La litografía sin máscara utiliza métodos que transfieren directamente la información al sustrato, sin utilizar una máscara estática intermedia, es decir, una fotomáscara que se replica directamente. En microlitografía, la transferencia de radiación típicamente arroja una imagen de una máscara de constante de tiempo sobre una emulsión fotosensible (o fotorresistente ). [1]Tradicionalmente, son comunes los alineadores de máscara, los steppers, los escáneres, pero también otras técnicas no ópticas para la replicación de microestructuras a alta velocidad. El concepto aprovecha las tecnologías de manipulación paralela o de alta velocidad que han sido habilitadas por una capacidad de cómputo disponible grande y barata, lo cual no es un problema con el enfoque estándar que desacopla un proceso de estructuración lento pero preciso para escribir una máscara de un proceso rápido y altamente proceso de copia en paralelo para lograr altos rendimientos de replicación como se exige en la microestructura industrial.
La litografía sin máscara sigue dos caminos principales. Uno es un enfoque rasterizado mediante la generación de una imagen intermitente variable en el tiempo en una máscara (virtual) modificable electrónicamente que se proyecta con medios conocidos (también conocidos como imágenes directas con láser y otros sinónimos), o por escritura directa, donde se enfoca la radiación. a un haz estrecho que se escanea en forma de vector a través de la resistencia. Luego, el rayo se usa para escribir directamente la imagen en la fotorresistencia, uno o más píxeles a la vez. También se conocen combinaciones de los dos enfoques y no se limita a la radiación óptica, sino que también se extiende al UV, incluye haces de electrones y también ablación mecánica o térmica a través de dispositivos MEMS .
Una ventaja clave de la litografía sin máscara es la capacidad de cambiar los patrones de litografía de una ejecución a la siguiente, sin incurrir en el costo de generar una nueva fotomáscara. Esto puede resultar útil para la creación de patrones dobles o la compensación del comportamiento del material no lineal (por ejemplo, cuando se utiliza un sustrato no cristalino más barato o para compensar errores de colocación aleatorios de estructuras precedentes).
Las principales desventajas son la complejidad y los costos del proceso de replicación, la limitación de la rasterización con respecto al sobremuestreo provoca artefactos de aliasing, especialmente con estructuras más pequeñas, mientras que la escritura vectorial directa tiene un rendimiento limitado. Además, el rendimiento digital de tales sistemas forma un cuello de botella para las resoluciones altas, es decir, la estructuración de una oblea de 300 mm de diámetro con un área de ~ 707 cm² requiere aproximadamente 10 Ti B de datos en un formato rasterizado sin sobremuestreo y, por lo tanto, sufre de artefactos escalonados ( aliasing ). El sobremuestreo por un factor de 10 para reducir estos artefactos agrega otros dos órdenes de magnitud 1 PiB por oblea individual que debe transferirse en ~ 1 min al sustrato para lograr velocidades de fabricación de alto volumen . Por lo tanto, la litografía industrial sin máscara actualmente solo se encuentra ampliamente para estructurar sustratos de menor resolución, como en la producción de paneles de PCB , donde las resoluciones ~ 50 µm son las más comunes (a ~ 2000 veces menor demanda de rendimiento en los componentes).
Formularios
Actualmente, las principales formas de litografía sin máscara son el haz de electrones y la óptica. Además, los sistemas de haz de iones enfocados han establecido un papel de nicho importante en el análisis de fallas y la reparación de defectos. Además, se han demostrado sistemas basados en matrices de puntas de sonda mecánicas y térmicamente ablativas.
Rayo de electrones
La forma más utilizada de litografía sin máscara en la actualidad es la litografía por haz de electrones . Su uso generalizado se debe a la amplia gama de sistemas de haz de electrones disponibles que acceden a un rango igualmente amplio de energías de haz de electrones (~ 10 eV a ~ 100 keV). Esto ya se está utilizando en la producción a nivel de obleas en eASIC , que utiliza la litografía por haz de electrones de escritura directa convencional para personalizar una sola capa de vía para la producción de bajo costo de ASIC.
La mayoría de los sistemas de litografía sin máscara que se están desarrollando actualmente se basan en el uso de múltiples haces de electrones. [2] El objetivo es utilizar el escaneo paralelo de los haces para acelerar el patrón de áreas grandes. Sin embargo, una consideración fundamental aquí es hasta qué punto los electrones de los haces vecinos pueden perturbarse entre sí (a partir de la repulsión de Coulomb ). Dado que los electrones en haces paralelos viajan con la misma rapidez, se repelerán persistentemente entre sí, mientras que las lentes de electrones actúan solo sobre una parte de las trayectorias de los electrones.
Óptico
La escritura láser directa es una forma muy popular de litografía óptica sin máscara, que ofrece flexibilidad, facilidad de uso y rentabilidad en el procesamiento de I + D. Este equipo ofrece patrones rápidos a resoluciones submicrométricas y ofrece un compromiso entre rendimiento y costo cuando se trabaja con tamaños de características de aproximadamente 200 nm o más. La escritura láser directa para empaques de microelectrónica, electrónica 3D e integración heterogénea se desarrolló en 1995 en Microelectronics and Computer Technology Corporation (o MCC) en Austin, Texas. [3] El sistema MCC se integró completamente con control de precisión para superficies 3D y software de inteligencia artificial con aprendizaje automático en tiempo real e incluyó longitudes de onda láser para resistencia i-line estándar y DUV 248nm. El sistema MCC también incluía capacidades de edición de circuitos para aislar circuitos en un diseño de oblea programable. En 1999, se avanzó el sistema MCC para su uso en la fabricación de MEMS. [4]
La litografía de interferencia o las exposiciones holográficas no son procesos sin máscara y, por lo tanto, no cuentan como "sin máscara", aunque no tienen un sistema de imágenes 1: 1 en el medio.
