Die Fotolithografie (auch Photolithographie) ist eine der zentralen Methoden der Halbleiter- und Mikrosystemtechnik zur Herstellung von integrierten Schaltungen und weiteren Produkten. Dabei wird mit Hilfe eines Belichtungsprozesses das Bild einer Fotomaske auf einen lichtempfindlichen Fotolack übertragen. Anschließend werden die belichteten Stellen des Fotolacks aufgelöst (alternativ ist auch die Auflösung der unbelichteten Stellen möglich, wenn der Fotolack unter Licht aushärtet). So entsteht eine lithografische Maske, die die weitere Bearbeitung durch chemische und physikalische Prozesse ermöglicht, etwa das Einbringen von Material in die offenen Fenster oder das Ätzen von Vertiefungen unter den offenen Fenstern.
Prozessbeschreibung mini|Fotolithografie mit einem Positivlack und nasschemische subtraktive Strukturübertragung
Grundprinzip Das Grundprinzip der Fotolithografie ist die Strukturierung einer dünnen ganzflächig abgeschiedenen Opferschicht aus Fotolack durch eine lokale Änderung der chemischen Eigenschaften des Fotolacks und dessen Entfernen in den veränderten (Positivlack) bzw. unveränderten (Negativlack) Bereichen.
mini|Schematische Darstellung einer Anlage zur Rotationsbeschichtung für den Auftrag von Fotolack, wie sie in modernen Anlagen der Halbleiterindustrie genutzt werden. Das Bild zeigt die Hauptkomponenten der Anlage sowie den Fotolack nach der Dosierung (1.) und am Ende des Prozesses (nach dem Rotieren des Wafers)Im ersten Teilschritt wird dazu der flüssige Fotolack durch Rotationsbeschichtung (engl. ) oder andere geeignete Methoden auf ein Substrat (Wafer) aufgebracht. Anschließend wird die Lackschicht mit einem Ausheizschritt bei ca. 110 °C behandelt ( bzw. ), dabei desorbiert das Lösungsmittel sowie ein Großteil des vorhandenen Wassers, wodurch der Fotolack stabilisiert wird. Für die chemischen Reaktionen bei der nachfolgenden Belichtung ist es jedoch wichtig, dass nicht das gesamte Wasser desorbiert und ein gewisses Maß an Restwasser in der Schicht verbleibt.
Vor der Belichtung des Fotolacks wird der Wafer zunächst genau auf das optische System der Belichtungsanlage ausgerichtet. Dazu dienen in der Regel spezielle Markierungen aus vorhergehenden Prozessschritten (direkte Ausrichtung) oder anlagenspezifische Fixpunkte (indirekte Ausrichtung). Die Belichtung selbst kann auf sehr unterschiedliche Art und Weise durchgeführt werden. Hierfür stehen verschiedene Belichtungstechniken (siehe unten) zur Verfügung, die sich nicht nur in der Wellenlänge des genutzten monochromatischen Lichts unterscheiden, sondern auch in der Position der Maske, die Abfolge der Belichtung (Flutbelichtung, Stepper, Scanner, …), der verwendeten Polarisation des Lichtes usw. Dabei werden die chemischen Eigenschaften des Fotolacks in den belichteten Bereichen durch eine photochemische Reaktion verändert – je nach Art des Fotolacks wird der Lack entweder löslich oder unlöslich gegenüber der eingesetzten Entwicklerlösung. Ein erneuter Temperschritt (engl. ) dient zur Diffusion der (photo-)chemischen Komponenten (Glättung der Fotolackstrukturprofile) und ggf. zur Verstärkung der photochemischen Reaktion bei photochemisch verstärkten Fotolacken (engl. , CAR).
Im dritten Teilschritt erfolgt die Entwicklung des Fotolacks, das heißt, die löslichen Bereiche der Schicht werden mithilfe einer Entwicklerlösung (z. B. eine schwach basische TMAH-Lösung) nasschemisch durch Sprühen, Tauchen oder Auftropfen gelöst und entfernt. Anschließend wird der Wafer mit deionisiertem Wasser gespült und trocken geschleudert. Danach erfolgt nochmals ein Temperschritt (engl. , ca. 100 bis 180 °C), bei dem der nun strukturierte Fotolack nochmals getrocknet und ggf. durch eine Vernetzungsreaktion stabilisiert wird. Dies ist notwendig, da die Schicht in den nachfolgenden Prozessschritten (Trockenätzen, Ionenimplantation) stark beansprucht wird.
