Photolithographie

La photolithographie, dans le cas des semi-conducteurs, sert à désigner la totalité des opérations servant à délimiter l'extension latérale des matériaux sur la surface d'un substrat semiconducteur, dont la structure est plus ou moins bidimensionnelle...



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  • La photolithographie fait partie des procédés servant à transférer le motif d'un masque sur un substrat qui est le plus fréquemment une plaquette de silicium mais peut être... Le substrat est ensuite chauffé pour solidifier la résine.... (source : www-iness.c-strasbourg)
  • La photolithographie se compose de 5 opérations :... d'un cycle lent permettant d'étaler soigneusement la résine sur la plaque (ou substrat), puis... Placer la plaque au centre du porte- substrat (chuck) et déposer au centre de la... (source : cmi.epfl)
  • Les parties du substrat qui restent recouvertes de résine sont alors... Le masque est le plus souvent constitué d'une plaque de verre recouverte d'une fine couche... la résolution optimale de nos procédés de photolithographie est de 0.8 µm.... (source : gel.usherbrooke)

La photolithographie, dans le cas des semi-conducteurs, sert à désigner la totalité des opérations servant à délimiter l'extension latérale des matériaux sur la surface d'un substrat semiconducteur, dont la structure est plus ou moins bidimensionnelle car basée sur l'empilement de couches à la surface d'une plaquette de silicium. Les motifs deviendront ensuite les différentes zones actives des composants électroniques (exemple : contact, drain... ) ou les jonctions entre ces composants.

Introduction

Les composants micro-électroniques, aujourd'hui omniprésents, ont vu leur évolution prendre son essor avec la mise au point de techniques de fabrication servant à diminuer sans cesse leur taille, surtout grâce à la photolithogravure, qui est aujourd'hui le procédé le plus commun. Ce n'est qu'à ce prix qu'il est actuellement envisageable de concentrer dans quelques millimètres carrés les centaines de composants élémentaires nécessaires au fonctionnement des appareils électroniques des plus courants aux plus particulièrement élaborés.

La fabrication des composants micro-électroniques repose sur la plupart de techniques, dont la complémentarité permet au final l'obtention de composants utilisables tels que les diodes, les transistors, ou encore les puces qui ne sont en fait qu'un assemblage de ces composants élémentaires.

La principale technique mise en œuvre s'appelle la lithographie qui littéralement veut dire «écriture sur pierre». Son origine remonte à une ancienne méthode d'impression en noir et blanc à partir d'une pierre calcaire sur laquelle est reporté un motif (à l'envers) avec une encre, motif qui sera ensuite transféré par contact sur le support à imprimer. On retrouve la plupart de dérivés de cette méthode dans les procédés d'imprimerie. Mais plus récemment un procédé de ce type a été appliqué à la fabrication de semi-conducteurs, c'est la photolithographie.

Photolithographie : matériaux et procédés

Généralités et terminologie

Les étapes du procédé de photolithographie, débutent par l'application d'une photorésine sous forme d'un film fin sur la surface d'un substrat (ex : silicium ou oxyde de silicium). Elle est ensuite exposée à une radiation lumineuse. Lors de cette étape l'utilisation d'un masque, constitué de zones opaques et transparentes, sert à définir le motif qu'on souhaite reproduire sur la plaquette.

Préparation des substrats

Les principaux matériaux utilisés pour la fabrication de composants microélectroniques sont choisis pour leurs propriétés intrinsèques. En premier lieu vient le silicium, matériau semi-conducteur par excellence (le plus abondant, le moins cher à fabriquer et disposant des particulièrement bonnes propriétés de semi-conducteur). Il est aussi envisageable de trouver des matériaux semi-conducteurs composites, tels l'arséniure de gallium (GaAs), le nitrure de bore (BN), le phosphure d'indium (InP), etc., ayant d'autres propriétés intéressantes. On trouve aussi certains métaux tels que l'aluminium ou le cuivre, choisis pour leurs propriétés conductrices surtout, qui pourront jouer le rôle de connexion interne, ou encore des isolants tels que le dioxyde de silicium (SiO2) et certains matériaux organiques. On peut toujours ajouter à cette liste bon nombre de matériaux qui se prêteront, par exemple, à la réalisation de résistances ou de capacités.

Chacun de ces matériaux doit être mis en œuvre selon des techniques adaptées, afin d'en obtenir les propriétés recherchées. Ainsi les métaux sont le plus souvent déposés par des procédés de pulvérisation en phase vapeur, les oxydes de silicium seront créés par oxydation du silicium qui forme les wafers, etc.

Des caractéristiques de planéité, d'état de surface, de conductivité bien précises sont recherchées à l'ensemble des stades de la fabrication.