La litografía de escritura directa plasmónica utiliza excitaciones de plasmones superficiales localizados a través de sondas de exploración para exponer directamente el fotorresistente. [5]
Para mejorar la resolución de la imagen, la luz ultravioleta , que tiene una longitud de onda más corta que la luz visible, se utiliza para lograr una resolución de alrededor de 100 nm. Los principales sistemas ópticos de litografía sin máscara que se utilizan en la actualidad son los desarrollados para generar fotomáscaras para las industrias de semiconductores y LCD .
En 2013, un grupo de la Universidad Tecnológica de Swinburne publicó su logro de un tamaño de característica de 9 nm y un tono de 52 nm, utilizando una combinación de dos haces ópticos de diferentes longitudes de onda. [6]
La tecnología DLP también se puede utilizar para la litografía sin máscara. [7]
Haz de iones enfocado
Los sistemas de haz de iones enfocados se utilizan comúnmente en la actualidad para eliminar defectos o descubrir características enterradas. El uso de la pulverización catódica de iones debe tener en cuenta la redeposición del material pulverizado.
Contacto de punta de sonda
IBM Research ha desarrollado una técnica alternativa de litografía sin máscara basada en microscopía de fuerza atómica . [8] Además, Dip Pen Nanolithography es un nuevo enfoque prometedor para modelar características submicrométricas.
Futuro
Las tecnologías que permiten la litografía sin máscara ya se utilizan para la producción de fotomáscaras y en una producción limitada a nivel de obleas. Existen algunos obstáculos antes de su uso en la fabricación de grandes volúmenes. Primero, existe una amplia diversidad de técnicas sin máscara. Incluso dentro de la categoría de haz de electrones, existen varios proveedores ( Multihaz , Litografía Mapper , Canon , Advantest , Nuflare , JEOL ) con arquitecturas y energías de haz completamente diferentes. En segundo lugar, aún deben cumplirse los objetivos de rendimiento que superen las 10 obleas por hora. En tercer lugar, es necesario desarrollar y demostrar la capacidad y la capacidad para manejar un gran volumen de datos ( escala Tb ).
En los últimos años, DARPA y NIST han reducido el apoyo a la litografía sin máscara en los EE . UU. [9]
Había un programa europeo que impulsaría la inserción de la litografía sin máscara para la fabricación de circuitos integrados en el nodo de medio tono de 32 nm en 2009. [10] El nombre del proyecto era MAGIC, o "Litografía sin máscara para la fabricación de circuitos integrados", en el marco de EC 7th Programa Marco (7PM). [11]
Debido al aumento de los costos de las máscaras para el modelado múltiple , la litografía sin máscara está aumentando una vez más en visibilidad.
Referencias
- ^ R. Menon y col. , Materials Today, febrero de 2005, págs. 26-33 (2005).
- ^ THP Chang y col. , Microelectronic Engineering 57-58, págs. 117-135 (2001).
- ^ Sí, Ian; Miracky, Robert; Reed, Jason; Lunceford, Brent; Wang, Min; Cobb, Deborah; Caldwell, chico. https://www.semanticscholar.org/paper/Flexible-manufacture-of-multichip-modules-for-ICs-Yee-Miracky/855c33ea9216f556b2aea33dca30f38a6add2bec . Cite journal requiere
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( ayuda ) - ^ https://ieeexplore.ieee.org/document/843347 . Cite journal requiere
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( ayuda ) - ^ Xie, Zhihua; Yu, Weixing; Wang, Taisheng; et al. (31 de mayo de 2011). "Nanolitografía plasmónica: una revisión". Plasmónicos . 6 (3): 565–580. doi : 10.1007 / s11468-011-9237-0 .
- ^ Gan, Zongsong; Cao, Yaoyu; Evans, Richard A .; Gu, Min (19 de junio de 2013). "Litografía de haz óptico de subdifracción profunda tridimensional con tamaño de característica de 9 nm" . Comunicaciones de la naturaleza . 4 (1): 2061. doi : 10.1038 / ncomms3061 . PMID 23784312 - a través de www.nature.com.
- ^ "Herramienta de litografía sin máscara" . Nanosistema Solutions, Inc . 17 de octubre de 2017.
- ^ P. Vettiger y col. , IBM J. Res. Dev. 44, págs. 323 - 340 (2000).
- ^ "Darpa, NIST para poner fin a la financiación de la litografía sin máscara de Estados Unidos" . EETimes . 19 de enero de 2005.
- ^ [1] La UE forma un nuevo grupo litográfico sin máscara
- ^ "CORDIS | Comisión Europea" . Archivado desde el original el 28 de marzo de 2008 . Consultado el 17 de julio de 2012 .