Fotolithografie

Photolithographie

Photolithographie Die Photolithographie ist ein lithografisches Reproduktionsverfahren, bei dem Muster durch Belichtung auf Materialien aufgebracht werden. Photolithographie - ist eine Gruppe von Prozessen, bei denen die laterale Strukturdefinition durch Prägung eines Bildes in einem strahlungsempfindlichen Lack erreicht wird. Fotolithographie ist ein lithographisches Reproduktionsverfahren, bei dem Bilder durch Belichtung auf ein Material aufgebracht werden.

mw-headline" id="Prozessbeschreibung">Prozessbeschreibung[Edit | < Quellcode bearbeiten]

Für die Fertigung von ICs und anderen Erzeugnissen ist die Fotolithographie eines der wichtigsten Verfahren der Halbleiter- und Mikrosystemtechnik. Die Fotolithographie ist ein zentrales Verfahren zur Fertigung von ICs und anderen Erzeugnissen. Die Aufnahme einer Photomaske wird mittels Belichten auf einen photosensitiven Photoresist überführt. Die freiliegenden Bereiche des Photoresists werden dann gelöst (alternativ können die freiliegenden Bereiche auch gelöst werden, wenn der Photoresist unter Lichteinwirkung aushärtet).

Das Ergebnis ist eine lithographische Schablone, die eine Weiterverarbeitung durch katalytische und physische Verfahren erlaubt, wie z.B. die Einführung von Materialien in die geöffneten Fensterscheiben oder das Eindrücken von Senken unter die geöffneten Fensterscheiben. In einem ersten Schritt wird der Flüssig-Photoresist durch Spin-Coating oder andere geeignete Verfahren auf ein Trägermaterial (Wafer) aufgetragen.

Die Resistschicht wird dann mit einem Ausheizvorgang bei ca. 110 C (Prebake oder Softbake) vorbehandelt, bei dem das Lösemittel und ein großer Teil des enthaltenen Wässers aufbereitet werden, was den Photoresist ausbildet. Es ist jedoch für die chemische Reaktion bei der anschließenden Exposition von Bedeutung, dass nicht das ganze Leitungswasser entsorgt wird und eine gewisse Menge an Rückstandswasser in der Lage bleibt.

Bevor der Photoresist belichtet wird, wird der Halbleiterplättchen zunächst exakt auf das Optiksystem des Belichtungssystems abgestimmt. Das Exponieren selbst kann auf sehr unterschiedlichen Wegen erfolgen. Für die Belichtungstechnik steht eine Reihe von Techniken zur Auswahl (siehe unten), die sich nicht nur in der WellenlÃ?nge des benutzten einschlÃ?gigen Lampenkopfes, sondern auch in der Positon der Masken, der Belichtungssequenz (Flutbelichtung, Verstepper, Scanner,...), der Ausrichtung des Benutzeurs, etc. unterscheidet.

Durch eine fotochemische Umsetzung werden die optischen Qualitäten des Photoresists in den exponierten Stellen geändert - je nach Photoresisttyp wird der Photolack für die verwendete Entwicklungslösung entweder wasserlöslich oder inhärent. Eine nachträgliche Belichtung des Lacks ermöglicht die Streuung der (photo-)chemischen Bestandteile (Glättung der Photoresist-Strukturprofile) und ggf. die Verbesserung der fotochemischen Reaktionen in fotochemisch amplifizierten Resists (CARs).

In einem dritten Schritt wird der Photoresist entwickelt, d.h. die wasserlöslichen Stellen der Beschichtung werden aufgelöst und mit Hilfe einer Entwicklungslösung (z.B. einer schwachen alkalischen TMAH-Lösung) durch Besprühen, Eintauchen oder Abtropfen nass chemisch abgetragen. Danach wird der Waffel mit entionisiertem Leitungswasser abgespült und trocknen zentrifugiert. Dann folgt ein weiterer Temperierschritt (Hard Back, ca. 100 bis 180 C), in dem der nun aufgebaute Photoresist erneut trocknet und ggf. durch eine Vernetzung aufbereitet wird.

Dazu kann neben der Erkennung von Fehlern (eingeschlossene Teilchen, unentwickelte Flächen etc.) auch die Vermessung der Justierung in Bezug auf frühere Prozessschritte (Overlay-Messung, optisches und rasterelektronisches Mikroskop) oder die Strichbreite (CD-Messung; Rasterelektronenmikroskop) gehören. Werden zu viele Fehlstellen erkannt, wird die Lackschicht frühzeitig abgetragen und der ganze Vorgang nachbearbeitet.