Chaque ajout, ou retrait, de matière sur une plaquette nécessite d'être fait selon un certain schéma, définit lors de la conception de la puce, de telle sorte que chacune des caractéristiques pour lesquelles un matériau est recherché puisse jouer pleinement son rôle au sein du composant une fois ce dernier terminé et mis en boîtier.

Génération d'un masquage (photo)

L'exposition crée des réactions au sein de la résine et génère des modifications chimiques, les zones irradiées vont voir leur solubilité évoluer suivant le type de résine - positive ou négative. Les solvants spécifiques contenus dans le développeur vont permettre d'éliminer certaines parties du film de résine, qui couvre toujours toute la surface de la plaquette, et de mettre à nu le substrat.

L'étape suivante, le plus souvent la gravure, va éliminer la couche du substrat (ex : SiO2) dans l'ensemble des régions non recouvertes de résine, les motifs du masque seront alors reproduits sur la couche inférieure. Les photorésines doivent par conséquent assurer principalement deux rôles. Tout d'abord offrir une bonne réponse a l'exposition radiative, afin d'assurer la reproduction fidèle et précise de l'image du masque. Et dans un second temps protéger efficacement le substrat durant la gravure, ce qui implique une certaine résistance aux agents utilisés (acides, plasmas... ).

Photorésines

Généralités

Les propriétés de base des résines photosensibles peuvent êtres classées selon trois catégories :

Les propriétés optiques, qui comprennent la résolution et l'indice de réfraction ;
Les propriétés chimiques et mécaniques, qui incluent la photosensibilité, la viscosité, l'adhésion, la résistance à la gravure, la stabilité thermique, la sensibilité aux gaz ambiants (ex : oxygène, vapeur d'eau... )  ;
Les aspects technologiques et la sécurité, qui comprennent la pureté, les métaux contenus, les latitudes de process, la durée de vie...
Composition des photorésines positives

Les résines photosensibles sont composées pour la majeure partie de trois matériaux : une matrice, un composé photosensible et un solvant. Les propriétés de la résine sont altérées par des transformations photochimiques du matériau photoactif, la principale conséquence étant la modification de sa solubilité.

Les résines photosensibles positives sont fréquemment désignées par le terme Novolak-diazonaphtoquinone, ou DNQ-Novolak.

Mécanisme

Le principe de la photolithographie repose sur la capacité des résines à voir leur solubilité évoluer selon la quantité de radiation lumineuse absorbée. Le mécanisme mis en jeu pour les résines positives DNQ-Novolak peut se décomposer en deux principales composantes :

Résine non exposée : le PAC interagit avec la résine Novolak lors de la polymérisation pour inhiber la solubilité de la résine dans les développeurs alcalins par formation de liaisons hydrogène avec la matrice. La dissolution du film dans le développeur passe à à peu près 10 à 20Å. s − 1.

Résine exposée : la partie active (photosensible) du DNQ va réagir et se transformer sous l'effet de la lumière (photolyse) et en présence d'eau. Il s'en suit un réarrangement moléculaire avec la matrice qui libère les liaisons hydrogène ainsi qu'une production d'acide carboxylique. La présence d'acide carboxylique, qui est une molécule polaire, a pour conséquence d'augmenter énormément la solubilité, la vitesse de dissolution des parties exposées du film exposées avoisine alors 1000 à 2000Å. s − 1.

Le mécanisme de formation des images dans de la résine positive est par conséquent basé sur la différence de solubilité des zones exposées, ou non, à un rayonnent lumineux, avec des vitesses de dissolution du film variant d'un facteur 100 (de 10 à 1000Å. . s − 1).

Caractéristiques

Adhésion

L'adhésion des résines sur les substrats Si, SiO2 et Al est globalement faible, ce qui est susceptible de causer de sérieux problèmes lors des étapes de gravure où les procédés utilisés sont particulièrement agressifs pour la résine. Les solutions mises en œuvre sont d'une part la déshydratation de la surface des substrats, et d'autre part l'apport d'un composé facilitant l'adhésion résine/substrat.

Particules et métaux polluants

La pureté de la résine est un facteur influant sur les caractéristiques finales du motif lithographié. Afin d'assurer une quantité minimale de polluants dans la solution, on a recours à des règles strictes de filtration et de stockage. Les méthodes de filtration, sous pression d'azote, permettent d'éliminer les particules de dimension supérieure à 0, 1 μm. Les métaux, surtout le sodium et le potassium, sont indésirables car susceptibles de contaminer le matériau semiconducteur par diffusion. La quantité résiduelle de Sodium (Na) et de potassium (K) dans les résines ne doit pas dépasser 0, 5 ppm.

