La litografía de contacto , también conocida como impresión por contacto, es una forma de fotolitografía en la que la imagen que se va a imprimir se obtiene mediante la iluminación de una fotomáscara en contacto directo con un sustrato recubierto con una capa fotorresistente de formación de imágenes .
Los primeros circuitos integrados tenían características de 200 micrómetros que se imprimían mediante litografía de contacto. Esta técnica fue popular en la década de 1960 hasta que fue sustituida por la impresión de proximidad, donde se introduce un espacio entre la fotomáscara y el sustrato. La impresión de proximidad tenía una resolución peor que la impresión de contacto (debido a que el espacio permite que se produzca más difracción), pero generaba muchos menos defectos. La resolución era suficiente para la producción de hasta 2 micrómetros. En 1978, apareció el sistema de proyección de paso y repetición . [1] La plataforma ganó una amplia aceptación debido a la reducción de la imagen de la máscara y todavía se utiliza en la actualidad.
La litografía de contacto todavía se practica comúnmente en la actualidad, principalmente en aplicaciones que requieren fotorresistencia gruesa y/o alineación y exposición de doble cara. Las aplicaciones avanzadas de empaquetado 3D, dispositivos ópticos y sistemas microelectromecánicos (MEMS) entran en esta categoría. Además, la plataforma de contacto es la misma que se utiliza en los procesos de impresión.
Recientemente, dos desarrollos han dado a la litografía de contacto potencial para volver a la litografía de semiconductores. En primer lugar, se ha demostrado que las mejoras de resonancia de plasmón de superficie, incluido el uso de películas de plata como lentes, dan una resolución de menos de 50 e incluso 22 nm utilizando longitudes de onda de 365 y 436 nm. [2] [3] [4] La exótica relación de dispersión del plasmón de superficie ha llevado a la longitud de onda extremadamente corta, que ayuda a romper el límite de difracción. [2] En segundo lugar, la litografía de nanoimpresión ya ha ganado popularidad fuera del sector de semiconductores (por ejemplo, discos duros, biotecnología) y es un candidato para la litografía de semiconductores de menos de 45 nm, impulsando prácticas de reducción de defectos y mejora de la uniformidad para máscaras en contacto con el sustrato. La litografía de impresión por pasos y destellos (SFIL), una forma popular de litografía de nanoimpresión que implica el curado por UV de la película de impresión, utiliza esencialmente la misma configuración que la litografía de contacto.
Generalmente, se crea una fotomáscara , que consiste en patrones de cromo opaco sobre una placa de vidrio transparente. El sustrato se recubre con una película delgada de fotorresistencia sensible a los rayos UV . Luego, el sustrato se coloca debajo de la fotomáscara y se presiona para que entre en contacto con ella. Luego, la muestra se expone, durante la cual se proyecta luz UV desde el lado superior de la fotomáscara. La fotorresistencia debajo del vidrio transparente se expone y se puede disolver con un revelador , mientras que la fotorresistencia debajo del cromo no recibe ninguna exposición a los rayos UV y permanecerá intacta después del revelado. El resultado es el patrón original replicado en forma de fotorresistencia. Luego, el patrón se puede transferir de forma permanente al sustrato mediante cualquier número de procesos de microfabricación , como grabado o despegue . Una sola fotomáscara se puede usar muchas veces para reproducir repetidamente un patrón en diferentes sustratos. Generalmente, se usa un "alineador de contacto" [5] para realizar esta operación, de modo que los patrones anteriores en un sustrato se puedan alinear con el patrón que se desea exponer.
Al salir de la interfaz fotomáscara-fotorresistencia, la luz formadora de imágenes se ve sometida a una difracción de campo cercano a medida que se propaga a través de la fotorresistencia. La difracción hace que la imagen pierda contraste a medida que aumenta la profundidad en la fotorresistencia. Esto se puede explicar por la rápida descomposición de las ondas evanescentes de orden más alto a medida que aumenta la distancia desde la interfaz fotomáscara-fotorresistencia. Este efecto se puede mitigar en parte utilizando una fotorresistencia más delgada. Recientemente se han descrito mejoras de contraste basadas en resonancias de plasmones y películas de lentes. [3] La principal ventaja de la litografía de contacto es la eliminación de la necesidad de ópticas de proyección complejas entre el objeto y la imagen. El límite de resolución en los sistemas ópticos de proyección actuales se origina en el tamaño finito de la lente de imagen final y su distancia desde el plano de la imagen. Más específicamente, la óptica de proyección solo puede capturar un espectro de frecuencia espacial limitado del objeto (fotomáscara). La impresión por contacto no tiene tal límite de resolución, pero es sensible a la presencia de defectos en la máscara o en el sustrato.
Existen varios tipos de máscaras de litografía de contacto.
La máscara de amplitud de intensidad binaria estándar define áreas oscuras y claras donde la luz se bloquea o se transmite, respectivamente. Las áreas oscuras son películas estampadas que consisten en cromo u otro metal.
