Yarı iletken teknolojisinde fotolitografi süreci

Haberleşmeden bilişim ve otomasyon sistemlerine kadar geniş bir alanda kullanıma sahip olan yarı iletken aygıtların üretiminde temel adımlardan bir tanesi de fotolitografi sürecidir. Fotolitografi süreci, yarı iletken üretiminde ana itici güç olup bu endüstrinin kalbi konumundadır. Baş döndürücü bir hızla gelişmekte olan yarı iletken teknolojisinin seviyesini belirleyen en önemli ölçütlerden birisi, kritik boyut (CD) olarak adlandırılan tümdevre üzerindeki en küçük boyuttur. Kritik boyutun küçülmesinin hedeflenmesi, fotolitografi sürecindeki gelişmeleri de beraberinde getirmiştir. Fotolitografi sürecinin gelişmesiyle boyutlar küçülmüş, içerisinde milyonlarca yapının yer aldığı devrelerin üretilmesine olanak sağlamıştır. Boyutlardaki küçülmenin temel amacı, daha hızlı çalışan devrelerin üretilmesi olup bunun yanında düşük üretim maliyeti, düşük güç tüketimi ve iş kabiliyetinin artması gibi özellikleri de beraberinde getirmektedir.

Fotolitografi ilk olarak Alman bilim adamı Aloys Senefelder tarafından bulunmuştur. Litografi kelimesi, Lithos (taş) ve Graphia (yazmak) olmak üzere iki Latince kelimeden ortaya çıkmıştır. Yapılan ilk baskı, güneş ışınları kullanılarak ıslak aşındırma ile 1827 yılında Lemaitre tarafından basılan Cardinal d’Ambosie’nin portresidir.

Fotolitografi

Fotolitografi mor ötesi (UV), derin mor ötesi (DUV) veya uç mor ötesi (EUV) ışık kaynağı kullanılarak bir maske üzerindeki modelin çoğunlukla silisyum pul üzerine aktarılması işlemidir. Fotolitografi sürecinde, fotorezist olarak adlandırılan ışığa duyarlı bir malzeme ile kaplanan numune yüzeyi, ışığa maruz bırakılır ve uygun çözelti ile maruz kalması sonucu model ortaya çıkar. 1960’lı yıllarda 10 µm teknolojisi ile başlayan bu süreç günümüzde 10 µm boyutlarına kadar düşmüş ve düşmeye devam etmektedir.

Yıl bazında üretilen en küçük boyuttaki transistör ve kullanılan teknolojiler Şekil 2’de gösterilmektedir. Son geliştirilen fotolitografi sistemleri (EUV), CO2 lazer sistemi kullanarak saatte 100’den fazla pul işleyebilmektedir. 10 µm’den daha küçük yapıların üretilmesini sağlayan EUV fotolitografi sistemlerinde kullanılan lazerin dalga boyu 13,5 µm dir.

Maske üzerindeki veriyi pul üzerine aktarma süreci Şekil 3’deki aşamalardan oluşmaktadır. Fotorezist kaplama işleminden önce pul yüzeyinde bulunan kimyasal artıkların ve toz parçacıklarının temizlenmesi gerekmektedir. Pul yüzeyinde bulunan bu kirlilikler, fotorezist kaplama sırasında homojen boyut dağılımını bozmaktadır. Pullar fotolitografi sürecinden önce mutlaka temizlik aşamasından geçmelidir. Öncelikle fotolitografi sürecinin çalışılacağı ortam yani temiz oda genel olarak kabul gören Federal Standart 209E’ye göre en az 10 sınıfında olmalıdır. Yani birim ft3 hava içerisinde 0,5 µm’dan büyük en fazla 10 adet partikül bulunmalıdır. YİTAL’de fotolitografi süreçlerinin yürütüldüğü temiz alan, sınıf 10 kategorisindedir.

Pullar temizlendikten sonra yüzeyin sonraki işlem için hazırlanması gerekmektedir. Fotorezistin yüzeye iyi tutunması için yüzey geliştirici (adhesion promoter) bir kimyasal uygulanmaktadır. Temizleme işleminden sonra pul yüzeyinde OH bağları oluşmaktadır. Öncelikle ısıtma işlemi yapılarak pul yüzeyinde bulunan nem uzaklaştırılmakta olup ardından Hekzametildisilakzan (HMDS) uygulanarak pul yüzeyi hidrofobik bir yapıya dönüştürülmektedir.