Proportion phase solide/solvant (solid-content)

Ce paramètre spécifie le pourcentage de résine obtenu après évaporation complète du solvant. La quantité de solide contenu dans la résine détermine sa viscosité. Elle est , en quelque sorte, fonction du temps car dans le cas des résines positives le PAC se décompose lentement pour finir par former des précipités (après un stockage prolongé par exemple).

Viscosité

La viscosité est dépendante pour la majeure partie de la température et de la proportion de solide présent. C'est la viscosité qui va déterminer l'épaisseur du film déposé par enduction centrifuge, en fonction la vitesse de rotation.

Résistance à la gravure et stabilité thermique

La résistance à la gravure définit la capacité de la résine à subir le procédé de gravure des plaquettes durant le transfert de motif. Les résines doivent développer une bonne résistance à la gravure pour remplir pleinement leur rôle. Si cette résistance est le plus souvent bonne dans le cas des gravures humides, il n'en est pas de même pour les gravures sèches, bien plus agressives. La difficulté rencontrée est due au fait que la sensibilité aux radiations de la résine s'en trouve amoindrie. La résistance peut être perfectionnée par une augmentation de la quantité de liaisons entre les chaînes moléculaires du matériau.

Photolithographie

Mise en œuvre des photorésines

Déshydratation et promoteur d'adhérence

La contamination des surfaces peut affecter bon nombre d'étapes ultérieures du procédé photolithographique. Les problèmes génèrés sont couramment la diminution de l'adhésion et les inclusions de défauts. L'élimination de ces problèmes passe par une très bonne propreté des substrats.

L'humidité est un des agents parmi les plus polluants au niveau des procédés lithographiques. En effet, les surfaces des substrats fréquemment utilisés (oxyde... ) sont hydrophiles et adsorbent l'humidité de l'air ambiant. L'eau sur la surface des substrats facilite la création d'hydroxydes polarisés spécifiquement complexes à éliminer ensuite. Il en résulte des interférences avec les phénomènes d'adhésion résine/substrat.

La solution consiste en une cuisson dite de déshydratation. Les plaquettes passent par une étape d'élévation de la température sur un dispositif de plaques chauffantes. Cette cuisson doit être effectuée particulièrement peu de temps avant l'étape suivante, car la réadsorption d'humidité est particulièrement rapide.

Le primaire, ou promoteur d'adhésion, est un composé déposé sur la surface afin de perfectionner l'adhésion résine/substrat. Ce composé est généralement de l'hexamethyldisilazane (HMDS). Le procedé consiste en un remplacement des groupements hydrophiles qui se forment normalement sur la surface par d'autres groupements hydrophobes. Une partie des molécules réagit avec la surface oxydée du substrat, partiellement hydrosilicatée du fait de l'adsorption d'hydrogène, pour former des liaisons Si - O, avec production d'eau. L'autre extrémité de la molécule va quant à elle pouvoir former des liaisons avec la résine. Le dépôt de l'HMDS se fait en phase vapeur et consiste en l'introduction du produit sous forme de gaz dans une chambre en présence du substrat. L'application du HMDS peu s'effectuer à froid ou à chaud.

Dépôt de résine

Le film de résine est obtenu par un procédé d'enduction centrifuge (spin coating). Le principe consiste à étaler avec forces centrifuges une petite quantité de résine sur un substrat (plaquette de silicium). Le procédé comprend cinq étapes principales :

a) Dépôt de la résine sur la plaquette ;
b) Répartition de la résine sur la totalité de la surface de la plaquette par mise en rotation ;
c) Augmentation de la vitesse de rotation afin d'éliminer le surplus de résine ;
d) Rotation à vitesse constante afin d'établir l'épaisseur de la résine ;
e) Rotation durant un temps déterminé pour permettre l'évaporation du solvant.

Lors de la première étape (a) une petite quantité de résine, quelques millilitres, est déposée sur la plaquette. Le dépôt s'effectue selon deux principaux modes : sur la plaquette immobile ou sur la plaquette en rotation à faible vitesse (1500tr. min − 1). Le second mode offre l'avantage d'homogénéiser le volume de résine au centre du substrat (diamètre, épaisseur) et d'éliminer aussitôt le surplus de résine. Une forte accélération (b) (20 000tr. min − 1) est ensuite appliquée à la plaquette pour faciliter la formation d'une couche uniforme sur toute la surface.

L'évaporation du solvant diminue sensiblement la viscosité de la résine dont dépend directement l'épaisseur du film. L'évaporation étant rapide, il est donc indispensable de veiller à ce que le délai d'étalement de la résine soit court. L'accélération est cependant limitée par la capacité des moteurs et la résistance mécanique des plaquettes.