Abschließend wird der gesamte Prozess überprüft. Dies kann neben einer optischen Inspektion Detektion von Defekten (eingeschlossene Partikel, nicht entwickelte Bereiche usw.) auch die Messung der Ausrichtung gegenüber vorhergehenden Prozessschritten (Overlay-Messung, optisch sowie per Rasterelektronenmikroskop) oder der Linienbreite (CD-Messung; Rasterelektronenmikroskop) umfassen. Sollten hierbei zu viele Fehler festgestellt worden sein, wird die Fotolackschicht vorzeitig entfernt und die gesamte Prozedur nochmals wiederholt (Nacharbeitung, engl. ).
Die so strukturierten Fotolackschichten dienen in der Regel als Hilfsmittel für weitere Prozesse, wie dem Ätzen darunterliegender Schichten, dem Einbringen von Fremdatomen (vgl. Dotierung und Ionenimplantation) oder der selektiven Abscheidung von Materialien (vgl. LIGA und Lift-off). Die Fotolackschicht dient hierbei als Maskierungsschicht, um bestimmte Bereiche vor dem nachfolgenden Prozessschritt zu schützen. Nach dieser Strukturübertragung wird die Fotolackmaske wieder vollständig entfernt. Dazu werden in der Regel Plasmaverascher (Sauerstoffplasma) genutzt. Alternativ dazu kann die Fotolackschicht auch nasschemisch aufgelöst werden. Welches Entfernungsverfahren eingesetzt wird, ist abhängig vom eingesetzten Lack und dem gesamten Herstellungsprozess, beispielsweise kann sich der Lack beim Trockenätzen einer unterliegenden Schicht stark verändern und so nicht mehr löslich sein, oder die eingesetzten Chemikalien reagieren mit anderen Schichten. Das Wiederholen dieser Prozessabfolge aus Herstellung der strukturierten Fotolackschicht und Strukturübertragung auf unterschiedlichste Schichten ist eine Schlüsseltechnologie bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen (umgangssprachlich „Mikrochips“). Die Weiterentwicklung der Fotolithografie bzw. ihre Ablösung durch neuere Verfahren sind mit entscheidend dafür, wie lange die Entwicklung der Mikroprozessortechnologie noch der Planungsgrundlage „Mooresches Gesetz“ folgen kann.
Verbesserungen Um die Haftung der Fotolackschicht zu verbessern, wird der Wafer oftmals vor dem Auftrag des Fotolacks mit einem Haftvermittler wie Hexamethyldisilazan (HMDS) behandelt. Des Weiteren kommen Hilfsschichten zur Reduzierung von Reflexionen und stehenden Wellen (Antireflexionsschicht), Verbesserung der Planarität der Oberfläche (bessere Kontrolle der Schichtdickenhomogenität) oder zum Schutz des Fotolacks bei der Immersionslithografie zum Einsatz.
Vor allem in der industriellen Produktion wird während des Prozesses die Rückseite und der Wafer-Rand (Vorderseite; bis zu 2 mm) mit Lösungsmittel besprüht. Dies soll zum einen Lackansammlungen auf der Rückseite und die Ausbildung einer Lackwulst am Rand verhindern. Hintergrund ist, dass Lackreste oder andere Partikel bei der Belichtung zwischen Wafer und Auflage (engl. ) liegen und zu einer lokalen Erhöhung der Waferoberfläche bzw. Verbiegung des Wafers führen. Diese geringen Höhendifferenzen liegen außerhalb der Toleranzgrenzen für den Fokus und führen zu Fehlern bei der Abbildung. Die Randentlackung (engl. , EBR) hingegen soll die unerwünschte Lackwulst am Wafer-Rand entfernen, sie bildet sich durch die Oberflächenspannung der Lacke bei der Beschichtung. Lackwülste sind gekennzeichnet durch Schichtdickenänderungen im Randbereich, die wiederum den Belichtungsprozess in diesem Bereich negativ beeinflussen. Um eine maximale Ausbeute an Chips zu erreichen, ist es daher notwendig, die Schichtdicke in diesem Bereich anzugleichen. Dies kann durch den Einsatz der Randentlackung, also der lokalen Verdünnung des Fotolacks (die verdünnten Anteile werden durch die Fliehkraft vom Wafer weg geschleudert), erreicht werden. Zusätzlich kann die Homogenität und Stabilität des Fotolacks am Schichtrand durch eine breitbandige Kantenbelichtung verbessert werden. Sie erfolgt direkt nach der Beschichtung und dem „soft bake“ des Fotolacks.