La máscara de acoplamiento de luz tiene una superficie dieléctrica corrugada. Cada protuberancia actúa como una guía de ondas localizada. [6] La luz se transmite principalmente a través de las protuberancias como resultado de este efecto de guía localizado. Como se necesita menos área de contacto, hay menos posibilidades de que se produzcan defectos.
Se ha propuesto una máscara de contacto-nanoimpresión híbrida que utiliza tanto imágenes de contacto como impresión mecánica [7] para optimizar la obtención de imágenes de características grandes y pequeñas simultáneamente eliminando los problemas de la capa residual de impresión.
Las máscaras de contacto tradicionalmente han sido bastante grandes (>100 mm), pero es posible que las tolerancias de alineación requieran tamaños de máscara más pequeños para permitir el paso entre exposiciones.
Al igual que en la litografía por nanoimpresión, la máscara debe tener aproximadamente el mismo tamaño de característica que la imagen deseada. Las máscaras de contacto se pueden formar directamente a partir de otras máscaras de contacto o mediante escritura directa (por ejemplo, litografía por haz de electrones ).
Como se indicó anteriormente, una fotorresistencia más delgada puede ayudar a mejorar el contraste de la imagen. También se deben tener en cuenta los reflejos de la capa subyacente a la fotorresistencia cuando se reduce la absorción y la atenuación de las ondas evanescentes.
Se ha pronosticado que la resolución de la litografía de contacto superará la periodicidad λ/20. [8]
La resolución de paso de la litografía de contacto se puede mejorar fácilmente mediante exposiciones múltiples que generen imágenes de características entre características expuestas previamente. Esto es adecuado para características de matriz anidada, como en los diseños de memoria.
Los plasmones de superficie son oscilaciones colectivas de electrones libres confinados en superficies metálicas. Se acoplan fuertemente a la luz, formando polaritones de plasmones de superficie . Tales excitaciones se comportan efectivamente como ondas con longitud de onda muy corta (que se acercan al régimen de rayos X). [2] Al excitar tales oscilaciones en las condiciones adecuadas, pueden aparecer múltiples características entre un par de ranuras en la máscara de contacto. [9] La resolución alcanzable por las ondas estacionarias de polaritones de plasmones de superficie en una película metálica delgada es <10 nm con una longitud de onda en el rango de 380-390 nm utilizando una película de plata <20 nm. [2] Además, se ha demostrado que las ranuras estrechas y profundas en rejillas de transmisión metálicas permiten resonancias que amplifican la luz que pasa a través de las ranuras. [10]
Se ha propuesto que una capa de película metálica actúe como una "lente perfecta" para amplificar las ondas evanescentes, lo que da como resultado un contraste de imagen mejorado. Esto requiere ajustar la permitividad para que tenga una parte real negativa, por ejemplo, plata a una longitud de onda de 436 nm. [11] El uso de una lente de este tipo permite obtener imágenes con una amplia tolerancia de distancia entre la máscara y la fotorresistencia, al tiempo que se logra una mejora extrema de la resolución mediante el uso de la interferencia de plasmón de superficie, por ejemplo, un semitono de 25 nm con una longitud de onda de 436 nm. [11] El efecto de lente perfecta solo es efectivo para ciertas condiciones, pero permite una resolución aproximadamente igual al espesor de la capa. [12] Por lo tanto, una resolución inferior a 10 nm también parece factible con este enfoque.
El uso de la interferencia de plasmones de superficie proporciona una ventaja sobre otras técnicas de litografía, ya que la cantidad de características de la máscara puede ser mucho menor que la cantidad de características en la imagen deseada, lo que hace que la máscara sea más fácil de fabricar e inspeccionar. [2] [13] Si bien la plata es el metal más comúnmente utilizado para demostrar plasmones de superficie para litografía, el aluminio también se ha utilizado en una longitud de onda de 365 nm. [14]
Si bien estas técnicas de mejora de la resolución permiten contemplar características de 10 nm, se deben considerar otros factores para la implementación práctica. La limitación más fundamental parece ser la rugosidad de la fotorresistencia, que se vuelve predominante para períodos más cortos de sublongitud de onda donde solo se espera que se propague el orden de difracción cero. [3] Todos los detalles del patrón en este caso son transmitidos por las ondas evanescentes, que decaen más rápidamente para una resolución más fina. Como resultado, la rugosidad inherente de la fotorresistencia después del desarrollo puede volverse más significativa que el patrón.
Como ocurre con cualquier tecnología que dependa del contacto de superficies, los defectos son un motivo de gran preocupación. Los defectos son especialmente perjudiciales para la litografía de contacto en dos aspectos. En primer lugar, un defecto duro puede ampliar el espacio entre la máscara y el sustrato, lo que puede provocar fácilmente que desaparezcan las imágenes basadas en ondas evanescentes o interferencias de plasmones de superficie. En segundo lugar, los defectos más pequeños y blandos adheridos a la superficie metálica de la máscara pueden no alterar el espacio, pero pueden alterar la distribución de ondas evanescentes o destruir la condición de interferencia de plasmones de superficie.
La oxidación de la superficie del metal [15] también destruye las condiciones de resonancia plasmónica (ya que la superficie del óxido no es un metal).