La litografía sin máscara ( MPL ) es una tecnología similar a la fotolitografía sin máscara que se utiliza para proyectar o escribir con un punto focal el patrón de la imagen sobre un sustrato recubierto con resistencia química (por ejemplo, una oblea ) mediante radiación ultravioleta o haz de electrones. [1]
En microlitografía , normalmente la radiación UV proyecta una imagen de una máscara de constante de tiempo sobre una emulsión fotosensible (o fotorresistente ). [2] Tradicionalmente, se utilizan alineadores de máscaras, motores paso a paso, escáneres y otros tipos de técnicas no ópticas para la microfabricación de microestructuras a alta velocidad, pero en el caso de MPL, algunas de ellas se vuelven redundantes.
La litografía sin máscara tiene dos enfoques para proyectar un patrón: rasterizado y vectorizado . En el primero, utiliza la generación de una imagen intermitente variable en el tiempo sobre una máscara (virtual) modificable electrónicamente que se proyecta con medios conocidos (también conocidos como imágenes directas por láser y otros sinónimos). En el enfoque vectorial, 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 utiliza para escribir directamente la imagen en el fotoprotector, 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 a los rayos UV, incluye haces de electrones y también ablación mecánica o térmica mediante dispositivos MEMS .
La ventaja de MPL es una manipulación paralela de alta velocidad del patrón habilitada por una capacidad informática disponible grande y barata, lo cual no es un problema con el enfoque estándar que se desacopla de un proceso de estructuración lento pero preciso para escribir una máscara desde un método rápido y altamente. proceso de copia 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 el diseño doble o la compensación del comportamiento no lineal del material (por ejemplo, cuando se utiliza un sustrato no cristalino más barato 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 provoca artefactos de aliasing, especialmente con estructuras más pequeñas (lo que puede 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 las altas resoluciones, es decir, estructurar una oblea de 300 mm de diámetro con un área de ~707 cm² requiere alrededor de 10 Ti B de datos en un formato rasterizado sin sobremuestreo y, por lo tanto, sufre de artefactos escalonados ( aliasing ). El sobremuestreo en un factor de 10 para reducir estos artefactos agrega otros dos órdenes de magnitud, 1 PiB por oblea, que debe transferirse en aproximadamente 1 minuto 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 de ~50 µm son las más comunes (con una demanda de rendimiento ~2000 veces menor en los componentes).
Actualmente, las principales formas de litografía sin máscara son la óptica y la de haz de electrones. Además, los sistemas de haz de iones enfocados (FIB) han establecido un papel importante en el análisis de fallas y la reparación de defectos. Además, se han demostrado sistemas basados en conjuntos de puntas de sonda mecánicas y térmicamente ablativas.
La forma más comúnmente 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 haces 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 litografía convencional de haz de electrones de escritura directa para personalizar una única capa vía para la producción de ASIC de bajo costo.
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 el modelado de 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 a la misma velocidad, se repelerán persistentemente entre sí, mientras que las lentes de electrones actúan sólo en 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 de lotes pequeños). La tecnología subyacente utiliza micromatrices de modulación de luz espacial (SLM) basadas en vidrio para impedir que la ruta del láser llegue a un sustrato con un fotoprotector (de manera similar a los dispositivos de microespejos digitales ). [4] [5] Este equipo ofrece patrones rápidos en 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 empaquetado de microelectrónica, electrónica 3D e integración heterogénea se desarrolló en 1995 en 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 de 248 nm. 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. [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 tienen un sistema de imágenes 1:1 en el medio.
La litografía de escritura directa plasmónica utiliza excitaciones de plasmones superficiales localizadas mediante sondas de escaneo para exponer directamente el fotoprotector. [8]
Para mejorar la resolución de la imagen, 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 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 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 litografía sin máscara. [10]
Los sistemas de haz de iones enfocados se usan comúnmente hoy en día para eliminar defectos o descubrir características enterradas. El uso de pulverización iónica debe tener en cuenta la redeposición del material pulverizado.
La escritura por haz de protones (o escritura por haz p) es un proceso de litografía de escritura directa que utiliza un haz enfocado de protones de alta energía ( MeV ) para modelar material resistente en nanodimensiones. [11] El proceso, aunque similar en muchos aspectos a la escritura directa utilizando electrones , ofrece algunas ventajas interesantes y únicas.
IBM Research ha desarrollado una técnica alternativa de litografía sin máscara basada en 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 una producción limitada a nivel de oblea. Existen algunos obstáculos por delante 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 haces de electrones, hay varios proveedores ( Multibeam , Mapper Lithography, Canon , Advantest , Nuflare, JEOL ) con arquitecturas y energías de haz completamente diferentes. En segundo lugar, todavía es necesario cumplir los objetivos de rendimiento superiores a 10 obleas por hora. En tercer lugar, es necesario desarrollar y demostrar la capacidad y habilidad para manejar un gran volumen de datos ( escala Tb ). [ cita necesaria ]
En los últimos años, DARPA y NIST han reducido el apoyo a la litografía sin máscara en EE. UU. [13]
Hubo un programa europeo que impulsaría la inserción de litografía sin máscara para la fabricación de circuitos integrados en el nodo de medio paso de 32 nm en 2009. [14] El nombre del proyecto era MAGIC, o "Litografía sin máscara para la fabricación de circuitos integrados", en el marco de la séptima reunión del EC. Programa Marco (7PM). [15]
Debido al aumento de los costos de las máscaras para múltiples patrones , la litografía sin máscara una vez más impulsa investigaciones relevantes en este campo.
Desde al menos 2001, DARPA ha invertido en una variedad de tecnologías de creación de patrones sin máscara, incluidas matrices de haces de electrones paralelos, matrices de sondas de escaneo paralelas y una innovadora herramienta de litografía de haces de electrones para permitir procesos de fabricación de bajo volumen. La tecnología tiene el nombre en código Gratings of Regular Arrays and Trim Exposures (GRATE) (anteriormente conocida como nanofabricación rentable de bajo volumen). [16] [17] [18]
En 2018, la empresa Mapper Lithography, financiada conjuntamente por Holanda y Rusia ( Rusnano ), que produce componentes MEMS de litografía sin máscara de haz de electrones múltiples, quebró y fue adquirida por ASML Holding , un importante competidor en ese momento. [19] La fundición que produce dispositivos se encuentra cerca de Moscú, Rusia. A principios de 2019 estaba dirigido por Mapper LLC. [20] La litografía Mapper se creó originalmente en la Universidad Tecnológica de Delft en 2000. [ cita necesaria ]