 |
Контактная фотолитография
|
|
|
|
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА КОНТАКТНОЙ ФОТОЛИТОГРАФИИ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ КОНФИГУРАЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ
Цель работы: Изучить процесс формирования конфигурации (рисунка) интегральных схем методом контактной фотолитографии
Краткие теоретические сведения
Литографией в технологии микроэлектроники называют процесс получения микрорисунка слоев интегральных схем (ИС) требуемой конфигурации. Процесс литографии занимает особое место в технологии микроэлектроники, особенно в планарной технологии изготовления ИС. Дальнейшее развитие технологии сверхбольших интегральных схем (СБИС) требует перехода к созданию элементов микронных и субмикронных размеров, что немыслимо без совершенствования существующих и разработки новых методов литографии.
По роду воздействующих энергетических частиц на актиночувствительный слой и, в зависимости от длины волны излучения l, следует различать оптические и неоптические методы литографии. К первой группе относятся контактная и проекционная фотолитографии (l=250–440 нм), ко второй – электронная ((l=0,05 нм), ионная ((l=0,05–1,0 нм) и рентгенолитография ((l=0,5–2 нм). Актиночувствительным называется слой, который изменяет свои свойства (растворимость, химическую стойкость) под воздействием излучения. В качестве таких слоев применяют фоторезисты, рентгенорезисты, электронорезисты и ионорезисты.
При контактной фотолитографии фотошаблон непосредственно контактирует с пластиной, т.е. масштаб переноса изображения равен 1:1. Наличие контакта рабочего фотошаблона с полупроводниковой пластиной постепенно выводит из его строя. Предельные возможности контактной фотолитографии по разрешающей способности составляют 1,25–0.8 мкм. Однако дифракция света в слое фоторезиста (ФР) и в зазоре между пластиной и фотошаблоном снижает разрежающую способность, что является основным ограничивающим фактором фотолитографии при создании СБИС.
|
|
|
В проекционной литографии изображение фотошаблона проецируется на пластину через специальный объектив с высокой разрешающей способностью. Основное преимущество проекционной фотолитографии заключается, прежде всего, в отсутствии механического контакта фотошаблона с пленкой ФР. Проекционная фотолитография упрощает процесс совмещения, повышает его точность и снижает затрачиваемое время.
Проекционная фотолитография позволяет получать минимальную ширину линий 0.6–0.8 мкм и более высокий процент выхода годных. Существуют некоторые трудности в создании оптических систем, обеспечивающих равномерное освещение и однородное разрешение на большой площади. Кроме того, высокая стоимость установок и необходимость высококвалифицированного обслуживания накладывает ограничения на широкое использование данного метода в промышленности. В настоящее время проекционная фотолитография применяется в основном при изготовлении сложных приборов, особенно с большой площадью (БИС, ЗУ, СБИС, микропроцессоров).
Существует три основных способов проекционной литографии:
– одновременная передача всех элементов, входящих в фотошаблон, на поверхность полупроводниковой пластины, покрытой слоем ФР;
– поэлементный «шаговый» перенос изображения на пластину, покрытую ФР;
– вычерчивание изображения на пластине тонким лучом лазера, управляемым от ЭВМ.
Перенос изображения этими методами может осуществляться без изменения масштаба и с уменьшением (1:4; 1:5; 1:10; 1:20).
При рентгенолитографии изображение на пластину переносится с шаблона, называемого рентгеношаблоном, с помощью мягкого рентгеновского излучения. Разрешающая способность рентгенолитографии составляет 0,2–0,3 мкм. Одним из достоинств метода является возможность получения структур субмикронных размеров с низким уровнем дефектности. Это объясняется тем, что загрязняющие частицы (пыль) существенно не ослабляют рентгеновское излучение, вследствие чего дефекты не переносятся на слой рентгенорезиста.
|
|
|
Электронолитография основана на непосредственном создании или проекционном переносе изображения пучком электронов. Этот метод наиболее перспективен для формирования субмикронных элементов. В электронолитографии применяют два способа непосредственного формирования элементов изображения – последовательной экспозицией тонким сфокусированным электронным пучком круглого сечения (сканирующий способ) и экспонированием широким прямоугольным пучком (проекционный способ). Недостатком электронной литографии является рассеяние электронов в слое резиста, который является диэлектриком, сложность оборудования, наличие вакуума, воздействие внешних электромагнитных полей.
При ионолитографии сохраняются принципы формирования изображения, но вместо пучка электронов используется ионный пучок. Т.к. ионы обладают большей массой, чем электроны, то и рассеяние их в слое резиста незначительно. Поэтому ионная литография обеспечивает большую разрешающую способность. Кроме того ионы обладают и большей энергией, т.е. перенос изображения можно проводить при меньших дозах облучения, чем при электронной литографии.
Контактная фотолитография
Фотолитография – это сложный технологический процесс, основанный на использовании необратимых фотохимических явлений, происходящих в нанесенном на подложки слое ФР при его обработке ультрафиолетовым излучением через маску (фотошаблон).При контактной фотолитографии фотошаблон на установке совмещения и экспонирования с помощью специального приспособления плотно прижимают к пленке ФР, после чего экспонируют пучком параллельных ультрафиолетовых лучей.
