Fotolitografía.

 

La fotolitografía, es un proceso fotográfico muy importante en la industria de fabricacion de circuitos, que se emplean en la fabricación de sistemas semiconductores y componentes electronicos .

El proceso consiste en transferir un dibujo desde una fotomáscara denominada retícula a la superficie de un medio de trabajo,el sustrato litográfico que puede ser semiconductor, vidrio o ceramica. El siguiente dibujo refleja en forma muy esquematica el proceso,

 

Lamparas de mercurio ( HBO Mercury Short-Arc Lamps).

 

 

Las lámparas de mercurio HBO son aquellas que se producen por un arco pequeño, siendo este luminoso y produciéndose en una atmosfera de vapor de mercurio a alta presion y emiten una radiacion ultravioleta teniendo las siguientes características:

 

Alta radiancia

Espectro multilínea

Potencia radiada alta en el rango del ultra violeta UV y en el rango visible

Operación con corriente continua y corriente alterna

 

Estas lámparas tienen potencias de 50 a 500 watts, con aplicaciones técnicas y científicas , el siguiente dibujo refleja la forma de estas lamparas, que siempre se deben manipular con anteojos protectores para evitar daños fisicos por si explota, tanto si esta sometida a energia electrica o no.

Foto 1

 

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Las técnicas fotolitográficas utilizadas en la industria de los semiconductores utilizan potencias desde los 350 watts y aun superiores, estás se montan en cajas, como la indicada a continuación, que contienen el porta lámpara, sensores de intensidad, óptica, obturador y ventiladores, entre otros. El regulador de flujo de aire, componente muy importante, es una placa metálica separada de la entrada del ventilador por pequeños resortes, metidos en los 4 tornillos que regulan la distancia entre la placa y la entrada al ventilador que NUNCA DEBE ESTAR CERRADA COMPLETAMENT PARA EVITAR LA EXPLOCION DE LA LAMPRA.

Foto 2

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La siguiente foto es una lampara tipica HBO Osram, la misma se monta en un porta lampara que es una perforación roscada de bronce (por ejemplo)

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Sistema y circuito experimental. AL OPERAR ESTE SISTEMA EL EXPERIMENTADOR O EL TECNICO DEBEN USAR GAFAS DE RECUBRIENTO TOTAL CON UN FILTRO A RADIACION ULTRAVIONETA.

El siguiente circuito se utilizó para experimentar con la lámpara HBO de 200 Watts de Osram, la misma consta de una etapa o circuito de baja tension y otra etapa o circuito de alta tension.

El principio de funcionamiento se observa en forma conceptual en el siguiente circuito, inicialmente se aumenta Vp hasta 150 voltios, mientras que Va es nula, esta tension no alcanza a ionizar a la lampara, luego para un tiempo t1, se aumenta Va a 300 voltios(para una lampara nueva) y se produce la ionización de la lámpara, como Va es mayor que Vp el diodo D1 se bloquea, al producirse la ionizacion la tensión Vl disminuye a 20 voltios para el tiempo t2, el tiempo entre t1 y t2 es muy chico y la corriente puede llegar a valores de 1 amperio.

Tanto la fuente Vp como Va, se armaron utilizando un transformador variable o Variac, un puente de diodos rectificador y un capacitor de filtro, si bien el sistema es muy simple, a los fines prácticos, es suficiente para armar sistemas que funcionen permanentemente, a la fuente Vp, se le puede agregar tiristores al sistema rectificador con un control que posea un detector fotoeléctrico en el lazo de realimentación. Es necesario recalcar lo importante que es la ventilación indicada en el siguiente dibujo, como un símbolo a la derecha de la lámpara, con flechas, indicando que entra aire, por dos motivos: 

1)   este sistema evita un sobre calentamiento de la lámpara, evitando que explote, por ello es MUY IMPORTANTE TENER A LA LAMPARA EN UN RESIPIENTE CERRADO COMO SE INDICA EN EL DIBUJO DE ARRIBA y

2)   controla la estabilidad de la intensidad luminosa, la cual puede tomar una media hora.

 La tensión Va ya no tiene ningún efecto en la carga debido a la resistencia R3 y el diodo D1 conduce, , la lámpara recibe energía de Vp pudiendo llegar a una corriente Il de 2 amperios o mas.

