thumb|250px|Parte do wafertrack usado para ser iluminada com luz de 365 nm (ultravioleta) A Fotolitografia (também denominada litografia óptica) é um processo que consiste na utilização de radiação luminosa para a transferência de um padrão para uma camada de fotorresiste (resina fotossensível) depositada sobre uma amostra, geralmente um substrato de silício (wafer). Trata-se de uma técnica fundamental na manufatura de circuitos integrados (CI).
O processo inicia-se com a aplicação de um material fotossensível, denominado fotorresiste, sobre o substrato. Em seguida, uma fotomáscara contendo o padrão desejado é posicionada sobre a camada de fotorresiste. A exposição à luz através da fotomáscara promove a incidência seletiva de radiação em determinadas regiões do material fotossensível. As áreas expostas sofrem modificações químicas que as tornam solúveis ou insolúveis em uma solução reveladora, dependendo do tipo de fotorresiste utilizado (positivo ou negativo). Após a etapa de revelação, o padrão é transferido ao substrato por meio de processos subsequentes, tais como corrosão (etching), deposição química em fase de vapor (CVD), deposição física em fase de vapor (PVD), galvanoplastia ou implantação iônica.
Os processos de fotolitografia podem ser classificados de acordo com o tipo de radiação empregada, incluindo litografia ultravioleta (UV), ultravioleta profunda (DUV), ultravioleta extrema (EUVL) e litografia por raios X. O comprimento de onda da radiação utilizada determina a dimensão mínima das estruturas que podem ser definidas no fotorresiste. Tradicionalmente, emprega-se radiação ultravioleta.
A fotolitografia constitui o método predominante na fabricação de semicondutores para circuitos integrados (ICs ou “chips”), como memórias de estado sólido e microprocessadores. A técnica possibilita a formação de padrões extremamente reduzidos, alcançando escalas de poucos nanômetros, com elevado grau de precisão dimensional e geométrica. Além disso, permite a padronização de toda a superfície de uma pastilha em uma única etapa, de maneira relativamente rápida e com custos competitivos. Em dispositivos integrados complexos, uma mesma pastilha pode ser submetida ao ciclo fotolitográfico dezenas de vezes, frequentemente até cerca de cinquenta iterações. A fotolitografia também desempenha papel central na microfabricação em geral, incluindo a produção de sistemas microeletromecânicos (MEMS). Entretanto, a técnica apresenta limitações, como a necessidade de superfícies altamente planas e condições operacionais extremamente limpas, características comuns aos processos de fabricação de semicondutores.
A fotolitografia constitui uma subclasse da microlitografia, termo abrangente que designa processos destinados à geração de filmes finos padronizados. Outras tecnologias inseridas nesse escopo incluem o uso de feixes de elétrons direcionáveis, nanoimpressão, litografia por interferência, métodos baseados em campos magnéticos e técnicas com sondas de varredura. Em um nível mais amplo, pode competir com abordagens baseadas em auto-organização direcionada de micro- e nanoestruturas.
Do ponto de vista conceitual, a fotolitografia compartilha princípios fundamentais com a fotografia, uma vez que o padrão no fotorresiste é formado pela exposição controlada à luz — seja por projeção óptica através de um sistema de lentes, seja por iluminação direta de uma máscara em contato com o substrato. A técnica pode ser compreendida como uma versão de alta precisão do método tradicional utilizado na produção de placas para impressão litográfica em papel. A denominação do processo decorre dessa analogia histórica; contudo, as etapas subsequentes apresentam maior semelhança com processos de corrosão química do que com a litografia clássica.
Fotorresistes convencionais são, em geral, constituídos por três componentes principais: uma resina (matriz polimérica), um agente sensibilizador e um solvente.