Durant l'étape (c) le film est mis à son épaisseur finale. La rotation s'effectue à vitesse constante car l'épaisseur est assujettie à la vitesse de rotation. La plage de vitesse de rotation se situe entre 2000 et 7000tr. min − 1, cependant l'uniformité optimale est obtenue aux vitesses supérieures à 4000tr. min − 1. Durant la rotation à grande vitesse la plus grande partie du solvant contenu s'évapore pour finir par produire un film solide. La qualité du film dépend principalement de la présence ou non de défauts (comètes, poussières, manques, etc. ) et de l'uniformité de son épaisseur (variations d'épaisseur, symétrie, etc. ).

Il existe une autre technologie (slit coating) utilisée pour déposer la résine sur les particulièrement grands substrats, comme par exemple les écrans plats fabriqués dans des usines de génération 5 et au-dessus (1 100 mm x 1250-1 300 mm et plus). Dans la mesure où il est quasiment complexe de faire tourner rapidement les substrats de grande dimension, une résine plus visqueuse est utilisée, et elle est distribuée sur le substrat par une série de micro buses disposées sur un axe qui se déplace le long du substrat. Cette méthode d'application a l'avantage de consommer moins de résine que l'enduction centrifuge. Il existe aussi une méthode hybride (slit/spin), combinant l'application par micro buses et une planarisation par centrifugation, utilisé jusqu'à la génération 6 (1 500 mm x 1 800 mm).

Cuisson après dépôt

Cette étape succède immédiatement au dépôt de la résine sur la plaquette. Elle assure l'élimination rapide d'une partie des solvants et la polymérisation de la matrice. Le taux de solvant passe ainsi de 20 - 30% restant après le premier séchage à 4 - 7%. Cela a pour conséquence un retrait volumique de la résine qui génère une perte d'épaisseur de l'ordre de 10%. Le taux de solvant résiduel influe surtout sur le développement : plus ce taux est faible et plus la dissolution de la résine est rapide.

Le chauffage des plaquettes peut s'effectuer selon différents modes. Le plus employé utilise un dispositif de plaques chauffantes (hot-plates) sur lesquelles sont disposées les wafers. La température est d'environ 110 °C et la durée du cycle est particulièrement courte (30 - 60 s) et ajustée pour atteindre le taux de solvant désiré. Le principe de chauffage par hot-plate se décline en deux variantes : celle par contact, où la transmission de chaleur se fait par conduction, et celle par proximité, où cette fois la plaquette reste située à faible distance de la hot-plate, la transmission se faisant par convection.

Toute opération de cuisson est suivie par un refroidissement de la plaquette. La technique est semblable. On utilise alors des chill-plates à une température proche de la température ambiante (22 °C).

Insolation

L'insolation consiste en l'exposition de certaines zones de la résine, par le biais d'un dispositif de masquage, à un rayonnement ultraviolet. Il se créé alors, par réaction photochimique, une image latente dans l'épaisseur de la résine photosensible. Le degré d'exposition dépend principalement de l'intensité de la source et du temps d'exposition et est mesuré par l'intermédiaire d'une énergie surfacique (J. m − 2). Il conditionne le degré d'avancement de la réaction photochimique qui dépend de la sensibilité de la résine.

L'exposition de la résine est une étape critique du procédé de photolithogravure pour plusieurs raisons : on procède plaquette par plaquette, donc la durée d'exposition influe directement sur le temps de cycle. La durée d'exposition est un paramètre offrant assez peu de marges car une résine sous-exposée entraîne une dégradation sensible de la résolution des motifs. Le temps consacré à l'alignement des plaquettes n'est pas négligeable et est difficilement réductible. Le perfectionnement des durées de process à ce niveau passe par conséquent obligatoirement par une optimisation des réactions photochimiques. Cette tache est ardue car il existe une forte dépendance entre l'exposition et l'ensemble des étapes précédentes.

Résolution et phénomènes liés

La résolution d'impression est un facteur essentiel car elle est la principale cause de limitations de la taille minimum des motifs. La qualité des images imprimées par projection est actuellement limitée par les phénomènes de diffraction de la lumière.

Tous les dispositifs optiques de lithographie génèrent des phénomènes de diffraction de la lumière. Ceux-ci ont pour principale cause le passage des ondes lumineuses à travers les fentes que forment les masques. À cause de ces phénomènes de diffraction, des radiations apparaissent dans des zones non directement exposées au rayonnement incident. La distribution d'intensité produit alors des séries de zones sombres et claires alternées dont la période dépend de la distance entre les fentes la plaquette, de la configuration géométrique des fentes et de la pureté chromatique de la source de lumière.

La sélection d'un ou plusieurs pics permet par conséquent de déterminer exactement la longueur d'onde du rayonnement incident, auquel est directement lié la résolution d'impression : plus la longueur d'onde est faible, plus la résolution est élevée.
La pureté chromatique de la source de lumière est définie par des filtres qui permettent la sélection de certaines longueurs d'onde.

Glossaire

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La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 07/04/2010.
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