In eerdere artikelen introduceerden we de fabricage van wafels, oxidatieprocessen en een gedeeltelijke geschiedenis van geïntegreerde schakelingen. Laten we nu verder gaan met het verkennen van het fotolithografieproces, waarbij de elektronische circuitpatronen op de wafer worden overgebracht. Fotolithografie is vergelijkbaar met fotograferen met een filmcamera, maar hoe werkt het precies?

Fotolithografie, vergelijkbaar met het ontwikkelen van zwart-witfoto's

Fotolithografie, gewoonlijk "foto" genoemd, is genoemd naar het proces waarbij circuitontwerpen op wafers worden overgebracht door de patronen via een fotomasker te belichten. Het maken van replica's op wafers is vergelijkbaar met het ontwikkelen van zwart-witfilms op lichtgevoelig papier.

Naarmate circuitpatronen steeds dichter worden, moeten chipcomponenten ook worden verminderd met behulp van uiterst nauwkeurige processen op nanoschaal. Het produceren van deze fijnere circuitpatronen is sterk afhankelijk van het fotolithografieproces. Omdat chips kleiner worden, zijn hoge precisie en geavanceerde fotolithografietechnologie essentieel.

Voorbereiden om circuitpatronen op wafers te tekenen

Laten we het fotolithografieproces eens nader bekijken. De eerste stap is het gebruik van computerondersteunde ontwerpsoftware (EDA) om de circuitpatronen te ontwerpen die op de wafer moeten worden getekend. Op het canvas van dit elektronische circuitpatroon zullen ingenieurs een nauwkeurig ontworpen lay-out creëren die het integratieniveau van de halfgeleiderchip bepaalt.

Fotomaskers maken die op dezelfde manier functioneren als fotonegatieven

Met behulp van chroom (Cr) worden de microcircuits overgebracht op een glassubstraat gemaakt van ultrazuiver kwarts om het fotomasker te creëren dat het circuitontwerp vertegenwoordigt. Het fotomasker, ook wel dradenkruis genoemd, functioneert als fotografische film en weerspiegelt de circuitpatronen. Om fijnere patronen te verkrijgen, is het fotomasker ontworpen om veel groter te zijn dan de afmetingen van het circuit en vervolgens optisch op de wafer gekrompen met behulp van lensoptiek.

Het fotolithografieproces omvat coating-, belichtings- en ontwikkelingsfasen.

1. Coating: Er wordt een laag fotoresist (PR) op het oppervlak van de wafer aangebracht.

Nu de voorbereiding is voltooid, is de volgende stap het tekenen van patronen op de wafel. Eerst wordt een laag fotoresist (PR) die gevoelig is voor licht gelijkmatig op het oppervlak van de wafer aangebracht. Hierdoor fungeert de wafer als lichtgevoelig papier dat wordt gebruikt bij het ontwikkelen van foto's. De fotoresistlaag moet dun en uniform zijn, maar ook zeer gevoelig voor ultraviolet licht om hoogwaardige en nauwkeurige circuitpatronen te produceren.

2. Belichting: De circuitpatronen worden met behulp van licht op de wafer getekend.

Door gebruik te maken van een stepper wordt het circuitontwerp op het fotomasker geprojecteerd en overgebracht op de wafer die is bedekt met fotoresist met behulp van ultraviolet licht. Dit proces wordt 'stap-en-herhaalblootstelling' genoemd. Vanwege de hoge nauwkeurigheid die vereist is voor halfgeleiderchips, is het belichtingsgebied selecteerbaar en nauwkeurig geregeld.

3. Ontwikkeling: Tijdens het ontwikkelingsproces worden circuitpatronen gevormd.

De laatste stap van het fotolithografieproces wordt ontwikkeling genoemd, wat vergelijkbaar is met het proces van het ontwikkelen van een foto. Deze stap is cruciaal omdat deze de uiteindelijke vorm van de circuitpatronen op de wafer bepaalt. Terwijl de ontwikkelaaroplossing op de wafel wordt gespoten, vindt selectieve verwijdering van bepaalde gebieden plaats om het gewenste patroon te creëren.

De fotoresist kan positief of negatief zijn, afhankelijk van de reactie op licht. Als een positieve fotoresist wordt gebruikt, worden de aan licht blootgestelde (belichte) gebieden tijdens de ontwikkeling verwijderd, waardoor de niet-belichte gebieden achterblijven. Omgekeerd, als een negatieve fotoresist wordt gebruikt, gebeurt het tegenovergestelde.

Zodra de ontwikkelingsstap is voltooid, is het fotolithografieproces voltooid. Er worden verschillende instrumenten, waaronder optische microscopen, gebruikt om de wafer zorgvuldig te inspecteren. Alleen wafers die alle inspecties doorstaan, gaan door naar de volgende stap.

In dit artikel hebben we het fotolithografieproces geïntroduceerd, waarbij nauwkeurige circuitontwerpen op de wafer worden geprojecteerd. Houd ons in de gaten voor het volgende deel van deze serie, waar we zullen leren hoe we selectief onnodige materialen kunnen verwijderen via het etsproces om de gewenste circuitpatronen op de wafer te creëren.