História
Na década de 1820, Nicéphore Niépce inventou um processo fotográfico que utilizava o Betume da Judeia, um asfalto natural, como a primeira fotorresina. Um revestimento fino de betume sobre uma folha de metal, vidro ou pedra tornava-se menos solúvel onde era exposto à luz; as partes não expostas podiam então ser enxaguadas com um solvente adequado, expondo o material subjacente, que era então gravado quimicamente em um banho de ácido para produzir uma placa de impressão. A sensibilidade à luz do betume era muito baixa e eram necessárias exposições muito longas, mas, apesar da introdução posterior de alternativas mais sensíveis, o seu baixo custo e a excelente resistência a ácidos fortes prolongaram a sua vida comercial até ao início do século XX.
Em 1940, Oskar Süß criou uma fotorresina positiva utilizando diazonaftoquinona, que funcionava de maneira oposta: o revestimento era inicialmente insolúvel e tornava-se solúvel onde era exposto à luz. Em 1954, Louis Plambeck Jr. desenvolveu a placa tipográfica polimérica Dycryl, que tornou o processo de fabricação de placas mais rápido. O desenvolvimento de fotorresinas costumava ser realizado em lotes de wafers (processamento em lote) mergulhados em um banho de revelador, mas as ofertas de processos modernos realizam o desenvolvimento de um wafer de cada vez (processamento de wafer único) para melhorar o controle do processo.
Em 1957, Jules Andrus patenteou um processo fotolitográfico para fabricação de semicondutores enquanto trabalhava no Bell Labs. Ao mesmo tempo, Moe Abramson e Stanislaus Danko, do Signal Corps do Exército dos EUA, desenvolveram uma técnica para imprimir circuitos.
Em 1952, os militares dos EUA designaram Jay W. Lathrop e James R. Nall, no National Bureau of Standards (mais tarde o Laboratório de Espoletas de Artilharia Diamond do Exército dos EUA, que eventualmente se fundiu para formar o atual Laboratório de Pesquisa do Exército), com a tarefa de encontrar uma maneira de reduzir o tamanho dos circuitos eletrônicos para melhor acomodar a fiação necessária no espaço limitado disponível dentro de uma espoleta de proximidade. Inspirado pela aplicação de fotorresina, um líquido fotossensível usado para marcar os limites dos furos de rebites em asas de metal de aeronaves, Nall determinou que um processo semelhante poderia ser usado para proteger o germânio nos transistores e até mesmo padronizar a superfície com luz. Durante o desenvolvimento, Lathrop e Nall tiveram sucesso na criação de um circuito integrado híbrido miniaturizado em 2D com transistores usando esta técnica. Em 1958, durante a conferência do Grupo Profissional de Dispositivos Eletrônicos (PGED) do IRE em Washington, D.C., eles apresentaram o primeiro artigo a descrever a fabricação de transistores usando técnicas fotográficas e adotaram o termo "fotolitografia" para descrever o processo, marcando o primeiro uso publicado do termo para descrever a padronização de dispositivos semicondutores.
Apesar do fato de que a fotolitografia de componentes eletrônicos diz respeito à gravação de duplicatas de metal, em vez de gravar pedras para produzir uma "matriz" como na impressão litográfica convencional, Lathrop e Nall escolheram o termo "fotolitografia" em vez de "fotogravação" (*photoetching*) porque o primeiro soava mais "tecnológico". Um ano após a conferência, a patente de Lathrop e Nall sobre fotolitografia foi formalmente aprovada em 9 de junho de 1959. A fotolitografia contribuiria mais tarde para o desenvolvimento dos primeiros CIs de semicondutores, bem como dos primeiros microchips.