A continuación la descarga de la lampara sufre una transformación, en tensión y corriente, hasta que llega a una cierta estabilidad , la ventilación de la lámpara es un factor muy importante, por ello en el anterior dibujo, hay un regulador del flujo de aire.

 

A continuación se observa el dibujo del circuito utilizado prácticamente, la unidad denominada Rect es un rectificador de onda completa formado por 4 diodos, en disposicion puente .

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Explicacion del funcionamiento.

Como se indica en el siguiente dibujo, inicialmente la tensión entre el ánodo y el cátodo de la lámpara V1, es de 150 voltios, con dicha tensión la lámpara no alcanza a prenderse, en un tiempo  t1 se aplica una tensión alta que varía entre 300 a 1000 voltios, esta tensión se aplica a través de una resistencia de R3 de alto valor de 22000 ohm, el rectificador D1 queda cortado, se produce la ionización del vapor de mercurio y la lámpara comienza a trabajar, el rectificador D1 está formado por tres rectificadores en serie Rect 2, Rect 3 y Rect 4, se usó esta disposición por la alta tensión.

Inicialmente la lámpara emite una radiación ultravioleta de baja intensidad y gradualmente va aumentando a un valor final que en los sistemas más elaborados tienen un regulador realimentado, utilizando un fotodetector como elemento de realimentacion, es importante mantener la intensidad luminosa constante ya que su variación puede producir irregularidades en el trabajo, otro punto a tener en cuenta es la ventilación de la lámpara, indicada en el siguiente dibujo a la derecha de la lámpara ya que su efecto es variar la intensidad luminosa.

 

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Tecnología de las lámparas utilizadas en la fotolitografia.

Las lámparas de descarga de gas mercurio se producen como se indica a continuación.

Las lámparas de descarga de arco contienen gases como el vapor de mercurio, estas lámparas de arco no contienen un filamento, sino que dependen de la ionización del vapor gaseoso a través de una descarga de arco de alta energía entre dos electrodos para producir su luz intensa, la lámpara no es segura para los técnicos, la presión es extremadamente alta (440 psi / 3040 kPa) y durante su funcionamiento deben estar en una caja cerrada hermética como se ve en la foto 2 y por ningun motivo debe abrirse durante su funcionamiento, igualmente el técnico debe usar gafas aun cuando la lámpara esta apagada y cundo se saca de su envase, también el técnico debe usar gafas para luz ultravioleta durante su ajuste. La lámpara va enroscada en una plataforma que puede subir o bajar y que se mueve horizontalmente y el técnico puede ajustar la altura de la misma y la posición de la luz., siempre usando gafas.

Tambien es importante verificar el ventilador, como se ve en la foto 2, observar que el mismo tiene una tapa regulable que nunca debe cerrarse completamente, al producicrse el ensendido se debe esperar que la misma llegue al regimen de trabajo, esto puede durar media hora.

En general, las lámparas de arco tienen una vida útil promedio de aproximadamente 100-200 horas, y la mayoría de las fuentes de alimentación externas están equipadas con un temporizador que permite controlar cuánto tiempo ha transcurrido. Las lámparas de arco de mercurio tienen una potencia de 50 a 500 vatios y generalmente consisten en dos electrodos sellados bajo una alta presión de vapor de mercurio en un sobre de cristal de cuarzo.

La construcción de la lámpara de arco de mercurio es complicada. Aquí, dos electrodos hechos de tungsteno se colocan cara a cara con un pequeño espacio en una envoltura transparente hermética de sílice fundida o cuarzo.

El tungsteno toriado es el tungsteno añadido con 1 a 2% de torio para dar resistencia extra al arco al aumentar la capacidad de emisión de electrones del tungsteno.

La sílice fundida también se llama cuarzo. Es un vidrio de dióxido de silicio transparente no cristalino que proporciona una resistencia extra y una expansión térmica casi nula. Puede soportar alta presión a alta temperatura.


Cuando se aplica voltaje a través de los electrodos, el fenómeno de descarga de gas comienza en el gas de mercurio en el espacio entre los electrodos. Siempre hay presentes algunos electrones libres en el gas. Debido al campo eléctrico aplicado a través de los electrodos, los electrones libres se aceleran y colisionan con los átomos de mercurio.

 

Eduardo Ghershman , 24.1.2016

 

 

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