Proceso de fotolitografía por el método de escritura directa.

Autor: Dr. Norberto Hernández Como, Centro de Nanociencias y Micro y Nanotecnologías del IPN

En el video muestra un ejemplo práctico de cómo se realiza el proceso de escritura directa en el Centro de Nanociencias y Micro y Nanotecnologías del los Cuartos Limpios del Instituto Politécnico Nacional

En el video anterior, el lector conocedor del proceso de fotolitografía puede identificar los pasos desde limpieza, depósito de resina, recocidos y revelados, así como ataques químicos para realizar el grabado del material. El ejemplo mostrado en el video es un diseño de dos niveles y permite mostrar cómo se realiza las transferencias y alineación de patrones por el método de escritura directa.

En la fabricación de dispositivos microelectrónicos, el proceso de fotolitografía es la manera como se logra que los materiales que componen a estos dispositivos obtengan dimensiones micrométricas (de uno a cientos de micrómetros). De manera simple, podemos dividir el proceso de fotolitografía en dos etapas: transferencia de patrones y grabado de patrones. Anteriormente, hemos compartido dos boletines que consideramos que el lector lea antes de continuar:

  1. https://cuartoslimpiosmexico.com/del-diseno-a-la-realidad-generacion-de-micropatrones/
  2. https://cuartoslimpiosmexico.com/https-cuartoslimpiosmexico-com-fotolitografia-la-tecnica-que-utilizamos-en-la-fabricacion-de-dispositivos-y-circuitos-integrados-en-el-cuarto-limpio-de-cidesi-queretaro/

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Un patrón se refiere a un diseño realizado por computadora que representa las formas geométricas que un material debe adquirir en el proceso de fabricación de un dispositivo microelectrónico. Para la fabricación con fotolitografía de un dispositivo como una resistencia, un capacitor, un diodo o un transistor se requieren por lo menos 3 o 4 materiales distintos, y cada material requiere un patrón. Es lógico pensar que antes de comenzar a fabricar dispositivos microelectrónicos utilizando procesos de fotolitografía necesitamos contar con un diseño compuesto de uno o varios patrones. La Figura 1 muestra un ejemplo de un diseño.

Los patrones, como los de la Figura 1, se transfieren a cada material a través del proceso de fotolitografía. Para tal fin, la muestra se cubre con una fotoresina positiva y se realiza su respectivo procesamiento (existe una gran diversidad de fotoresinas). En la enseñanza del proceso de fotolitografía es común que la etapa de transferencia de patrones se explique con el uso de “máscaras o fotomáscaras” y un equipo para la alineación de máscaras. A cada máscara se le “escribe o graba” cada patrón por material a utilizar en la fabricación. Se le dice “escribir una máscara” o “escritura de una máscara” por el significado que tiene la palabra “escribir” en computación y que significa colocar información en un medio de almacenamiento. El equipo llamado escritor de máscaras (también conocido como grabador, cuya traducción viene del inglés “mask writer”) realiza esta función utilizando un láser con una longitud de onda de 405 o de 375 nanómetros. Comúnmente, la máscara se compone de un vidrio o cuarzo cuadrado (que a nivel investigación tiene un área de 4” x 4” o de 5” x 5”) con una de sus caras recubierta con una película metálica de cromo (unos 100 nanómetros de espesor). Encima de esta película de cromo, la máscara tiene una película de aproximadamente 500 nanómetros de espesor de una resina positiva. La Figura 2 muestra una máscara de fotolitografía.

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Figura 2. Máscara de fotolitografía, se observa que un patrón ya ha sido escrito en ella.

Entonces volviendo a utilizar la Figura 1, supongamos que transferimos y grabados el primer nivel a un material, y ahora depositamos un segundo material que requiere un segundo nivel. Para este propósito debemos realizar un segundo paso de fotolitografía a través del proceso de alineación de máscaras. La Figura 3a representa el caso donde se obtiene una alineación “buena”, que quiere decir que las marcas de alineación de ambos niveles se sobreponen con un error despreciable. La Figura 3b muestra cuando se obtiene una mala alineación porque el segundo nivel se rotó ya sea por mala colocación de la muestra o de la máscara. La Figura 3c muestra cuando la mala alineación se alcanza por sobreponer un nivel sobre el otro con error al mover los ejes x-y, este tipo de error puede suceder por parte del usuario al tener problemas para ver las máscaras de alineación. Las alineaciones malas normalmente producen que el dispositivo fabricado no funcione pues pueden crearse cortos circuitos o circuitos abiertos por mencionar algunos problemas comunes.

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Entonces, ¿a qué nos referimos con hacer fotolitografía por escritura directa? Significa que no usamos máscaras, en su lugar colocamos directamente nuestra muestra en el escritor de máscaras. Este método puede resultar muy atractivo pues las máscaras es un consumible de alto costo que se importa del extranjero y que tiene un tiempo de vida limitado. En las etapas de pruebas de fabricación de dispositivos es muy común escribir varias máscaras por cada actualización del diseño, debemos saber que las máscaras no se pueden reescribir. Al no utilizar máscaras tampoco es necesario el uso de la alineadora y entonces la escritura directa reduce los tiempos de fabricación. La alineación es el proceso en el que los patrones grabados en un primer nivel son alineados con un nivel consecutivo para mantener el ordenamiento de estos materiales de acuerdo con el diseño. La alineación en este caso la realiza el equipo Heidelberg DWL66FS. Este equipo otorga una resolución de 5um y velocidad de escritura de 110mm2/min. La velocidad de escritura es crítica para mantener un tiempo de procesamiento tolerable, por ejemplo, un área de 5” x 5” tardaría aproximadamente 3 horas. Por lo que la escritura directa con el equipo del Heidelberg DWL66FS está principalmente orientado al uso de muestras con un área máxima de 3” x 3”. Los equipos más actuales denominados MLA de la marca Heidelberg realizan la escritura directa en áreas de 5” x 5” en menos de 10 minutos.

La manera como el equipo Heidelberg DWL66FS se transfiere un diseño a través de la escritura directa se explica en la Figura 4. El sistema que utiliza se denomina modulador de luz espacial, y lo que realiza es una proyección del diseño directamente en la muestra. Esta proyección se realiza por franjas de 100um de ancho. El ancho de franja disminuye si se desea alcanzar una resolución mayor, ejemplo: para alcanzar una resolución de 0.5um, el ancho de franja se reduce a 10um lo que significa mayores tiempos de escritura directa.

Figura 4. Diagrama esquemático de como se realiza la escritura directa en el equipo Heidelberg DWL66FS. Tomado de [1].

Referencias

[1] https://heidelberg-instruments.com/en/features-technologies/key-features/maskless-lithography.html

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Gracias por leer. ¡Te mantendremos actualizado constantemente!

El equipo de la Dirección de Microtecnologías (DMT)
Centro de Ingeniería y Desarrollo Industrial (CIDESI)

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1 Comment

  1. VALENTINA ADULFA SANTIAGO BAÑOS el enero 19, 2021 a las 1:25 am

    Es la primera vez que entro al mundo de las nano ciencias, muy interesante y se ve como si fuera muy sencillo.

    Muchas gracias por la invitación.

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