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Fotolithografie: Wie Du ein Schaltkreis in 7 einfachen Schritten herstellst

Fotolithographie
Level 3 (bis zum Physik B. Sc.)
Level 3 setzt Kenntnisse der Vektorrechnung, Differential- und Integralrechnung voraus. Geeignet für Studenten und zum Teil Abiturienten.
Aktualisiert von Alexander Fufaev am
Illustration : Fotolithografie: so wird ein Schaltkreis hergestellt.
  1. Auf ein Substrat (z.B. ein Siliziumwafer) wird eine Materialschicht mittels eines Beschichtungsverfahrens aufgetragen (z.B. mittels PVD, MBE oder LPE geschehen). Diese Materialschicht wird später als Leiterbahn dienen, durch die dann ein elektrischer Strom fließen kann.

  2. Im nächsten Schritt wird eine Schicht Fotolack (in der Fachsprache Resist genannt) auf das Substrat aufgetragen. Beim Fotolack handelt es sich um einen Kunstoff, der durch Lichteinwirkung beeinflusst werden kann. Es gibt einen positiven Lack, bei dem die bestrahlten Bereiche und einen negativen Lack, bei dem die NICHT-bestrahlten Bereiche, herausgelöst werden. Außerdem wird das Substrat in Rotation gebracht, um den draufgegossenen Lack gleichmäßig auf der Materialschicht zu verteilen.

  3. Dann wird vor den Fotolack eine Maske gebracht, in der die Leiterbahnen herausgeschnitten sind (die Maske enthält also die Form der Leiterbahnen). Die Maske sollte so nah wie möglich an den Fotolack gebracht werden, um die Lichtbeugung an den Spalten zu minimieren. Man kann sogar die Maske komplett auf den Fotolack legen, um die Lichtbeugung zu verhindern. Dadurch geht aber die Maske meistens kaputt (teuer).

  4. Nun wird die Maske mit einer bestimmen Wellenlänge beleuchtet. Hierbei kann sichtbares Licht, UV-Licht, Synchrotronstrahlung oder sogar Elektronenstrahlung eingesetzt werden. Nach der Bestrahlung bleiben nur die Bereiche des Fotolacks übrig, die nicht bestrahlt wurden (positiver Fotolack) bzw. nur die Bereiche, die bestrahlt wurden (negativer Fotolack).

  5. Im vorletzten Schritt werden die Bereiche, wo der Fotolack entfernt wurde, weggeätzt (Nassätzen, Trockenätzen), sodass nur noch die Lackschicht auf den dahinter liegenden Leiterbahnen (Materialschicht) übrig bleibt.

  6. Im letzten Schritt wird dieser restliche Lack durch nochmalige Belichtung entfernt. Übrig bleibt ein fertiger integrierter Schaltkreis - bestehend aus dem Substrat und den integrierten Leiterbahnen.

Welche Parameter beeinflussen die Strukturgröße?

Die Auflösungsgrenze \( w \), also wie nah zwei Objekte nebeneinander platziert werden können, bestimmst du mit der folgenden Formel:

Formel: Auflösungsgrenze
Anker zu dieser Formel

Die Auflösungsgrenze hängt von der Lichtwellenlänge \( \lambda \), mit der die Maske bestrahlt wird. Außerdem spielt der Brechungsindex \( n \) des Mediums zwischen der Maske und der Materialschicht eine Rolle, sowie der Öffnungswinkel \( \alpha_{\text{max}} \). Die Auflösungsgrenze wird aber auch von dem verwendeten Abbildungssystem (z.B. Einsatz von Linsensystemen) beeinflusst, welches im Faktor \( k \) berücksichtigt wird.