Generador de Patrones

En el vídeo se observa el proceso de fotolitografía desarrollado en el cuarto limpio de CIDESI Querétaro utilizado en la fabricación de sensores de temperatura. Dependiendo el dispositivo, el número de veces que se puede requerir un proceso de fotolitografía puede incrementarse, por ejemplo, un transistor de película delgada requiere de menos de diez procesos de fotolitografía, y un circuito integrado, puede requerir varias más etapas de fotolitografía.

La implementación de fotolitografía en la fabricacion de sensores y circuitos integrados

La técnica de fotolitografía se utiliza en la fabricación de dispositivos electrónicos como sensores y circuitos integrados. Con esta técnica se transfieren los patrones de una fotomáscara a un sustrato, este sustrato puede ser silicio cristalino o películas delgadas de semiconductores, metales o dieléctricos. En esta transferencia de patrones, se tiene como objetivo limitar áreas o geometrías muy finas o con alta resolución en el sustrato o el material que forma parte del dispositivo o circuito integrado que se quiere fabricar.

En el cuarto limpio de CIDESI Querétaro tenemos un área para desarrollar exclusivamente este proceso. Se trata de dos bahías clase 100, con iluminación amarilla, debido a que este proceso se tiene que desarrollar en espacios libres de partículas suspendidas. El cuarto es amarillo para prevenir exposición de la fotoresina a luz de longitudes de onda corta.

1.- Depósito de fotoresina y tratamiento térmico

Este primer paso consiste en la aplicación de una fotoresina positiva o negativa al sustrato donde se transferirán los patrones del sensor o circuito integrado, el deposito de la fotoresina se realiza por medio de la técnica “spin coating”. En este paso, es común que se utilice un promotor de adherencia entre la resina y el sustrato al que se transferirá el patrón, comúnmente HDMS (Hexamethyldisilazane), ver Figura 1.

El paso siguiente al depósito de la fotoresina, es llevar la oblea o sustrato a un tratamiento térmico en una plancha caliente, por corto tiempo y temperatura alrededor de 115 °C. En este paso se promueve la adherencia de la fotoresina al sustrato.

Habitualmente las temperaturas de tratamiento térmico para las fotoresinas son sugeridas por el proveedor.

Fig. 1. Secuencia del proceso de depósito de fotoresina en una oblea de silicio, posteriormente la oblea con la fotoresina pasa a un tratamiento térmico. Este proceso es realizado en bahías clase 100 y con iluminación amarilla para prevenir exposición de la fotoresina a luz con longitudes de onda corta.

2.- Exposición del sustrato con fotoresina depositada a luz ultravioleta (UV)

En este paso, se utiliza un equipo con una fuente de luz UV (ver Figura 2) y una fotomáscara, la fotomáscara tiene áreas oscuras y transparentes que representan las geometrías de los patrones que se quieren transferir, esta fotomáscara se coloca entre la fuente de luz UV y el sustrato cubierto con fotoresina.

Como ya lo mencionamos, el diseño de la fotomáscara determinara que geometrías son las que se grabaran en la fotoresina y eventualmente en el sustrato, esto es debido a que las partes oscuras de la máscara impedirán la exposición de determinadas áreas de la película con fotoresina a la luz ultravioleta. En este paso, la luz ultravioleta modifica la fotoresina depositada, la cual cambia sus propiedades físico-químicas volviéndola sensitiva al revelador.

Dependiendo de la complejidad de la fabricación del sensor o circuito integrado, pueden ser necesarios varias etapas o procesos de fotolitografía en los que se requiera acoplar más de un nivel en la estructura de los dispositivos, este acoplamiento se realiza con un sistema de alineación el cual permitirá que se coloquen los patrones en las posiciones deseadas. En este equipo, se realiza la exposición de la fotoresina a luz UV.

Fig. 2. Alineadora semi-automática, el cuarto limpio de CIDESI Querétaro cuenta con una alineadora de la marca “OAI” con varias modalidades de contacto como suave, duro y de proximidad. El gap de alineación es programable de 0 a 28 micrómetros y la iluminación que utiliza es UV (lámparas de Hg-Xe) de 350 W, este sistema permite trabajar con obleas de 4 pulgadas y alcanzar una resolución de 5 micrómetros entre geometrías, además de una resolución óptica de hasta 5x. Entre las varias capacidades de este sistema, está la posibilidad de alineación trasera.

3.- Revelado y tratamiento térmico

La consecuencia de sensibilizar la fotoresina con luz UV, es que al sumergir el sustrato con la fotoresina en una sustancia alcalina, conocida como revelador, la fotoresina es removida de las áreas que fueron expuestas o de las que no, dependiendo si la fotoresina es positiva o negativa, respectivamente. Este proceso es conocido como revelado, donde el diseño de la fotomáscara queda grabado en el sustrato con la fotoresina, ver Figura 3.

Fig. 3. En la figura a) se observa una oblea de silicio con fotoresina S1813 que fue expuesta a luz UV y que esta sumergida en revelador MF-319. En la figura b) y c) se puede observar que el diseño de la fotomáscara quedo grabado en el sustrato con fotoresina.

Posterior al proceso de revelado, el sustrato aún con fotoresina es sometido a un segundo tratamiento térmico en una plancha caliente, el cual tiene como objetivo endurecer la resina en el sustrato y mejorar la adherencia de ambos.

4.- Grabado húmedo y seco

Después de completar la etapa de revelado y el segundo tratamiento térmico, la oblea pasa a una etapa donde sera atacada por vía húmeda (ácidos) o seca (plasma), respectivamente. Estas dos modalidades de ataque, pueden observarse en la Figura 4 a) y 4 b). El proceso de fotolitografía termina, cuando después de atacar el sustrato, este se limpia con acetona, la cual se va a encargar de remover los remanentes de toda la resina que aún quede depositada en el sustrato, Figura 4 c).

Fig. 4. Oblea con dispositivos sometida a grabado húmedo, seco y remoción de fotoresina

5.- Verificación

Fig. 5. Los dispositivos fabricados son inspeccionados con ayuda de microscopios ópticos o electrónicos

Una vez que el grabado termina y la oblea o sustrato es limpiado adecuadamente, el proceso es validado mediante observación, ya sea con microscopia óptica o electrónica, dependiendo las necesidades del dispositivo o circuito integrado en fabricación.

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