Від досконалості процесів літографії залежать ступінь інтеграції і швидкодія ІМС, які визначаються мінімальними розмірами елементів, а також якість і надійність ІМС.

Процеси літографії безперервно удосконалюються у напрямі підвищення прецизійності і зменшення топологічних розмірів.

Контактна фотолітографія. Фотолітографія є складним технологічним процесом, заснованим на використовуванні необоротних фотохімічних явищ, що відбуваються у фоторезистивних шарах при локальному опромінюванні їх ультрафіолетовим промінням. Основним робочим інструментом для фотолітографії є фотошаблон, а для формування фоторезистивного шару застосовують фоторезисти. Сутність контактної фотолітографії в тому, що при передаванні топологічного зображення з фотошаблону на фоторезист фотошаблон щільно прилягає до поверхні пластини (підкладки) з нанесеним фоторезистом.

Фотошаблон – плоскопаралельна пластина з прозорого матеріалу для цілей фотолітографії, на яку нанесений рисунок у вигляді непрозорих і прозорих для світла певної довжини хвилі ділянок, створюючих топологію одного з шарів структури ІМС або групи ІМС, багато разів повторених в межах активного поля пластини. Фотошаблон може бути у вигляді негативного або позитивного зображення фотооригіналу, одержаного шляхом його багатократного фотографування (з метою зменшення) з високим ступенем, точності. Рисунок ІМС на фотошаблоні, що є декількома сотнями або тисячами зображень, що повторюються, одержують в масштабі 1:1.

Процес отримання фотошаблону з розмноженим зображенням називають мультиплікуванням.

Розрізняють еталонні, проміжні і робочі фотошаблони.

Еталонний – це перший фотошаблон в процесі виготовлення з повним набором зображень структур, з якого звичайно одержують проміжні (первинні) або робочі копії фотошаблонів.

Проміжний (первинний) фотошаблон – це копія, одержана контактним або проекційним методом з еталонного фотошаблону у вигляді його дзеркального відбиття. Він служить для отримання фотодруком робочих фотошаблонів.

Для виконання фотошаблонів застосовують фотопластини з роздільною здатністю до 1200 ліній/мм і високороздільну оптику. Виготовляють фотошаблони, за допомогою яких реалізуються елементи ІМС розміром 0,7 – 6,4 мкм (межа роздільної здатності оптичних систем 0,11 мкм).

Робочі фотошаблони бувають двох типів: емульсивні, які дозволяють проводити не більше 20 операцій контактного друку, і металізовані з плівкою хрому, які дозволяють проводити до 3000 операцій контактного друку. Процес отримання фотошаблону вимагає особливої уваги і високої точності при виконанні операцій.    

Фоторезизти – світлочутливі і після прояву стійкі до дії агресивних середовищ (кислот, лугів) речовини. Світло, діючи на ці матеріали або руйнує молекули, або викликає їх додаткову полімеризацію. За способом утворення рисунка на поверхні напівпровідникової пластини фоторезисти ділять на негативні і позитивні. У негативного фоторезисту при освітленні зростає ступінь полімеризації і захищена фоторезистом ділянка має вигляд світлої плями, а з неосвітлених ділянок при проявленні фоторезист видаляється. Позитивний фоторезист при освітленні руйнується і при проявленні видаляється з освітлених ділянок, а світла пляма дає не захищену фоторезистом ділянку. Фоторезисти поділяють також на кислотостійкі і лугостійкі. Критеріями оцінювання фоторезистів є чутливість, кислотостійкість і роздільна здатність.

Чутливість – ступінь полімеризації залежно від тривалості дії світла. Її оцінюють величиною , обернено пропорційною експозиції Н:

     (9.1)

де Е – освітленість; – час експозиції.

Значення фоторезисту визначає продуктивність процесу фотолітографії. Розрізняють інтегральну і спектральну чутливість.

Кислотостійкість – здатність протистояти дії кислот. Єдина оцінка кислотостійкості фоторезистів поки не вироблена. Запропонована, наприклад, така методика визначення кислотостійкості: створення на підкладці захисного шару фоторезисту у вигляді трикутника з висотою, яка перевищує в 10 разів його підкладку, витримка цього зразка в травленні протягом певного часу і вимірювання величини зменшення загостреної вершини трикутника. Одержаний результат вважають оцінкою кислотостійкості.

Стійкість фоторезисту до хімічних дій залежить не тільки від хімічного складу, але також від товщини і стану фоторезистивного покриття, зокрема від його адгезії до підкладки. Тому кислотостійкість фоторезистів часто оцінюють чинником травлення

               (9.2)

де – глибина травлення; х – бічне травлення.

Чим менше значення х при заданій товщині , тим вища кислотостійкість.

Роздільна здатність – число чітко помітних ліній (штрихів) однакової ширини, розташованих паралельно із зазором, рівним ширині штриха, які фоторезист дозволяє створювати на 1 мм довжини:    

,     (9.3)

де – ширина штриха і зазору, мкм.

