In deze paragraaf leer je:

• hoe een fotonische chip gemaakt wordt

• wat de begrippen wafer, fotoresist, spincoaten en etsen inhouden

Je bent inmiddels heel wat te weten kunnen komen over fotonica op een chip. Je hebt in deze lesmodule kunnen ontdekken wat mogelijke toepassingen van fotonische chips zijn en welke basisprincipes en componenten een rol kunnen spelen op zo’n fotonische chip. Misschien heb je jezelf hierbij al eens afgevraagd hoe zo’n fotonische chip eigenlijk gemaakt wordt. Hoe krijg je bijvoorbeeld die superkleine kanaaltjes (golfgeleiders) met afmetingen van slechts enkele micrometers op zo’n chip?

In deze paragraaf zal stap voor stap worden uitgelegd hoe een fotonische chip gemaakt wordt.

Afhankelijk van de grootte van die wafer en de grootte van de gewenste chip passen er zo’n tientallen tot meer dan duizend chips op één zo’n wafer.

In afbeelding 39 zie je hoe iemand een groot formaat wafer vasthoudt. Je kunt er een ruitjespatroon in herkennen. Elk ruitje is één chip. In afbeelding 40 kan je dit nog iets beter zien; hier zijn enkele chips uit een (iets kleinere) wafer gehaald.

Het vervaardigen van chips op een wafer vindt plaats in een clean room; een speciaal geïsoleerde ruimte waarin de lucht zoveel mogelijk vrij wordt gehouden van deeltjes (denk bijvoorbeeld stofdeeltjes, piepkleine huidschilfertjes, zweet of dampen). Omdat de structuren op een chip extreem klein zijn kan een heel klein stofdeeltje al de oorzaak zijn voor een fout in de fabricage van de chips, met onwerkbare (dure) chips tot gevolg.

Bij het fabriceren van chips wordt gebruik gemaakt van een techniek die fotolithografie wordt genoemd. Fotolithografie is een techniek waarbij met behulp van licht (in het Grieks fotos) een lithografische afdruk wordt gemaakt op de wafer. Het woord lithografie is afkomstig uit het Grieks (lithos = steen, graphein = tekenen/schrijven) en betekent letterlijk zoiets als tekenen/schrijven met steen. Het werd vroeger gebruikt door afbeeldingen op een steen aan te brengen en deze steen vervolgens als een soort stempel te gebruiken om de afbeelding meerdere keren op bijvoorbeeld papier af te drukken. Bij de fabricage van chips worden natuurlijk geen stenen gebruikt om afbeeldingen op papier af te drukken. In plaats daarvan wordt via een computer een gewenst patroon op een zogenaamd “masker” aangebracht; vervolgens wordt dat patroon via het masker (vergelijkbaar met een stempel) overgebracht op de wafer. Hoe dit in zijn werk gaat zal straks worden uitgelegd.

Fotolithografie is een fotografisch proces; een lichtgevoelig polymeer (fotoresist genoemd) wordt belicht en ontwikkeld om driedimensionale reliëfafbeeldingen op een wafer te vormen. Om je een beter beeld te geven hoe dit allemaal in zijn werk gaat zullen we de afzonderlijke stappen langs gaan die gevolgd kunnen worden bij het vervaardigen van een chip met behulp van fotolithografie.

Stap 0: het aanbrengen van een basislaag, of meerdere basislagen

Deze stap is niet altijd noodzakelijk en wordt ook niet altijd uitgevoerd. In dit geval beginnen we hiermee om te laten zien hoe je een golfgeleider van siliciumnitride zou kunnen maken die omhuld wordt door siliciumoxide. Laten we daarom als voorbeeld eerst een laag siliciumoxide nemen en deze aanbrengen op de silicium wafer.

Vervolgens wordt daarop een laag siliciumnitride aangebracht. 

Stap 1: het voorbereiden van de wafer.

Het voorbereiden van de wafer is bedoeld om in de stap die hierop volgt de hechting van het fotoresistmateriaal aan de wafer te bevorderen. De wafer wordt eerst goed schoongemaakt en vervolgens voorzien van een hechtingsbevorderaar. Deze hechtingsbevorderaar moet ervoor zorgen (zoals de naam eigenlijk al aangeeft) dat de volgende laag (de fotoresist) beter aan de wafer blijft hechten.