Auf diese Weise strukturierte Photoresistschichten sind in der Praxis meist Hilfsstoffe für weitere Verfahren, wie das Atzen von Unterschichten, das Einschleusen von Fremdatomen und das selektive Abscheiden von Werkstoffen (vgl. LIGA und Lift-off). Der Photoresist fungiert als Abdeckschicht, um einzelne Stellen vor dem anschließenden Verfahrensschritt zu schonen.

Die Photoresistmaske wird nach dieser strukturellen Übertragung wieder komplett abgenommen. Die Photoresistschicht kann wahlweise auch nass chemisch gelöst werden. Welche Entfernungsmethode angewendet wird, hängt vom verwendeten Anstrich und dem gesamten Herstellungsverfahren ab: So kann sich der Anstrich beim Trockentrocknen einer darunter liegenden Lage deutlich ändern und ist somit nicht mehr wasserlöslich, oder die verwendeten chemischen Stoffe sind mit anderen Lagen verbunden.

Die Wiederholung dieser Prozesssequenz aus der Produktion der Struktur-Lackschicht und der Übertragung der Struktur auf die unterschiedlichsten Ebenen ist eine der Schlüsseltechnologien bei der Produktion von ICs (umgangssprachlich "Mikrochips"). Ausschlaggebend dafür, wie lange die Mikroprozessortechnik noch den Planungsgrundlagen des "Moore'schen Gesetzes" folgt, ist die Fortentwicklung der Photolithographie und deren Ersetzung durch neue Prozesse.

In der Regel wird der Halbleiter mit einem Adhäsionspromotor wie Hexamethyldisilazan (HMDS) vor dem Auftragen des Photoresists beschichtet, um die Adhäsion der Photoresistschicht zu optimieren. Darüber hinaus werden Hilfsbeschichtungen eingesetzt, um Reflexe und stehende Schwingungen zu reduzieren (Antireflexbeschichtung), die Planheit der Oberflächen zu erhöhen (bessere Steuerung der Schichthomogenität) oder den Photoresist in der Immersionslithographie zu schützen.

Die Hintergrundfarbe ist, dass während der Exposition Resistrückstände oder andere Teilchen zwischen dem Halbleiterplättchen und dem Spannfutter aufliegen und zu einer örtlichen Vergrößerung der Halbleiteroberfläche oder Ablenkung des Halbleiterplättchens mitführen. Das kann durch die Kantenresistentfernung, d.h. die lokale Verwässerung des Photoresists (die verwässerten Teile werden durch die Zentrifugalkraft vom Siliziumwafer weggeworfen) erzielt werden.

Darüber hinaus kann die homogene und stabile Zusammensetzung des Photoresists am Rand der Schicht durch Breitbandbelichtung der Kanten erhöht werden. Es findet unmittelbar nach der Lackierung und dem "Soft-Bake" des Photoresists statt. Für die Darstellung des photolithografischen Abbildes sind unterschiedliche Erscheinungsformen des lithographischen Abbildes zu unterscheiden. Es wird die Bildentwicklung von der Photomaske zur entstandenen Schichtstruktur im Photoresist beschrieben.

Im Rahmen der Optiklithographie wird die Textur einer Photomaske durch Schattenwerfen oder Projizieren in einen photosensitiven Photoresist überführt. Die Auflösung, d.h. die Eigenschaft des Optiksystems, kleinste Gebilde im Photoresist darzustellen, wird im wesentlichen durch die Wellenlänge des eingesetzten Lichts und die Eigenschaft des Gesamtsystems festgelegt, genügend Diffraktionsordnungen der Messmaske zu erfassen.

hier ist der CD{\displaystyle {\text{CD}}} die entscheidende Dimension, d.h. die kleinstmögliche bebilderbare Strichbreite (oft als minimale Featuregröße oder kritische Dimension bezeichnet), hier ist der jüngste Baustein ein vom Bild- und Beschichtungssystem abhängiger Einflussfaktor, was in der Fertigung in etwa der Wert 0,4 ist, ?{\displaystil \lambda ist } die Wellenlängen des verwendeten Lichtes und NA{\displaystil {\text{NA}}} die numerische Apertur und die numerische Apertur der letzen Optik vor dem Scheiben.

