 |
Современные литографические процессы в технологии ППП и ИС.
|
|
|
|
Комплект технологической документации по оптической контактной литографии
Разработал студент: Семин В. В.
МГОУ
Москва 2010 г.
Введение
Оптическая литография объединяет в себе такие области науки, как оптика, механика и фотохимия. При любом типе печати ухудшается резкость края (рис. 1). Проецирование двумерного рисунка схемы ведет к уменьшению крутизны края, поэтому нужен специальный резист, в котором под воздействием синусоидально модулированной интенсивности пучка будет формироваться прямоугольная маска для последующего переноса изображения травлением. Если две щели размещены на некотором расстоянии друг от друга, то неэкспонируемый участок частично экспонируется по следующим причинам:
1) дифракция;
2) глубина фокуса объектива;
3) низкоконтрастный резист;
4) стоячие волны (отражение от подложки);
5) преломление света в резисте.
Таким образом, задача фотолитографии заключается в том, чтобы обеспечить совмещение и воспроизвести в резисте двумерный рисунок фотошаблона с точностью в пределах ±15% от номинального размера его элементов и с 5%-ным допуском на требуемый наклон краев. Послойное совмещение приборных структур должно осуществляться с точностью не хуже ±25% от размера минимального элемента. Используемые в фотолитографии источники экспонирующего излучения бывают как точечными (лазеры), так и протяженными (ртутные лампы). Спектр излучения этих источников лежит в трех основных спектральных диапазонах: Дальний УФ от 100 до 200-300 нм;
Средний УФ 300-360 нм; Ближний УФ от 360-450.
Современные литографические процессы в технологии ППП и ИС.
Плотность элементов в кристалле ИМС достаточно велика и к настоящему времени существенно превысила рубеж 100000. Это достигнуто за счёт уменьшения минимального геометрического размера, который уже составляет величину порядка 1 мкм. Последнее обстоятельство связано с усовершенствованием в первую очередь таких технологических процессов как литография, плазменное травление и локальное окисление.
|
|
|
Процессы легирования, а также наращивания слоев различных материалов призваны сформировать вертикальную физическую структуру ИМС. Необходимые форма, размеры, элементов и областей в каждом слое структуры обеспечиваются процессом фотолитографии
Разработчики ряда зарубежных фирм считают, что в технологии СБИС на современном уровне с успехом можно использовать оптическую литографию (фотолитографию). Её предельные возможности оцениваются в 2 мкм, хотя предполагают, что доступно достижение линий микронной ширины. Известно, что разрешающая способность литографического процесса не может быть меньше длины волны света, используемого для экспонирования. Для фотолитографии этот предел составляет 0, 5 мкм при использовании когерентного яркого источника света с длиной волны 200 нм при длительном экспонировании. Возможности оптической литографии определяются в большей степени точностью совмещения и разбросом рабочих параметров аппаратуры. Успешно работает аппаратура, дающая 2 мкм при фотолитографии с малым зазором на пластинах диаметром более 100 мм. Такую же разрешающую способность имеет рентгеновская литография с зазором. Электронно-лучевая литография даёт разрешение 0, 4 мкм, но из-за высокой стоимости и низкой производительности используется лишь для изготовления фотошаблонов и специальных ИС.
В результате полагают, что в течение ближайших лет оптическая литография останется основным технологическим методом формирования рисунков БИС. Использование когерентного света в дальнем ультрафиолете и фоторезистов, чувствительных к свету с длиной волны 0, 24 мкм, а также применение лазерных устройств совмещения позволит достичь разрешения в 1 мкм. В таблице 1 приведены основные параметры, используемых в технологии БИС литографических процессов, а на рис. 1 показана взаимосвязь минимального размера со стоимостью технологического процесса.
|
|
|
Традиционно классическим процессом является контактная фотолитография, при которой фотошаблон непосредственно соприкасается с полупроводниковой пластиной, на поверхность которой нанесён фоторезист. Основным недостатком контактной фотолитографии является ограниченное число циклов контактирования (как правило не более 70-80) и уменьшение выхода годных по циклам. Однако современный уровень контактной фотолитографии достаточно высок и в условиях серийного производства составляет 3 мкм. Установки с номинальными 3 мкм – проектными нормами успешно применяют для изготовления БИС с минимальным размером всего 2, 5 мкм.