Bildbegriffe Bei der Beschreibung der fotolithografischen Abbildung müssen verschiedene Formen des lithografischen Bildes unterschieden werden. Sie beschreiben die Entwicklung des Bildes von der Fotomaske bis zur entwickelten Struktur im Fotolack.vgl. Wegen fehlender deutschsprachiger Fachliteratur werden folgende, meist englischsprachige, Begriffe verwendet: Maskenbild Die Intensitätsverteilung des elektromagnetischen Feldes der genutzten Strahlung direkt nach der Maske (dt. etwa: Luftbild) Die Intensitätsverteilung des elektromagnetischen Feldes der einfallenden Strahlung direkt vor der Absorption im Fotolack (dt. etwa: Dosisbild) Die Verteilung der absorbierten Energie im Fotolackvolumen (dt. latentes Bild) Beschreibt die Verteilung der chemisch wirksamen Verbindungen im Fotolack, die durch die Absorption der einfallenden Strahlung erzeugt wurde. (dt. etwa: entwickeltes Bild) Beschreibt die auf dem Substrat verbleibende Materialverteilung des Fotolacks nach dessen Entwicklung
Auflösungsvermögen und Schärfentiefe Bei der optischen Lithografie wird die Struktur einer Fotomaske mittels Schattenwurf oder Projektion in einen lichtempfindlichen Fotolack übertragen. Das Auflösungsvermögen, das heißt die Fähigkeit des optischen Systems, die kleinsten Strukturen in den Fotolack abzubilden, wird im Wesentlichen von der verwendeten Lichtwellenlänge und der Fähigkeit des Systems, genug Beugungsordnungen der Maske einzufangen, bestimmt. Sie lässt sich näherungsweise beschreiben durch:
hierbei ist die kritische Abmessung, das heißt die kleinste abbildbare Linienbreite (oft auch mit den englischen Begriffen oder bezeichnet), ein vom Abbildungs- und Lacksystem abhängiger Faktor, der in der Produktion ungefähr den Faktor 0,4 beträgt, die Wellenlänge des genutzten Lichts und der numerischen Apertur der letzten Linse vor dem Wafer.
mini|hochkant=2.5|Spektrale Darstellung der in der Fotolithografie genutzten Wellenlängen
Ausgehend von dieser Gleichung, kann das Auflösungsvermögen durch die Reduzierung der verwendeten Wellenlänge und des k1-Faktors verbessert werden. Hier wurden in den letzten Jahren zahlreiche Verbesserungen in die fotolithografischen Prozesse (Lackchemie usw.) eingeführt, durch die der k1-Faktor von ca. 0,8 bis auf 0,38 bei heutigen Spitzenprodukten reduziert werden konnte (theoretisches Minimum liegt bei 0,25). Auch die verwendete Wellenlänge (genauer Vakuumwellenlänge) wurde über die Jahre hinweg stufenweise reduziert, um das Auflösungsvermögen zu verbessern. So nutzte man Mitte der 1970er Jahre zunächst die g-Linie (434 nm) und seit Anfang der 1980er Jahre die i-Linie (365 nm) des Emissionsspektrums einer Quecksilberdampflampe. In den 1990er Jahren folgte der Umstieg auf monochromatisches Licht von Excimerlasern, hier nutzte man zunächst KrF-Excimerlaser (248 nm, auch engl. , DUV, genannt) und später (bis heute) ArF-Excimerlaser (193 nm).
Weiterhin ist eine Verbesserung der Auflösung auch über die Erhöhung der numerischen Apertur möglich. Auch hier gab es zahlreiche Verbesserungen und Optimierungen. So betrug die NA für Spitzenprodukte mit g-Linien-Belichtung maximal 0,45 (theoretisches Maximum für ein Nichtimmersionssystem beträgt 1). Bei heutigen, in der Industrie eingesetzten Systemen auf Basis von ArF-Excimerlasern wurde dieser Wert auf ca. 0,93 gesteigert. Durch diese Verbesserungen können heute (2016) auch Strukturen unterhalb von 22 nm aufgelöst werden – weitere Reduzierungen sind durch den Einsatz von Immersionsflüssigkeiten (siehe Immersionslithografie) und noch kürzeren Wellenlängen möglich.
Ein weiterer wichtiger Parameter bei der optischen Abbildung ist die Schärfentiefe (engl. , DOF) des abbildenden Systems.