Наявні фоторезисти мають роздільну здатність шару 1000–2000 ліній/мм. При фотолітографії розрізняють ще роздільну здатність всього процесу отримання конфігурацій в захисній масці на підкладці.

Безконтактна фотолітографія. При формуванні ІМС підвищеного ступеня інтеграції на пластинах великого діаметра, що досягається підвищенням роздільної здатності, граничної точності поєднання при мінімальній густині дефектів методом літографії, контактна фотолітографія має обмежене застосування.    

Основними чинниками, що обмежують можливості контактної фотолітографії, є:

Безконтактна фотолітографія не має цих обмежень. Вона здійснюється двома методами: на мікрозазорі і проекційним.

Фотолітографія на мікрозазорі заснована на використовуванні ефекту подвійного або множинного джерела випромінювання, яке створюється в системах експонування спеціальної конструкції. Ультрафіолетове проміння падає на фотошаблон і підкладку похило під однаковими кутами до загальної оптичної осі системи експонування. За рахунок нахилу променя дифракційні явища за прозорими ділянками фотошаблону усуваються або зводяться до мінімуму, рівномірність опромінювання країв пластини поліпшується, підвищується точність передавання рисунка. Завдяки виключенню дифракційних явищ досягається висока роздільна здатність. Так, наприклад, при шарі позитивного фоторезисту завтовшки 1,8 мкм можна одержати елемент рисунка менше 2 мкм (при зазорі фотошаблон – підкладка 10 мкм) або менше 3,5 мкм (при зазорі 30 мкм). Розмір зазору може точно задаватися плівкою поліефіру або периферійними смугами на фотошаблоні, наприклад, з кварцу. Промислове обладнання для експонування на мікрозазорі значно складніше, ніж установки для контактного експонування. Разом з тим системи дозволяють знизити час експонувань до 2 – 5 с і забезпечують рівномірність освітлення підкладок великої площі.

Проекційна фотолітографія відрізняється від контактної технікою виконання операцій поєднання і експонування. Процес поєднання спрощується, оскільки за допомогою спеціальних об'єктивів зображення фотошаблону проектується на площину пластини або, навпаки, зображення пластини проектується на площину фотошаблону і таким чином оператор спостерігає зображення пластини й фотошаблону в одній площині. У зв'язку з цим виключаються проблема глибини різкості об'єктиву і пов'язана з нею проблема точного установлення малого зазору пластина – фотошаблон. Тривалість поєднання зменшується, точність підвищується. Після поєднання зазор між пластиною і фотошаблоном залишається і зображення фотошаблону проектується на площину пластини.

Роздільна здатність проекційної фотолітографії вища, оскільки виключається дифракція випромінювання в зазорі. Метод проекційної фотолітографії більшою мірою, ніж метод контактної фотолітографії, дозволяє автоматизувати процес виробництва ІМС.

Основна технічна трудність проекційної фотолітографії – складність розроблення високороздільних об'єктивів на великі поля зображень, тому одночасне проектування повного рисунка фотошаблону на підкладку не завжди здійсниме. У разі ж послідовного поелементного проектування зображення, яке можна виконувати за допомогою фотоповторювачів, продуктивність проекційної фотолітографії різко знижується.

Проекційна фотолітографія висуває вищі вимоги до площинної поверхні пластини, потужності і монохроматічності УФ-джерела, рівномірності товщини фоторезистивного шару.

Не дивлячись на технічні труднощі, проекційна фотолітографія є найперспективнішим оптичним методом отримання конфігурації елементів ІМС.

Електронолітографія. Метод електронолітографії полягає у формуванні топологічних конфігурацій з субмікронними розмірами на пластині або шаблоні, покритих резистом, за допомогою електронного променя. Метод заснований на нетермічній взаємодії прискорених електронів з електронорезистом, здійснюваній у вакуумних установках.

Електронорезист – нечутливий до видимого і ультрафіолетового випромінювання полімерний матеріал, який змінює свої властивості при взаємодії з електронами (як електронорезист іноді використовують і фоторезисти).

Електронне бомбардування викликає збудження і іонізацію молекул електронорезиста. При цьому, маючи запас великої енергії, електрони розривають майже всі хімічні зв'язки на своєму шляху і відбувається деструкція електронорезисту. Одночасно відбувається поперечне зшивання молекул – структура електронорезисту. Оскільки в кожному конкретному полімері один з цих ефектів переважає, електронорезисти (аналогічно фоторезистам) поділяються на негативні і позитивні. Ступінь структури негативних електронорезистів і деструкція позитивних електронорезистів пропорційні дозі опромінювання (величині заряду електронів на одиницю площі). Для повного протікання цих процесів енергія електронів повинна бути достатньою, щоб довжина їх вільного пробігу перевищувала товщину шару електронорезисту. Для цих цілей застосовують установки з прискорюючою напругою більше 10 кВ, що відповідає довжині хвилі електронів 100 – 50 нм. Тим самим досягається формування топологічних конфігурацій з розмірами елементів 0,1 – 0,2 мкм.