Stap 2: het aanbrengen van de fotoresist

Op de wafer wordt een dun laagje fotoresist aangebracht. Fotoresist is een speciaal materiaal (een polymeer) dat gevoelig is voor licht. Bij bestraling met uv-licht verandert het van structuur. Hierbij zijn er twee mogelijkheden; de structuur van de fotoresist wordt door de bestraling dusdanig veranderd dat het oplosbaar wordt in een oplosmiddel en in een volgend stadium met het oplosmiddel kan worden weggespoeld, óf de fotoresist wordt door de bestraling veranderd waarbij het onoplosbaar wordt in een oplosmiddel en in een volgend stadium blijft zitten.
Het aanbrengen van het laagje fotoresist wordt gedaan door de fotoresist in vloeibare vorm op de wafer aan te brengen en de wafer vervolgens met hoge snelheid op een draaitafel rond te draaien. Doordat de wafer snel ronddraait vloeit de fotoresist vanzelf gelijkmatig naar de zijkanten uit over de wafer. Deze techniek wordt spincoaten genoemd (zie ook afbeelding 42). Tijdens het spincoaten ontstaat het gewenste dunne laagje fotoresist op de wafer.

Stap 3: het voorbakken

Nadat de dunne film met fotoresist is aangebracht op de wafer wordt het geheel gebakken door het dicht in de buurt van een hete metalen plaat te plaatsen. Dit “voorbakken” heeft meerdere gunstige effecten: de film fotoresist wordt dunner (omdat een groot deel van het oplosmiddel waarin de fotoresist is opgelost verdwijnt), de hechting wordt verbeterd, de film wordt stabieler bij kamertemperatuur en de film wordt minder kleverig en dus minder gevoelig voor deeltjesverontreiniging.

Stap 4: het belichten van de fotoresist door een masker heen

Het patroon dat uiteindelijk op de wafer moet worden aangebracht is vooraf op een zogenaamd masker aangebracht. Het masker is eigenlijk een harde kopie van het patroon dat op de wafer moet verschijnen.

Het bestralen van de fotoresist kan op drie manieren plaatsvinden:

• via contactlithografie; het masker maakt hierbij contact met de wafer. Nadeel is dat de wafer hierbij beschadigd kan raken.

• via nabijheidslithografie; het masker staat in de nabijheid van de wafer (bijvoorbeeld 20 µm)

• via projectielithografie; het patroon wordt via lenzen op de wafer geprojecteerd

Omdat bij het fabriceren van een fotonische chip vaak meerdere lagen met elk hun eigen patroon op de chip worden aangebracht is het erg belangrijk dat het masker zeer nauwkeurig op de wafer kan worden uitgelijnd. Hiervoor worden speciale markeringen gebruikt die zowel op het masker als op de wafer zijn aangebracht. Via de camerabeelden afkomstig van microscopen kunnen deze markeringen nauwkeurig op elkaar worden uitgelijnd.

Stap 5: het ontwikkelen van de fotoresist.

Nadat de fotoresist belicht is wordt deze ontwikkeld. Hierbij wordt de wafer in een ontwikkelvloeistof ondergedompeld. Dit is meestal een basische oplossing. Zoals al even bij stap 2 is genoemd zijn er twee mogelijkheden: de structuur van de fotoresist is door de bestraling dusdanig veranderd dat het oplosbaar is geworden in het oplosmiddel waardoor het door het oplosmiddel verwijderd zal worden (dit wordt ook wel positieve fotoresist genoemd), of de structuur van de fotoresist is door de bestraling onoplosbaar voor het oplosmiddel geworden en zal bij behandeling van het oplosmiddel blijven zitten (dit wordt ook wel negatieve fotoresist genoemd).

Laten eerst eens uitgaan van een positieve fotoresist. Door de wafer in de ontwikkelvloeistof onder te dompelen zullen alleen de delen van de fotoresist die belicht zijn erin oplossen en verdwijnen; de delen die onbelicht zijn gebleven zullen achterblijven. Op deze manier blijft hetzelfde patroon dat op het masker aanwezig was achter op de wafer.