In den vergangenen Jahren wurden viele Optimierungen in photolithographischen Prozessen (Beschichtungschemie, etc.) vorgenommen, die den k1-Faktor für die aktuellen Spitzenprodukte von ca. 0,8 auf 0,38[3] gesenkt haben (theoretisches Mindestmaß ist 0,25[3]). Dank dieser Optimierungen können auch heute (2016) Strukturgrößen unter 22 nm gelöst werden - weitere Reduktionen sind durch den gezielten Verwendung von Immersionsfluiden ( "Immersionslithographie") und noch kürzere Spektralbereiche möglich.

Eine große Tiefenschärfe ist für die bestmögliche Wiedergabe in einem endlichen Lasurlack erwünscht. Darüber hinaus werden heute für die Belichter kritischer Schichten, d.h. die Produktion kleinster Struktur in integrierten Schaltungen, wie z.B. der Gate-Kontakt oder die ersten Metallschichten, verschiedene Verfahren zur Verbesserung der Auflösung und Bildtreue verwendet.

Mit diesen Verfahren können auch wesentlich geringere Gefügebreiten unterhalb der Diffraktionsgrenze erzeugt werden, z.B. 65 Nanometer mit einem ArF-Excimerlaser von 193 Nanometern, oder 28 Nanometer, wenn auch ein Immersionsmedium verwendet wird. Fehler sind eines der wichtigsten Merkmale zur Bewertung der Bildqualität eines photolithografischen Vorgangs. Hauptursachen für Mängel sind Fremdpartikel aus der Umwelt oder aus früheren Verfahren sowie Inhomogenitäten der Schichtdicke des Photoresists.

Zu den möglichen Fehlern gehören auch die mechanischen Schäden an der Schutzmaske oder den Wafern, die insbesondere bei Kontaktbelastung entstehen können. Zusätzlich zur Detektion von Fehlern auf dem Halbleiterscheibe ist die Detektion und Beseitigung von Fehlern auf der Photomaske von besonderer Bedeutung. Der Grund dafür ist, dass das Expositionsfeld einer Photomaske das Raster von ca. 2 bis 6 Chipflächen enthält (Step-and-Repeat-Exposition).

In vielen Fällen würde daher ein Fehler auf der Photomaske auf dem Halbleiter auf den Halbleiter abgebildet und damit die Produktionsausbeute deutlich reduziert. Umweltpartikel sind zumeist natürlich auftretende Staubpartikel in der umwelt. So können sie sich z. B. auf der Photomaske oder auf der Unterseite der aufgebrachten Photoresistschicht ablagern und zu einer weiteren Maskierung der Maske mitführen.

Wie bei örtlichen Fehlern in der Fotomaske (z.B. Chromrückstände oder zu viel abgetragenes Chrom) sind Bildgebungsfehler die Folgen. Deshalb erfolgt die Exposition und das komplette Handling der Photomasken und Waffeln in einer reinraumtauglichen Atmosphäre mit deutlich geringerer Staubbelastung. Weil solche Partikeln in dieser Atmosphäre nicht vollständig verhindert werden können, wird die Schutzmaske regelmässig auf Fehler überprüft und bei Bedarf mit reiner Atemluft abblasen.

Darüber hinaus wird die Strukturseite der Photomaske durch ein so genanntes Pellicle abgedeckt. Eine Folie ist eine lichtdurchlässige Schutzfolien, die in einem Abstand von wenigen Zentimetern über dem Bildfeld der Photomaske gestreckt wird. Es wurde entwickelt, um zu vermeiden, dass Teilchen in den dünnen Rillen der Schablone stecken bleiben. Nebst den maskierend wirkenden Teilchen sind Teilchen auf der Rückseite des Wafers oder auf dem Waferträger eine weitere Fehlerursache für Imaging-Fehler.

Zu den Ursachen solcher Teilchen können frühere Verfahren gehören, wie z. B. Teilchen, die während einer CVD-Beschichtung entstehen und an der Rückseite des Wafers haften. Fehler in der Beschichtungsschicht können einerseits allgemeine Schwankungen der Beschichtungsdicke vom Sollwert sein, andererseits örtliche Ungleichmäßigkeiten durch Partikeln und können z.B. durch Beschichtungsprobleme entstehen.