У наш час доведена принципова можливість отримання електронних пучків з довжиною хвилі менше 0,1 нм, тобто роздільна здатність електронолітографії може досягати значень, близьких до 0,1 нм.

Особливість електронолітографії – відсутність необхідності в попередньому викреслюванні оригіналу топології в збільшеному масштабі з подальшим багатократним її зменшенням до розмірів оригіналу. Топологію в масштабі 1:1 можна переносити на пластину або шаблон шляхом управління електронним пучком безмасочним способом. Розроблені різні варіанти технології електронолітографії. На практиці найбільше поширення набули два методи електронолітографії: оброблення сфокусованим одиничним пучком (скануюча електронолітографія) для безпосереднього формування топології на пластині і електронна проекція всього зображення (проекційна електронолітографія) на пластину в істинному або зменшеному масштабі.

Скануюча електронолітографія заснована на формуванні зображення при переміщенні (скануванні) сфокусованого пучка електронів по поверхні, покритої електронорезистом, під впливом електричного і магнітного полів за заданою програмою. Для її реалізації застосовують растрові електронні мікроскопи (РЕМ) або спеціалізовані електронно-променеві прискорювачі (ЕПП).

Проекційна електронолітографія заснована на передаванні всього топологічного рисунка шаблону на пластину з електронорезистом. При цьому передавання рисунка може здійснюватися в істинному (1:1) або зменшеному маштабі.

Метод проекційної електронолітографії відрізняється високою продуктивністю і тривалим терміном служби фотокатода.

Рентгенолітографія. Метод рентгенолітографії заснований на взаємодії характеристичного рентгенівського випромінювання з рентгено-резистами, що приводить до зміни їх властивостей збільшенню або зменшенню стійкості до проявників.

Характеристичне рентгенівське випромінювання викликається взаємодією прискорених електронів з електронами внутрішніх оболонок атомів матеріалу мішені в процесі її опромінювання, в результаті електрони атомів мішені переходять з внутрішніх оболонок на зовнішні або покидають атом. При цьому переходи електронів на внутрішні оболонки атома, що звільнилися, супроводжуються характеристичним рентгенівським випромінюванням з довжиною хвилі 0,1—10 нм.

Рентгенорезисти полімерні матеріали, які руйнуються (позитивні) або зшиваються (негативні), під дією рентгенівських променів. В хімічних перетвореннях руйнування або зшивання молекул рентгенорезисту основну роль відіграють електрони, що звільнилися при опромінюванні з внутрішніх оболонок атомів.

На практиці найчастіше використовують позитивний резист на основі поліметилметакрілата (РММА), який застосовують також в електронолітографії. Він відрізняється високою стабільністю властивостей, нестійкістю до ультрафіолетового опромінювання, стійкістю до дії кислот (окрім соляної) при проявленні.

У технології мікроелектроніки використовують проекційний метод рентгенолітографії, аналогічний методу фотолітографії на зазорі: між пластиною, на яку нанесений рентгенорезист, і джерелом рентгенівського випромінювання поміщають шаблон, що відображає конфігурацію одного топологічного шару ІМС. При опромінюванні зображення шаблону проектується на резист. Можливе одночасне опромінювання декількох пластин.

Іонно-променева літографія. Вона заснована на використовуванні іонів гелію для експонування поверхні пластин, покритих резистом. Розрізняють два методи іонно-променевої літографії:

Скануюча іонно-променева літографія з сфокусованим променем аналогічна скануючій електронолітографії. Для її реалізації використовують установки безпосередньої репродукції (БПР) зображення на пластину. В установці БПР іони, що виходять з джерела, формуються в промінь системою лінз і фокусуються на пластині, покритої резистом. Для експонування сфокусований промінь встановлюється в точно задане положення і сканується по невеликому квадратному полю на поверхні пластини за допомогою електростатичної відхиляючої системи. Розміри поля сканування обмежені (не більше 1 мм) через збільшення перерізу променя на краях поля. Передавання зображення на всю поверхню пластини досягається з'єднанням спеціальних міток, розташованих на кожному полі. Така літографія застосовна для створення елементів з особливо малими розмірами — від 0,03 до 0,3 мкм, що досягається малим розсіюванням сфокусованого іонного променя.

Проекційна іонно-променева літографія з шаблоном заснована на опромінюванні коллімірованним променем шаблону, що знаходиться на невеликій відстані від покритої резистом пластини. Отвори в поглинаючій іони плівці, розташованій на шаблоні, визначають експоновану конфігурацію топології. Така літографія аналогічна рентгенолітографії. В обох методах використовуються несфокусовані джерела опромінювання і майже однакові шаблони.