Esposizione: «stampare» il motivo sul disco encoder

L’esposizione è il passo centrale della fotolitografia: la luce ultravioletta attraversa la fotomaschera e «stampa» il motivo del disco nel fotoresist. L’articolo spiega la differenza fra esposizione a contatto e di prossimità, perché la dose deve essere giusta, come gap e lunghezza d’onda limitano la linea più fine stampabile e su che cosa si fa l’allineamento.

Nei vecchi studi fotografici le stampe si facevano premendo il negativo sulla carta fotografica e accendendo per un attimo la lampada: l’immagine del negativo veniva «stampata» sulla carta. L’esposizione di un disco encoder funziona quasi allo stesso modo: il negativo diventa una fotomaschera, la carta fotografica diventa vetro cromato rivestito di fotoresist, la lampada diventa luce ultravioletta. La differenza è che qui le linee da stampare possono essere larghe solo pochi micrometri.

Figura 1 – A sinistra la maschera è premuta sul resist, a destra resta un gap g; con l’aumentare della dose, la zona in cui la dose accumulata sulla superficie del resist supera la soglia di dissoluzione è l’apertura che si scioglierà allo sviluppo

Per esporre servono tre cose

Fotomaschera: il motivo del disco realizzato in cromo su vetro trasparente, l’equivalente del «negativo». Per motivi riprodotti 1:1 come i dischi encoder, la maschera ha la stessa dimensione del disco.
Luce ultravioletta: di solito le righe UV di una lampada a mercurio, per esempio la riga i a 365 nm; si usano anche LED UV. La luce deve essere il più possibile collimata e con irradianza uniforme.
Fotoresist: sensibile solo all’ultravioletto e alla luce a corta lunghezza d’onda, motivo per cui la sala di litografia è illuminata con luce gialla.

Con il comune resist positivo, le zone esposte diventano solubili nello sviluppatore. Dove il cromo opaco della maschera blocca la luce, il resist resta e anche il cromo sottostante rimane a formare le linee. Con resist positivo, quindi, il bianco e nero della maschera coincide con quello del disco.

Contatto e prossimità

Vedi Figura 1. Nell’esposizione a contatto la maschera è premuta direttamente sulla superficie del resist; la luce scende dritta attraverso le aperture quasi senza allargarsi e i bordi sono netti. Il prezzo è che la maschera tocca ripetutamente il resist e si usura facilmente, si sporca di resist o raccoglie particelle: una sola particella può stampare un difetto su ogni lastra successiva.

Nell’esposizione di prossimità fra maschera e resist resta un piccolo gap g; la maschera non tocca il resist, dura di più e i difetti sono meno. Ma dopo l’apertura la luce si diffrange, i bordi si sfumano e parte della luce «filtra» sotto le linee di cromo: la curva di dose a destra in Figura 1 non è più un rettangolo ripido.

Dose di esposizione: deve essere giusta

Dose di esposizione = irradianza × tempo. Solo dove la dose accumulata in un punto della superficie del resist supera una soglia, il resist in quel punto si scioglie allo sviluppo.

Dose insufficiente: l’apertura non si apre completamente o sul fondo resta un velo di resist; dopo l’incisione resta cromo residuo e la fessura trasparente si restringe.
Dose eccessiva: anche la luce filtrata ai bordi si accumula oltre la soglia, l’apertura si allarga e la linea di cromo si assottiglia.

Il lato destro della Figura 1 lo illustra con un modello di diffrazione semplificato: a parità di apertura della maschera, con dose insufficiente l’apertura nel resist è solo circa il 79% di quella della maschera, con dose corretta le due sono praticamente uguali, con dose eccessiva arriva a circa il 119%. Nell’esposizione a contatto i bordi sono ripidi, perciò la stessa variazione di dose produce una variazione di larghezza linea molto minore.

L’irradianza della lampada cala con le ore d’uso, quindi va misurata regolarmente con un radiometro e il tempo va corretto. Se l’irradianza cala del 10%, il tempo di esposizione va allungato di circa l’11% (1 ÷ 0,9 ≈ 1,11) per mantenere invariata la dose.

Che cosa limita la risoluzione

La linea più fine che l’esposizione di prossimità riesce a stampare nitidamente si stima grossolanamente come √(λ × g). Con λ = 0,365 μm:

Gap g	Larghezza linea risolvibile stimata
10 μm	circa 1,9 μm
50 μm	circa 4,3 μm
100 μm	circa 6,0 μm

A confronto, dischi con duty cycle 1:1: a raggio 20 mm con 2500 linee la larghezza linea è circa 25 μm e il gap può essere molto più largo; a raggio 5 mm con 10000 linee la larghezza linea è solo circa 1,6 μm, il gap deve scendere a pochi micrometri e in pratica si può solo esporre a contatto (vedi Figura 2).

Figura 2 – Stima grossolana della larghezza linea risolvibile nell’esposizione di prossimità con √(λg): più fine la linea, minore il gap ammesso

Inoltre, una luce non sufficientemente collimata sfuma i bordi: un raggio inclinato di 1° si sposta lateralmente di circa 0,5 μm dopo un gap di 30 μm. L’esposizione a contatto non ha gap, ma risente dello spessore del resist e dell’uniformità del contatto fra maschera e substrato.

Allineamento: dove va il motivo

Il motivo di un disco ha di solito un solo strato; l’allineamento serve soprattutto a far cadere il motivo nella posizione corretta sul substrato e, insieme all’anello di centraggio e ai riferimenti sulla maschera, fornisce la base per il taglio e il montaggio successivi. Per motivi su due facce o multistrato si allineano al microscopio i riferimenti della maschera con quelli del substrato. Maschera e substrato devono inoltre essere paralleli, con gap uguale ovunque; altrimenti la larghezza linea varia all’interno della stessa lastra.

Sintesi

L’esposizione copia nel resist il motivo della maschera. Il contatto è nitido ma danneggia la maschera; la prossimità protegge la maschera ma sfuma. La dose determina la larghezza delle aperture, gap e lunghezza d’onda determinano quanto fine si può stampare. Più fini sono le linee del disco, più severi sono i requisiti di esposizione.

Traduzione dell’articolo originale cinese (0024). ENC7 – produttore di dischi encoder (richiesta) · Articoli tecnici · https://enc7.com