La litografía sin máscara ( MPL ) es una tecnología similar a la fotolitografía sin fotomáscara que se utiliza para proyectar o escribir en el punto focal el patrón de la imagen sobre un sustrato recubierto con una capa química resistente (por ejemplo, una oblea ) mediante radiación UV o un haz de electrones. [1]
En la microlitografía , normalmente la radiación UV proyecta una imagen de una máscara de constante de tiempo sobre una emulsión fotosensible (o fotorresistencia ). [2] Tradicionalmente, se utilizan alineadores de máscara, steppers, escáneres y otros tipos de técnicas no ópticas para la microfabricación de microestructuras a alta velocidad , pero en el caso de MPL, algunos de estos se vuelven redundantes.
La litografía sin máscara tiene dos enfoques para proyectar un patrón: rasterizado y vectorizado . En el primero, se utiliza la generación de una imagen intermitente variante en el tiempo sobre una máscara (virtual) modificable electrónicamente que se proyecta con medios conocidos (también conocido como imagen directa por láser y otros sinónimos). En el enfoque vectorizado, la escritura directa se logra mediante radiación que se enfoca en un haz estrecho que se escanea en forma vectorial a través de la resistencia. Luego, el haz 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 .
La ventaja de MPL es una manipulación paralela de alta velocidad del patrón, habilitada por una capacidad computacional grande y económica disponible, lo que no es un problema con el enfoque estándar que se desacopla a un proceso de estructuración lento, pero preciso, para escribir una máscara a partir de un proceso de copia rápido y altamente paralelo para lograr altos rendimientos de replicación según lo exige la industria.
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 no lineal del material (por ejemplo, cuando se utiliza un sustrato no cristalino más económico o para compensar errores de colocación aleatorios de estructuras anteriores).
Las principales desventajas son la complejidad y los costos del proceso de replicación, la limitación de la rasterización con respecto al sobremuestreo causa artefactos de aliasing, especialmente con estructuras más pequeñas (que pueden afectar el rendimiento), mientras que la escritura vectorial directa tiene un rendimiento limitado. Además, el rendimiento digital de dichos sistemas constituye un cuello de botella para altas resoluciones, es decir, la estructuración de una oblea de 300 mm de diámetro con su área de ~707 cm² requiere aproximadamente 10 TiB de datos en un formato rasterizado sin sobremuestreo y, por lo tanto, sufre artefactos de paso ( 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 minuto al sustrato para lograr velocidades de fabricación de alto volumen. Por lo tanto, la litografía industrial sin máscara actualmente solo se utiliza ampliamente para estructurar sustratos de menor resolución, como en la producción de paneles de PCB , donde las resoluciones de ~50 μm son las más comunes (con una demanda de rendimiento ~2000 veces menor en los componentes).
En la actualidad, las principales formas de litografía sin máscara son la de haz de electrones y la óptica. Además, los sistemas de haz de iones enfocado (FIB) han establecido un importante papel en el análisis de fallas y la reparación de defectos. También se han demostrado sistemas basados en matrices de puntas de sonda mecánicas y térmicamente ablativas.
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 una gama igualmente amplia de energías de haz de electrones (~10 eV a ~100 keV). Esto ya se está utilizando en la producción a nivel de oblea 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. [3] El objetivo es utilizar el escaneo paralelo de los haces para acelerar la formación de patrones en áreas grandes. Sin embargo, una consideración fundamental aquí es hasta qué punto los electrones de haces vecinos pueden perturbarse entre sí (debido a la repulsión de Coulomb ). Dado que los electrones en haces paralelos viajan con la misma velocidad, se repelerán persistentemente entre sí, mientras que las lentes electrónicas actúan solo sobre una parte de las trayectorias de los electrones.
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 (producción en lotes pequeños). La tecnología subyacente utiliza microarreglos de modulación de luz espacial (SLM) basados en vidrio para bloquear la vía láser y evitar que llegue a un sustrato con una fotorresistencia (de manera similar a los dispositivos de microespejos digitales ). [4] [5] Este equipo ofrece una rápida creación de patrones 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 el empaquetado de microelectrónica, la electrónica 3D y la integración heterogénea se desarrolló en 1995 en la Microelectronics and Computer Technology Corporation (o MCC) en Austin, Texas. [6] El sistema MCC estaba completamente integrado con control de precisión para superficies 3D y software de inteligencia artificial con aprendizaje automático en tiempo real e incluía longitudes de onda láser para resistencia i-line estándar y DUV 248 nm. El sistema MCC también incluía capacidades de edición de circuitos para aislar circuitos en un diseño de oblea programable. En 1999, el sistema MCC se avanzó para su uso en la fabricación de MEMS. [7]
La litografía de interferencia o las exposiciones holográficas no son procesos sin máscara y, por lo tanto, no cuentan como "sin máscara", aunque no tengan un sistema de imágenes 1:1 en el medio.