Bij een negatieve fotoresist zal het fotoresist door de belichting onoplosbaar zijn geworden. Door de wafer in de ontwikkelvloeistof onder te dompelen zullen in dat geval de delen van de fotoresist die belicht zijn achterblijven en zal de rest oplossen in het oplosmiddel. Op deze manier blijft van het patroon dat op het masker aanwezig was het negatief achter op de wafer. Dit is in de afbeelding hieronder gevisualiseerd.

Stap 6: etsen

Bij het vervolg van deze uitleg gaan we er even vanuit dat er een positieve fotoresist is gebruikt. Bij het gebruik van een negatieve fotoresist is het principe overigens hetzelfde.

De volgende stap in het lithografieproces is het etsen van de wafer. Hierbij wordt een etsmiddel gebruikt om delen van een laag die op de wafer zijn aangebracht te verwijderen. Nadat de belichte delen van de fotoresist zijn weggespoeld zullen sommige delen van de laag eronder onbeschermd zijn tegen het etsmiddel. Deze delen zullen in deze stap door het etsmiddel worden weg geëtst. De delen waar nog wel fotoresist aanwezig is zullen beschermd zijn tegen het etsmiddel en blijven onaangetast. Het etsen kan op verschillende manieren uitgevoerd worden: nat etsen en droogetsen. Bij nat etsen worden chemicaliën (bijvoorbeeld zuren) gebruikt om de onbeschermde delen via chemische reacties te verwijderen. Het voordeel van nat etsen is dat het door de keuze van de chemicaliën mogelijk is om selectief te zijn in welke materialen door het etsmiddel zullen worden aangetast. Groot nadeel is dat er hierbij veel schadelijke chemicaliën moeten worden gebruikt.

Steeds vaker wordt gebruik gemaakt van droogetsen. Bij droogetsen wordt gebruik gemaakt van een plasma. Een plasma is een gas waarin de gasatomen geïoniseerd en dus geladen zijn. Door het aanbrengen van een elektrisch veld zullen de ionen op het materiaal afgevuurd kunnen worden. Door de inslagen van de ionen zal er materiaal van de wafer afgeketst worden. Nadeel hiervan is dat dit niet selectief is; al het materiaal dat met de ionen in botsing komt zal hierbij worden afgeketst. Naast deze fysische verwijdering (veroorzaakt door de botsingen met ionen) is het ook mogelijk dat de ionen met het materiaal een chemische reactie aangaan en hierdoor via een chemische proces verwijdert zullen worden. Hierbij is een grote selectiviteit mogelijk.

Stap 7: het verwijderen van het resterend fotoresist

Als laatste stap zal al het resterende fotoresist van de wafer verwijderd worden. Hiervoor worden vaak middelen als zwavelzuur, waterstofperoxide, of aceton gebruikt. Na deze stap zal in de laag siliciumoxide het patroon dat op het masker stond overblijven.

Om een golfgeleider van siliciumnitride te verkrijgen dat omhuld is door siliciumoxide zal de wafer vervolgens opgevuld worden met een laag siliciumoxide, die tot slot aan de bovenzijde vlak gemaakt wordt.

Op deze manier is er op de wafer een golfgeleider van siliciumnitride ontstaan dat omhuld is met siliciumoxide.

De voorgaande stappen kunnen vele malen herhaald worden zodat er verschillende lagen met elk hun eigen patroon op de wafer kunnen worden aangebracht. Bij het maken van een fotonische chip wordt dit regelmatig gedaan; te denken valt hierbij aan het aanbrengen van een laag voor de golfgeleiders, een laag voor de metalen sporen die als elektrische verbindingen op de chip aanwezig zijn en/of een laag waarin gebieden aanwezig zijn die dienen als verwarmingselement.

Hieronder zijn de afzonderlijke stappen nog eens onder elkaar gezet.

Wat je moet kennen en kunnen na deze paragraaf "Fotolithografie":

• Je kunt uitleggen welke stappen gevolgd worden bij het maken van een fotonische chip. Hierbij kan je de termen fotolithografie, wafer, fotoresist, spincoaten en etsen hanteren.