Параллельно интенсивно реализовался переход от контактной фотолитографии и литографии с зазором к проекционной фотолитографии, где экспонирование осуществляется через промежуточный шаблон, отстоящий от пластины на несколько мм, причём иногда с уменьшением размеров при проецировании.
Таблица 1
Основные параметры литографических процессов
| Способ литографического процесса | Минимальная ширина линии, мкм | Ошибка совмещения, мкм |
| Контактная фотолитография λ=360-460 нм | 1, 25 – 1, 5 | 0, 25-1, 0 |
| Проекционная фотолитография λ=360-460 нм | 0, 75-1, 0 | 0, 1-0, 2 |
| Электронная литография λ=50-100 нм | 0, 25 | 0, 03 |
| Рентгеновская литография λ=0, 1-10 нм | 0, 5 | 0, 03-0, 05 |
Рис. 1 Взаимосвязь минимального размера со стоимостью его реализации различными литографическими процессами.
Современные системы проекционной литографии в масштабе 1:1 рассчитаны на 1 мкм топологическую проектную норму и предусматривают, на пример, обработку пластин диаметром 125 мм при точности совмещения рисунков всех слоёв не хуже ±0, 25 мкм.
Фоторезисты.
Фоторезисты – это светочувствительные и стойкие к агрессивно воздействующим факторам вещества, представляющие собой сложные полимерно-мономерные системы, в которых под действием излучения протекают фотохимические процессы. Под действием света в таком синтетическом полимере происходит либо структурирование (сшивание), либо деструкция (разрушение) молекулярных цепей. В первом случае Фоторезисты называют негативными, а во втором – позитивными. Современные позитивные Фоторезисты (ФП) – это сложные эфиры нафтохинондиазидов сульфокислоты и фенолформальдегидных смол. Условно его структуру можно представить как R1-O-R2, где R1 и R2 –светочувствительная и полимерная составляющие части фоторезиста соответственно, а О - соединяющий их кислород.
|
|
|
Критерием применимости фоторезиста являются его чувствительность, разрешающая способность и кислотостойкость.
Чувствительность фоторезиста – это величина, обратная экспозиции, т.е. освещённости, помноженной на время. При этом, чувствительность позитивного фоторезиста – это полнота разрушения освещённых участков плёнки. Чувствительность для негативного фоторезиста ФН – наоборот, закрепление после экспонирования и проявления локальных участков плёнки фоторезиста, подвергнутых освещению. В обоих случаях необходимо обеспечить чёткость изображения, т.е. резко очерченную границу между областями удалённого при проявлении и оставшегося фоторезиста. Граница поглощения фоторезиста – 0, 28-0, 4 мкм (ультрафиолетовая область спектра излучения).
Разрешающая способность фоторезиста – это число линий равной толщины, которые могут быть получены (без слияния) на 1 мм поверхности пластины в результате процесса фотолитографии.
где L – ширина линии в мкм. Для получения рисунка с элементами ИС размером ~5-7 мкм, применённый фоторезист должен иметь R ≥ 500 лин/мм. Разрешающая способность фоторезиста зависит от минимальной толщины плёнки фоторезиста, способной выдержать воздействие агрессивной среды. Отношение толщины плёнки к минимальной ширине линий для лучших негативных фоторезистов составляет 1:2-1:3, в то время как для позитивных – 1:1. Лучшая разрешающая способность позитивных фоторезистов позволяет использовать их при изготовлении СБИС.
|
|
|
Кислотостойкость – это устойчивость фоторезиста к воздействию травителей на основе азотной, плавиковой, соляной и др. кислот. Критерием кислотостойкости служит величина краевого и локального растравливания. Её обычно оценивают по величине клина, образующегося на краю плёнки после травления.