La litografía de escritura directa plasmónica utiliza excitaciones de plasmones de superficie localizadas a través de sondas de escaneo para exponer directamente la fotorresistencia. [8]
Para mejorar la resolución de las imágenes, se utiliza luz ultravioleta , que tiene una longitud de onda más corta que la luz visible, para lograr una resolución de hasta aproximadamente 100 nm. Los principales sistemas de litografía óptica sin máscara que se utilizan actualmente 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 paso de 52 nm, utilizando una combinación de dos haces ópticos de diferentes longitudes de onda. [9]
La tecnología DLP también se puede utilizar para la litografía sin máscara. [10]
En la actualidad, los sistemas de haz de iones enfocado se utilizan comúnmente para eliminar defectos o descubrir características ocultas mediante pulverización catódica. El uso de pulverización catódica de iones debe tener en cuenta la redeposición del material pulverizado.
La escritura con haz de protones (o escritura con haz p) es un proceso de litografía de escritura directa que utiliza un haz enfocado de protones de alta energía ( MeV ) para crear patrones de material resistente en nanodimensiones. [11] El proceso, aunque similar en muchos aspectos a la escritura directa con electrones , ofrece algunas ventajas interesantes y únicas.
IBM Research ha desarrollado una técnica alternativa de litografía sin máscara basada en la microscopía de fuerza atómica . [12] Además, la nanolitografía Dip Pen es un nuevo enfoque prometedor para modelar características submicrométricas.
Las tecnologías que permiten la litografía sin máscara ya se utilizan para la producción de fotomáscaras y en la producción limitada a nivel de obleas. Existen algunos obstáculos para su uso en la fabricación de gran volumen. En primer lugar, existe una amplia diversidad de técnicas sin máscara. Incluso dentro de la categoría de haz de electrones, hay varios proveedores ( Multibeam , Mapper Lithography, Canon , Advantest , Nuflare, JEOL ) con arquitecturas y energías de haz completamente diferentes. En segundo lugar, aún es necesario cumplir los objetivos de rendimiento que superan las 10 obleas por hora. En tercer lugar, es necesario desarrollar y demostrar la capacidad y la habilidad para manejar el gran volumen de datos ( escala Tb ). [ cita requerida ]
En los últimos años, DARPA y NIST han reducido el apoyo a la litografía sin máscara en los EE. UU. [13]
En 2009, hubo un programa europeo que impulsaría la inserción de la litografía sin máscara para la fabricación de circuitos integrados en el nodo de medio paso de 32 nm. [14] El nombre del proyecto era MAGIC, o "Litografía sin máscara para la fabricación de circuitos integrados", en el marco del Séptimo Programa Marco (7PM) de la CE. [15]
Debido al aumento de los costos de las máscaras para patrones múltiples , la litografía sin máscara vuelve a impulsar investigaciones relevantes en este campo.
Desde al menos 2001, DARPA ha invertido en una variedad de tecnologías de modelado sin máscara, incluyendo matrices de rayos e en paralelo, matrices de sondas de escaneo en paralelo y una innovadora herramienta de litografía de rayos e para permitir un proceso de fabricación de bajo volumen. La tecnología tiene el nombre en código de rejillas de matrices regulares y exposiciones recortadas (GRATE) (anteriormente conocida como nanofabricación de bajo volumen rentable). [16] [17] [18]
En 2018, la empresa holandesa y rusa financiada conjuntamente ( Rusnano ) Mapper Lithography, que producía componentes MEMS de litografía sin máscara de haz de electrones múltiples, se declaró en quiebra y fue adquirida por ASML Holding , un importante competidor en ese momento. [19] La fundición que produce dispositivos está ubicada cerca de Moscú, Rusia. A principios de 2019, estaba dirigida por Mapper LLC. [20] Mapper Lithography se creó originalmente en la Universidad Tecnológica de Delft en 2000. [ cita requerida ]