Fotorezist

Fotorezist ışığa duyarlı organik bir kimyasaldır. Pozitif ve negatif olmak üzere iki tip fotorezist bulunmaktadır. Pozitif fotorezist uygulandığında ışığa maruz kalan yerler uzaklaştırılmaktadır. Işık alan bölgedeki kimyasal yapı bazik bir çözeltide çözünebilir hale gelmektedir. Işık almayan bölgelerde ise herhangi bir kimyasal değişim olmamaktadır. Negatif fotorezist ise pozitif fotorezistin tam tersidir. Işık almayan bölgedeki fotorezist çözünebilir bir yapıya sahiptir. Işık alan bölgelerdeki fotorezist ise çapraz bağlı bir yapıya dönüşmekte ve çözünme mümkün olmamaktadır. Fotorezistlerin içerisinde ağırlık olarak %50- 90 çözücü, %10-40 reçine, %1-8 ışığa duyarlı kimyasal ve %1’den az katkı maddeleri bulunmaktadır.

Pozitif fotorezistler için en yaygın kullanılan bileşenler; fenol formaldehit Novolak reçine ve Diazo nafta quinon (DNQ) foto aktif kimyasaldır. DNQ, yani foto aktif bileşen, ışıklanma sırasında kimyasal reaksiyona girer, bu olaya fotoliz denilir. DNQ’ye ait fotoliz mekanizmasında Şekil 5’de gösterildiği gibi öncelikle azot salınımı ile beraber ketokarben oluşmaktadır. Sonrasında ketokarbenin ketene düzenlenir ve havadaki nem ile beraber karboksilik asit türevinde bir kimyasal meydana gelir. Bu yüzden fotolitografi yapılan ortamın nem miktarı çok önemlidir. Eğer havadaki nem miktarı yeterli gelmezse keten, fotorezist içerisinde bulunan fenol reçine ile tepkimeye girerek alkali çözeltilerde çözünmesi mümkün olmayan çapraz bağlı bileşikler oluşturmaktadır.

YİTAL’de temiz alan sıcaklık ve nem değerleri yüksek hassasiyet ile takip edilmekte olup fotolitografi süreci için gerekli şartlar sağlanmaktadır. Ağırlık bakımından en çok oranda bulunan çözücü, fotorezistin sıvı halde bulunmasını sağlamaktadır. Ayrıca çözücü miktarında değişim yapılarak karışımın viskozitesi ayarlanabilmektedir. Viskozite değişimi yapılarak pul yüzeyine kaplanacak fotorezistin kalınlığı değiştirilebilmektedir.

Fotorezistin, pul yüzeyine istenilen kalınlıkta ve homojen bir şekilde kaplanması gerekmektedir. Bu işlem için birçok teknik kullanılmaktadır. YİTAL üretim sürecinde de yer alan ve günümüzde en yaygın olarak “Spin Coating” adı verilen merkezkaç kuvvetinden faydalanılan teknik kullanılmaktadır. Dönmekte olan pulun tam orta noktasına akıtılan fotorezist, merkezkaç etkisi ile kenarlara doğru itilerek homojen bir kaplama elde edilmektedir.

Pul yüzeyine fotorezist kaplandıktan sonra içerisinde bulunan çözücünün uzaklaştırılması gerekmektedir. Fotorezist ilk ısıtma işleminin amacı, çözücünün fazlasını uzaklaştırmak yoluyla polimer zincirlerinin belirli bir düzen çerçevesinde sıkılaşmasını sağlamaktır. Bu teknik kullanılarak yapılan kaplamalarda fotorezist içerisinde %10-35 arasında çözücü kalmaktadır. Genellikle 70-100°C arasında yapılan ön ısıtma sonucunda bu fotorezist içerisinde kalan çözücü miktarı % 5 ve altına düşmektedir. Ön ısıtma işleminin diğer faydaları; fotorezistin yüzeye daha iyi tutunması, ışıklandırma sırasında azot patlamalarının önüne geçmesi ve maskenin kirliliğini azaltması olarak sıralanabilir.