Processo thumb|Ilustração simplificada da gravação a seco usando fotorresiste positivo durante um processo de fotolitografia na microfabricação de semicondutores Uma única iteração da fotolitografia combina várias etapas em sequência. Salas limpas modernas usam sistemas automatizados e robóticos de trilha de wafer (*wafer track*) para coordenar o processo. O procedimento descrito aqui omite alguns tratamentos avançados, como agentes diluentes. O processo de fotolitografia é realizado pela trilha de wafer e pelo *stepper*/scanner, e o sistema de trilha de wafer e o *stepper*/scanner são instalados lado a lado. Os sistemas de trilha de wafer também são conhecidos como sistemas de revestidor/revelador de wafer (*wafer coater/developer*), que desempenham as mesmas funções. As trilhas de wafer (*wafer tracks*) são nomeadas após os "trilhos" usados para transportar os wafers dentro da máquina, mas as máquinas modernas não usam trilhos.
Limpeza Se contaminações orgânicas ou inorgânicas estiverem presentes na superfície do wafer, elas geralmente são removidas por tratamento químico úmido, por exemplo, o procedimento de limpeza RCA baseado em soluções contendo peróxido de hidrogênio. Outras soluções feitas com tricloroetileno, acetona ou metanol também podem ser usadas para limpeza.
Preparação O wafer é inicialmente aquecido a uma temperatura suficiente para eliminar qualquer umidade que possa estar presente na superfície do wafer; 150 °C por dez minutos é suficiente. Wafers que estiveram em armazenamento devem ser limpos quimicamente para remover a contaminação. Um "promotor de adesão" líquido ou gasoso, como a Bis(trimetilsilil)amina ("hexametildissilazano", HMDS), é aplicado para promover a adesão da fotorresina ao wafer. A camada superficial de dióxido de silício no wafer reage com o HMDS para formar dióxido de silício trimetilado, uma camada altamente repelente de água (hidrofóbica), não muito diferente da camada de cera na pintura de um carro. Esta camada repelente de água impede que o revelador aquoso penetre entre a camada de fotorresina e a superfície do wafer, prevenindo, assim, o chamado descolamento (*lifting*) de pequenas estruturas de fotorresina no padrão (em revelação). Para garantir o desenvolvimento da imagem, é melhor cobri-lo e colocá-lo sobre uma placa de aquecimento e deixá-lo secar enquanto estabiliza a temperatura em 120 °C.
Aplicação da fotorresina O wafer é coberto com líquido de fotorresina por revestimento por rotação (*spin coating*). Assim, a camada superior da resina é rapidamente ejetada da borda do wafer, enquanto a camada inferior ainda rasteja lentamente radialmente ao longo do wafer. Desta forma, qualquer "calombo" ou "cumeeira" de resina é removido, deixando uma camada muito plana. No entanto, filmes viscosos podem resultar em grandes cordões de borda (*edge beads*), que são áreas nas bordas do wafer ou da fotomáscara com maior espessura da resina, cuja planarização tem limites físicos. Frequentemente, a remoção do cordão de borda (EBR - *Edge bead removal*) é realizada, geralmente com um bocal, para remover esta resina extra, pois, caso contrário, poderia causar contaminação por partículas. A espessura final também é determinada pela evaporação dos solventes líquidos da resina. Para recursos muito pequenos e densos (< 125 nm ou mais), são necessárias espessuras de resina mais baixas (< 0,5 mícron) para superar os efeitos de colapso em altas razões de aspecto; as razões de aspecto típicas são < 4:1.
O wafer revestido com fotorresina é então pré-cozido (*prebaked*) para expelir o excesso de solvente da fotorresina, tipicamente a 90 a 100 °C por 30 a 60 segundos em uma placa de aquecimento. Um revestimento BARC (*Bottom Anti-Reflectant Coating* - Revestimento Antirreflexo Inferior) pode ser aplicado antes da aplicação da fotorresina, para evitar a ocorrência de reflexões sob a fotorresina e para melhorar o desempenho da fotorresina em nós de semicondutores menores, como 45 nm e abaixo. Também existem Revestimentos Antirreflexo Superiores (TARCs - *Top Anti-Reflectant Coatings*). A litografia EUV é única no sentido de que permite o uso de fotorresinas com óxidos metálicos.
Exposição e revelação