronikindustrin och möjliggör konstanta framsteg inom mikroelektronikens värld.

Läs Stäng