Важным фактором, влияющим на разрешение литографического процесса в целом, является контрастность изображения. Для улучшения контрастности после операции экспонирования до проявления фоторезист сушат, чем достигается его однородная плотность. Кроме этого, возможно применение антиотражающих покрытий для исключения внутреннего отражения в плёнке фоторезиста. Это явление возникает из-за того, что отражённый поток интерферирует с проходящим светом, вызывая дополнительную засветку в местах, защищённых непрозрачными участками фотошаблона. В результате образуется так называемый "ореол", вызывающий нерезкость и неровность края изображения.
Для нанесения равномерного слоя фоторезиста малой толщины на сильно рельефную ступенчатую поверхность используют многослойные Фоторезисты, например, двухслойные. В этом случае сначала экспонируют и проявляют верхний тонкий 0, 2-0, 4 мкм слой фоторезиста, а затем с помощью реактивного ионного травления переносят рисунок на второй более толстый слой фоторезиста. Использование 3-х слойной структуры, например, фоторезист-SiOsub>2-фоторезист, позволяет при толщине 1, 6 мкм получать линии шириной 0, 4 мкм. Многослойные фоторезисты можно применять для получения линий субмикронного размера.
Фотошаблоны.
Фотошаблон – это плоскопараллельная пластина из прозрачного материала с рисунком из прозрачных и непрозрачных для света участков, образующих топологию прибора, многократно повторенную на поверхности пластины. Фотошаблоны могут быть стеклянными и плёночными, металлизированными и эмульсионными, прямыми и обратными. Наилучшую разрешающую способность дают металлизированные фотошаблоны с покрытием из хрома или окиси железа – R ≥ 1000 линий/мм. Основные требования к фотошаблонам – это высокая разрешающая способность, большая площадь рабочего поля, высокая контрастность, высокая оптическая плотность непрозрачных участков, точность воспроизведения размеров рисунка не хуже 0, 5 мкм, точность шага между элементами не хуже 0, 5 мкм, стабильность рисунка и его размеров во времени, стойкость к истиранию, плоскостность рабочей поверхности.
На рисунке 2 представлена последовательность операций изготовления фотошаблонов различными методами. Наиболее простым и сравнительно дешёвым способом является оптико-механический. Способ включает в себя такие операции как вычерчивание оригинала, его репродуцирование и промежуточный отъем, мультиплицирование с одновременным уменьшением размера модуля до масштаба 1:1, изготовление рабочих копий фотошаблона. Недостатком этого способа является его многоэтапность, что определяет высокую трудоёмкость и большую продолжительность процесса изготовления. Поэтому оптико-механический способ применяют при изготовлении плат ГИС и ИМС малой или средней степени интеграции.
|
|
|
Рис. 2 Последовательность технологических операций изготовления фотошаблонов различными способами.
Высокопроизводительными являются способы оптического или электронного генерирования изображения, которые применяют при изготовлении БИС и СБИС. По характеру конструктивного оформления они подразделяются на микрофотонабор, фотомонтаж и сканирование с поэлементной развёрткой.
Микрофотонабор – это способ генерирования изображения, когда рисунок создают путём набора из отдельных элементов прямоугольной формы, размеры и разворот которых могут меняться. Экспонируемые элементы формируют с помощью диафрагмы по программе и последовательно экспонируют.
При фотомонтаже рисунок набирают из стандартных элементов или фрагментов и последовательно экспонируют.
Сканирование с поэлементной развёрткой осуществляют световым пятном, которое последовательно обегает всю рабочую поверхность заготовки фотошаблона по программе.
Генераторы изображения используют в качестве выходных систем машинного проектирования топологии фотошаблонов ИМС. В результате получают эталонные фотошаблоны ЭФШ, использовать которые в производстве ИМС экономически нецелесообразно. Поэтому методом контактной печати с полученного ЭФШ изготавливают необходимое количество рабочих копий, так называемые рабочие фотошаблоны, которые и применяют в технологии ИМС.
Качество изготовленных фотошаблонов во многом определяет процент выхода годных ИМС, поэтому для ЭФШ применяют 100%-ый контроль качества. Это прежде всего проверка линейных размеров под микроскопом с увеличением не менее 500х и проверка совмещаемости комплекта фотошаблонов по реперным знакам.
|
|
|
