In früheren Artikeln haben wir die Waferherstellung, Oxidationsprozesse und einen Teil der Geschichte integrierter Schaltkreise vorgestellt. Lassen Sie uns nun den Fotolithographieprozess weiter erforschen, der die elektronischen Schaltkreismuster auf den Wafer überträgt. Die Fotolithographie ähnelt dem Fotografieren mit einer Filmkamera, aber wie funktioniert sie genau?

Fotolithographie, ähnlich der Entwicklung von Schwarzweißfotos

Die Fotolithographie, allgemein als „Foto“ bezeichnet, ist nach ihrem Verfahren benannt, bei dem Schaltungsentwürfe auf Wafer übertragen werden, indem die Muster durch eine Fotomaske belichtet werden. Das Erstellen von Replikaten auf Wafern ähnelt der Entwicklung von Schwarzweißfilmen auf lichtempfindlichem Papier.

Da die Schaltungsstrukturen immer dichter werden, müssen auch Chipkomponenten mithilfe hochpräziser nanoskaliger Prozesse reduziert werden. Die Herstellung dieser feineren Schaltkreismuster hängt stark vom Fotolithographieprozess ab. Da Chips immer kleiner werden, sind daher hohe Präzision und fortschrittliche Fotolithografietechnologie unerlässlich.

Vorbereitung zum Zeichnen von Schaltkreismustern auf Wafern

Schauen wir uns den Fotolithographieprozess genauer an. Der erste Schritt besteht darin, mithilfe einer Computer-Aided-Design-Software (EDA) die Schaltkreismuster zu entwerfen, die auf dem Wafer gezeichnet werden sollen. Auf der Grundlage dieses elektronischen Schaltkreismusters erstellen Ingenieure ein präzise entworfenes Layout, das den Integrationsgrad des Halbleiterchips bestimmt.

Erstellen von Fotomasken, die ähnlich wie Fotonegative funktionieren

Unter Verwendung von Chrom (Cr) werden die Mikroschaltungen auf ein Glassubstrat aus hochreinem Quarz übertragen, um die Fotomaske zu erzeugen, die das Schaltungsdesign darstellt. Die Fotomaske, auch Retikel genannt, funktioniert wie ein Fotofilm und spiegelt die Schaltkreismuster wider. Um feinere Muster zu erzielen, wird die Fotomaske deutlich größer als die Abmessungen des Schaltkreises ausgelegt und dann mithilfe einer Linsenoptik optisch auf den Wafer geschrumpft.

Der Fotolithographieprozess umfasst die Beschichtungs-, Belichtungs- und Entwicklungsschritte.

1. Beschichtung: Eine Schicht Fotolack (PR) wird auf die Oberfläche des Wafers aufgetragen.

Nach Abschluss der Vorbereitung besteht der nächste Schritt darin, Muster auf den Wafer zu zeichnen. Zunächst wird eine lichtempfindliche Schicht Fotolack (PR) gleichmäßig auf die Oberfläche des Wafers aufgetragen. Dadurch fungiert der Wafer als lichtempfindliches Papier, das bei der Entwicklung von Fotos verwendet wird. Die Fotolackschicht muss dünn und gleichmäßig sowie hochempfindlich gegenüber ultraviolettem Licht sein, um hochwertige und präzise Schaltkreismuster zu erzeugen.

2. Belichtung: Die Schaltkreismuster werden mit Licht auf den Wafer gezeichnet.

Mittels eines Steppers wird der Schaltungsentwurf auf der Fotomaske projiziert und mittels ultraviolettem Licht auf den mit Fotolack beschichteten Wafer übertragen. Dieser Vorgang wird als „Step-and-Repeat-Belichtung“ bezeichnet. Aufgrund der hohen Präzision, die für Halbleiterchips erforderlich ist, ist der Belichtungsbereich wählbar und präzise steuerbar.

3. Entwicklung: Durch den Entwicklungsprozess werden Schaltkreismuster gebildet.

Der letzte Schritt des Fotolithographieprozesses wird als Entwicklung bezeichnet und ähnelt dem Prozess der Entwicklung eines Fotos. Dieser Schritt ist entscheidend, da er die endgültige Form der Schaltkreismuster auf dem Wafer bestimmt. Während die Entwicklerlösung auf den Wafer gesprüht wird, werden bestimmte Bereiche selektiv entfernt, um das gewünschte Muster zu erzeugen.

Der Fotolack kann je nach seiner Reaktion auf Licht entweder positiv oder negativ sein. Wenn ein positiver Fotolack verwendet wird, werden die dem Licht ausgesetzten (belichteten) Bereiche während der Entwicklung entfernt und die unbelichteten Bereiche bleiben zurück. Wenn umgekehrt ein negativer Fotolack verwendet wird, tritt das Gegenteil ein.

Sobald der Entwicklungsschritt abgeschlossen ist, ist der Fotolithographieprozess abgeschlossen. Zur sorgfältigen Untersuchung des Wafers werden verschiedene Instrumente, darunter optische Mikroskope, eingesetzt. Nur Wafer, die alle Prüfungen bestehen, gelangen zum nächsten Schritt.

In diesem Artikel haben wir den Fotolithographieprozess vorgestellt, bei dem präzise Schaltungsentwürfe auf den Wafer projiziert werden. Seien Sie gespannt auf den nächsten Teil dieser Serie, in dem wir lernen, wie man unnötige Materialien durch den Ätzprozess selektiv entfernt, um die gewünschten Schaltkreismuster auf dem Wafer zu erzeugen.