Globale Unterschiede in der Schichtdicke können z.B. durch fehlerhafte Verfahrensparameter oder Veränderungen in den Beschichtungseigenschaften hervorgerufen werden. Örtliche Unterschiede in der Schichtdicke werden z.B. durch Partikeln auf dem Substrat hervorgerufen, die die homogene Schichtverteilung beeinträchtigen und in der Praxis zu einem Fehler mit kometenhaftem Erscheinungsbild führen. Für die Fehlererkennung werden sowohl optisch als auch rasterelektronenmikroskopisch Methoden verwendet.

Zum Beispiel wird der lackierte und verarbeitete Halbleiter mit einer optischen Inspektion versehen und voll automatisch mit einem Vergleichsbild abgeglichen. Dies liegt vor allem daran, dass der Ionenstrahl den Anstrich in chemischer Hinsicht ändert und damit Einfluss auf die dargestellte Konstruktion hat.

Im Produktionsbereich wird der Abgleich in der Regel mit den Messdaten einer Vergleichsmessung oder mit einem angrenzenden selben Span auf der selben Photomaske durchgeführt. Dabei wird die Photomaske in direktem Zusammenhang mit dem Siliziumwafer stehen. Ein Nachteil ist jedoch, dass die Schutzmaske oder der auf den Halbleiter aufgetragene Photoresist durch den Kontaktaufbau geschädigt werden kann, z.B. wenn zwischen beiden ein Staukorn liegt.

Darüber hinaus werden sowohl Fehler (z.B. Kontamination der Maske) als auch die gewünschten Oberflächenstrukturen 1:1 auf den Photoresist transferiert, was zu schwerwiegenden Fehlersituationen wie z. B. einem Kurzschluss auf dem Halbleiterplättchen des Wafers führt. In dieser Belichtungsart wird die Messmaske über dem Photoresist mit einem Näherungsabstand von etwa 10-50 Mikrometer platziert.

Diese Distanz dient dazu, den Lack und die Maskierung vor Beschädigungen zu bewahren. Beim Projektionsbelichten wird die Photomaske nicht im 1:1-Bereich im Lack abgebilbert, wie es natürlich bei Kontakt- und Nahaufnahmen der Fall ist, sondern die Abdrücke werden durch ein Linsensystem reduziert (typischerweise im 5:1 oder 4:1-Bereich). Von großem Nutzen ist, dass auch die auf der Messmaske abgesetzten Teilchen kleiner werden und somit weniger Einfluß auf die entstehenden Gebilde haben.

Weil die Darstellung einer Schablone nicht den gesamten Scheibenbereich auf diese Art und Weise bedecken kann, werden die Scheiben mit hochpräziser Mechanik (z.B. Piezo-Linearantrieb) verschoben und so platziert, dass die Bilder der Schablone auf einem Gitter mit engsten Toleranzgrenzen ruhen (sog. Step-and-Repeat-Verfahren, die dafür verwendete Vorrichtung wird auch "Waferstepper" genannt).

Aufgrund der begrenzten Tiefenschärfe der Abbildungsoptik können mit diesem Verfahren nur Dünnfotolacke bestrahlt werden, während Kontakt- und Nahbelichtungen auch für die Lithographie in Dicklacken verwendet werden können (ein Extrembeispiel ist der SU-8 Dicklacken). Zur Herstellung tieferer Schichten (genauer: Schichten mit hohem Aspektverhältnis, d.h. Schichten, die tief als weit sind) ab der Projektionsaufnahme wird der (dünne) Photoresist auf eine dickere Materialschicht aufgetragen, die nach der Ent nahme antiisotrop anätzen kann.

Bei den anisotropen Ätzprozessen handelt es sich z.B. um reaktives Ionisieren oder um Ionenverdünnung. Die Exposition zwischen der Projektionslinse und dem Photoresist ist jedoch nicht reine Atemluft, sondern ein Flüssigmedium. Auf diese Weise können Sie kleine Konstruktionen anlegen. Immerhin werden zum Teil andere Verfahren und Belichtungsmethoden eingesetzt, die es ermöglichen, auch kleine Gebilde im Photoresist abzubilden.

Ein Beispiel dafür ist der Doppelbelichtungs- und Doppelstrukturierungsprozess, bei dem ein Halbleiterwafer doppelt belegt wird. Für diesen Vorgang ist die Positionierungsgenauigkeit des Waferschrittmachers ausreichend, aber die mehrfache Belichterung erhöht die Durchlaufzeit. Unter anderem sollten sie eine verbesserte Adaption an das Objektivsystem erlauben (z.B. ist es eines der Hauptziele, die numerische Apertur weiter zu erhöhen).