Işıklandırma

Fotolitografide en önemli basamak ışıklandırma teknikleri ve teknolojileridir. Yarı iletken teknolojisinin gelişmesi yani kritik boyutun küçülmesi, fotolitografi sürecinde kullanılan ışıklandırma teknikleri ve ışık şiddetinin gelişmesi ile gerçekleşmektedir. Şekil 7’de gösterildiği gibi herhangi bir ışık kaynağından çıkan ışınlar maskeden geçerek istenilen yapıları oluşturmaktadır. Burada yer alan maske iki tip alandan oluşmaktadır. Bunlar; mat ve geçirgen yüzeylerdir. Şekil 7’den anlaşılacağı üzere maskenin açık alanından geçen ve pul üzerine düşen ışık şiddeti değişiklik göstermektedir. Fotolitografi cihazlarının doğası gereği oluşan normal dağılım kaçınılmazdır.

Maskeden geçen ve yayılım yapan ışıklar objektif lense giriş yapar. Yayılım yapan ışıklar x ve y eksenlerini içeren düzleme düşmektedir. Objektif lenslerin boyutları sınırlı olduğu için bütün yayılım yapan ışıklar mercekte toplanamamaktadır. Objektif lensler genel olarak dairesel bir yapıya sahip oldukları için lens girişindeki açıklıkta dairesel olacaktır. Bu açıklığa sayısal açıklık (numerical aperture, NA) denilmektedir. Sayısal açıklık, objektif lensin çapı ile doğru orantılı olarak değişmektedir. Sayısal bir denklem ile göstermek gerekirse; maskeden yayılan ışıkların maksimum lense giriş yapma açısının yarısının sinüs değeri ile ifade edilebilmektedir (NA=nsinα).

Sayısal açıklık ne kadar fazla olursa mercekte toplanan ışıklar o kadar fazla olur ve pul üzerinde daha kaliteli bir görüntü oluşur. Fotolitografi sürecinde çözünürlük yani pul üzerinde şekillenen en küçük boyut, yaygın olarak aşağıda verilen Rayleigh Kriteri ile tanımlanır.

R=k1 λ/NA

Denklemde yer alan λ (dalga boyu) ve NA değerleri fotolitografi cihazı ile ilgili iken k1 sabiti ortamın, fotorezistin ve development sürecinin özelliklerine göre değişmektedir.

Şekillendirme cihazlarının önemli özelliklerinden biri de odak derinliğidir. Şekil 9’daki gösterimden anlaşılacağı üzere odak derinliği (DOF); ideal görüntünün oluştuğu yer ile gerçek durumda oluşabileceği en uç yer arasındaki farkı göstermektedir. Pul yüzeyindeki yükseklik farkından dolayı şekillendirme aşamasında hatalar meydana gelebilmektedir. DOF değerinin büyük olması, fotolitografi sürecinde pul yüzeyinde yükseklik farkından dolayı oluşabilecek hataların tolere edilebileceğini gösterir. Odak derinliği yine Rayleigh tarafından aşağıdaki eşitlik ile ifade edilmiştir.

DOF=k₂ λ/NA^2

Fotolitografi sürecinde çözünürlüğü yani kritik boyutu küçültmek için ilk eşitlikten yola çıkarak sayısal açıklığın artırılması gerektiği düşünülse de ikinci eşitlik incelendiğinde odak derinliğini artırmak için sayısal açıklığın düşürülmesi gerekmektedir. İki eşitliğin bir bütün olarak değerlendirilmesi gerekmektedir.

YİTAL üretim hattında i-line ve g-line dalga boyuna sahip şekillendirme cihazları yer almaktadır. 436 µm(g-line) dalga boyuna sahip olan cıvalı ark lambalı fotolitografi sistemlerinde kritik boyut 0.7 µm iken 365 µm (i-line) dalga boyuna sahip fotolitografi sisteminde kritik boyut 0.35 µm’dir. Ayrıca çeşitli çözünürlük geliştirme yöntemleri kullanılarak kritik boyut düşürülebilmektedir. YİTAL çeşitli çözünürlük geliştirme yöntemleri kullanarak 0.24 µm kritik boyuta sahip transistörler ve devreler üretmektedir.