Grauton-Lithographie wurde mit dem Bestreben konzipiert, nach der Entwicklungsphase eine erwünschte Lacktopographie zu erreichen und damit neue Anwendungsgebiete im Umfeld der Mikroreaktionstechnik zu erschließen, zum Beispiel für die Erzeugung von 3D-Strukturen[6]. Dies ist ein neuartiges Verfahren in der Photolithographie, das in der Regel die Produktion von Binärstrukturen beinhaltet, d.h. solche, die aus fernen und unverändert gebliebenen Regionen bestehen.

Zur Oberflächentopographie wird eine Lateralvariation der Bestrahlungsdosis unter Verwendung der monotonen, aber nichtlinearen Entstehungsrate der Bestrahlung von realen Photoresisten durchgeführt. Einen ähnlichen Einfluss kann man auch durch die Regelung der Einwirkzeit für dicke Resistschichten, d.h. Schichtdicken über 5 µm, d.h. weit über der Penetrationstiefe der eingesetzten UV-Strahlung von 1-2 µm-1 erzielen.

Hier wird genutzt, dass der Resist nach der Exposition eine deutlich niedrigere Absorbierung für die eingesetzte UV-Strahlung aufzeigt. 7] Nach der Ent-wicklung kann die Photoresiststruktur z.B. durch hochanisotrope Trockenätzverfahren auf die darunter liegende Funktionsschicht transferiert werden. In diesem oder einem nachfolgenden Teil dieses Artikels sind keine ausreichenden Belege (z.B. Einzelnachweise) enthalten.

In niedrigeren Auflösungen wird lineares Absorptionsverhalten eingesetzt und ein latente Abbildung im Photoresist durch ein Raster- oder Scanverfahren erzeugt. Der Ursprung der Photolithographie als Methode der Halbleitertechnologie liegt in der Drucktechnik gleichen Namens, einer der Ã?ltesten photometrischen Methoden. Mit dieser 1822 vom Franzosen Niépce zum ersten Mal verwendeten Technologie kann ein fotografisches Negativ (z.B. eine transparente Zeichnung) auf den lithografischen Stein übertragen werden.

Der freiliegende Gestein wurde mit Äther erschlossen, und es entstand ein gutes Bitumenbild, das sich farbig zeigte und auf das Material übertragbar war. 10 ] Diese Technologie, aus der der Begriff der Photolithographie, d.h. "Zeichnen mit Strom auf Stein", hervorgeht, wurde 1955 von Jules Andrus und Walter L. Bond (Bell Labs) für die Texturierung von gedruckten Schaltungen und Halbleiterscheiben angepasst.

11 ] Seitdem wurden viele Neuerungen vorgenommen, wie z.B. Leuchtmittel mit brillanteren und kurzwelligen Strahlungen, Photoresists, etc. Wesentliche Treiber für die kontinuierliche Optimierung der Photolithographie und die Schaffung hinreichend guter bildgebender Verfahren für die weitere Erschließung der Mechatronik zu immer kleiner werdenden Baugrößen waren in der jüngeren Zeit der Einsatz von kürzerwelligem Lithographielicht, die Optimierung von Lithografiesystemen im Spektralbereich der Beleuchtungs- und Projektionsobjektive und die Fortentwicklung von Photoresisten sowie die Erforschung von neuartigen Bestrahlungstechniken zur Beugungskorrektur und Nutzbarmachung von Diffraktometrie.

12 ][13] Sie wird heute noch als Standard verwendet und erlaubt die Produktion kleinster Struktur für den 45 nm Technologieknoten ("trocken") oder die 28 nm Planartechnik und die 22 nm FinFET-Technik mittels Immersionslithographie. Seitdem sich dieser Punkt seit Jahren in Richtung kleinerer Gefügegrößen verlagert hat und das grundsätzliche Problem seit langem bekannt ist, werden seit den 90er Jahren alternative Lithographieverfahren erforscht, die die optische Photolithographie ersetzen können.

Methode auf Basis einer elektromagnetischen Bestrahlung mit noch kürzeren Wellenlängen, z.B. EUV und Röntgenlithographie. Allerdings erfordern sie ganz andere optoelektronische Prozesse und Werkstoffe als die heute in der Wirtschaft üblichen photolithographischen Prozesse. Grauton-Lithographie mit Fotolack.

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