Adımlayıcı ve tarayıcı fotolitografi sistemlerde ikinci lens sistemi, maske üzerindeki boyutu belirli bir oranda (1:5) küçülterek pul yüzeyine aktarmaktadır. Bu sistemlerde cihaz, kırmık boyu kadar adımlamalar yaparak pulun üzerinde birden fazla yonga oluşmasını sağlamaktadır. Bu adımlama ve ışıklandırma işlemlerinin tekrarı ile pul yüzeyinin tamamı şekillendirilmektedir.

Adımlayıcıların aydınlatma sistemleri, istenilmeyen dalga boylarını filtrelemeli ve istenilen dalga boyunda ışığa geçirgen olmalıdır. Yine bunun dışında ışıklandırma dozunu kontrol edebilmeli ve homojen bir ışık sağlamalıdır. Maskenin ışıklandırması büyük bir alanda homojen olmalıdır. Aydınlatma sistemlerindeki homojenlik, bir dizi merceğin kullanılmasıyla artırılabilmektedir.

Optik litografi, şekillendirme için belirli bir dalga boyundaki ışık kaynağını kullanırken daha yeni teknolojilerde iyon demeti, elektron demeti gibi kaynaklar kullanılmaktadır. Ayrıca yeni teknolojiler ile maskesiz şekillendirme yapmak da mümkündür.

Işıklanma sonrası ısıtma işlemi (PEB) yapılarak fotorezist moleküllerinin ısıl olarak hareketiyle ışıklanmış ve ışıklanmamış moleküllerin tekrar düzenlenmesi sağlanmaktadır. Bu sayede duran dalga etkileri engellenmekte, fotorezist yan duvarı düzgünleşmekte ve çözünme daha düzenli olmak tadır. Uzun süre ve yüksek sıcaklıkta yapılan ısıtma, fotorezistin çözünmesini yavaşlatmakta veya durdurmaktadır. PEB’in etkinliği fotorezistin içerdiği ışığa duyarlı olan bileşenin, foto-asitin difüzyon sabitlerine, moleküllerinin büyüklüğüne ve ilk ısıtma işlemi sonrasında kalan çözücünün miktarına bağlıdır. PEB sıcaklığı fotorezistin içerdiği reçinenin camsı geçiş sıcaklığına bağlıdır ve camsı geçiş sıcaklığının, PEB sıcaklığının üzerinde olması önerilmektedir.

Yarı iletken üretiminde, genel olarak fotorezist uzaklaştırılması için bazik çözeltiler kullanılmaktadır. En yaygın olarak kullanılan kimyasal ise içerisinde herhangi bir metalik iyon bulundurmayan tetrametil amonyum hidroksit (TMAH) çözeltisidir. Sodyum ve potasyum hidroksit çözeltileri kapı oksidinin (gate oxide) bütünlüğünü azalttığı için tercih edilmemektedir. Fotorezist uzaklaştırma işlemi; pul yatay konumdayken üzerine tamamen kaplayacak çözelti akıtılarak ve bir süre bekletilerek yapılmaktadır. Fotorezistin uzaklaşması için yeterli süre kadar bekletildikten sonra pul de-iyonize su ile temizlenir ve kurutulur.

İyon ekme ve aşındırma öncesi fotorezist yüksek sıcaklıkta ısıtma işlemi ile sertleştirilerek kararlı bir yapıya dönüştürülmektedir. Bu işlem sırasında fotorezist içinde çapraz bağlar oluşmakta, kalan nem ve gazlar giderilmektedir. Fotorezistin son ısıtma sıcaklığı camsı geçiş sıcaklığı ile sınırlı kalmaktadır. Camsı geçiş sıcaklığının üzerinde amorf yapıdaki polimer zincirlerinin moleküler hareketi gerçekleşmektedir. Bu hareket camsı geçiş sıcaklığı altında durmaktadır. Camsı geçiş sıcaklığı üzerinde, fotorezist akmakta ve şekillendirme profili bozulmaktadır.