Технологический процесс фотолитографии можно разделить на три основные стадии:
– формирование фоторезистивного слоя (обработка подложек для их очистки и повышения адгезионной способности, нанесение ФР и его сушку);
|
|
|
– формирование защитного рельефа в слое ФР (совмещение, экспонирование, проявление, вторая сушка слоя ФР – задубливание);
– создание рельефного изображения на подложке (травление технологического слоя – пленки диэлектрика, металла или полупроводника), удаление слоя ФР, контроль качества фотолитографии.
Блок-схема процесса контактной фотолитографии показана на рис.1.
Рис.1. Блок-схема процесса контактной фотолитографии
Фоторезисты – светочувствительные органические материалы с изменяющейся под воздействием света растворимостью. ФР, растворимость экспонированного участка которых уменьшается, называются негативными, а ФР, растворимость которых после облучения возрастает, –позитивными. В основе создания рельефа в пленке негативного ФР лежит использование фотохимической реакции фотоприсоединеия - фотополимеризации, а в пленке позитивного ФР – реакции фоторазложения – фотолиза. При фотополимеризации происходит поперечная сшивка молекул полимера и его химическая стойкость увеличивается. При фотолизе происходит происходит разрыв слабых связей между молекулами, что приводит к снижению химической стойкости.
После обработки экспонированного ФР в проявителе, удаляющем растворимые участки, образуется рельефное изображение (рис.2).
а) б)
Рис.2. Формирование рельефа изображения элементов при использовании позитивного (а) и негативного (б) ФР:
1– ультрафиолетовое излучение, 2,3 – фотошаблон, 4 –слой ФР, 5–технологический слой, 6 – подложка.
Основными параметрами ФР являются светочувствительность, разрешающая способность, кислотоустойчивость, стабильность и вязкость (концентрация).
Светочувствительность – величина, обратная экспозиции, т.е. времени облучения, требуемой для перевода ФР в растворимое или нерастворимое состояние (экспозиция определяется экспериментально и зависит от толщины пленки ФР).
Разрешающая способность – максимальное число линий одинаковый ширины, которое можно получить в ФР на 1 мм. Разрешающая способность R и ширина линий L связаны между собой соотношением R=1000/2L.
|
|
|
Стойкость к воздействию агрессивных сред (кислотоустойчивость) – величина пропорциональная времени отслаивания пленки в используемом травителе, оно должно быть по крайней мере на порядок выше времени проявления.
Стабильность эксплуатационных свойств определяется временем службы ФР при определенных условиях хранения и использования.
Фотошаблон (ФШ) – плоскопараллельная пластина из прозрачного материала, на которой имеется рисунок, состоящий из сочетания непрозрачных и прозрачных участков на основе пленочного покрытия, образующих топологию одного из слоев структуры интегральной схемы. В зависимости от материала пленочного покрытия различают ФШ на основе фотографической эмульсии (эмульсионные ФШ), металлической пленки (металлизированные ФШ) и других материалов, например оксида железа (оксидные ФШ). Эмульсионные ФШ принципиально не могут обеспечить разрешающую способность, т.к. эмульсия имеет минимальную толщину слоя 4…6 мкм, кроме того, крайне низка их эксплутационная стойкость (1…10 совмещений). Металлизированные ФШ (хромированные) обеспечивают значительно большие разрешающую способность и стойкость (до 100 совмещений), однако коэффициент отражения пленки хрома высок и это не позволяет стабильно получать элементы размерами менее 1,5 мкм. Оксидные ФШ (оксиды Cr2О3 , Fe2O3,) более удобны с точки зрения простоты совмещения, т.к. непрозрачные для УФ излучения оксиды являются прозрачными для видимого света, кроме того, их износостойкость выше, чем у металлизированных ФШ.Металлизированные и оксидные ФШ получают вакуумными и химическими методами, а также осаждением из парогазовой фазы с последующим травлением.
Технологический процесс контактной фотолитографии включает следующие операции:
– подготовку поверхности перед нанесением ФР;
– нанесение слоя ФР;
– сушку пленки ФР;
– совмещение ФШ с подложкой и экспонирование (засветку) ФР;
– проявление – удаление определенных участков пленки ФР (получение микрорисунка);
– контроль качества проявления и геометрических размеров изображения;
– задубливание ФР, повышающие устойчивость ФР к травителю;
– травление слоя оксида или металла через полученную фоторезистивную маску в специальном травителе;
– контроль качества травления;
– удаление пленки ФР с поверхности;
– контроль качества проведенной фотолитографии.
Рассмотрим основные операции технологического процесса контактной фотолитографии.
Обработка поверхности подложек необходима для удаления органических и неорганических загрязнений. Необходимо, чтобы поверхность была гидрофильна к ФР и гидрофобна к травителю. Для удаления загрязнений используется обработка подложек в горячих органических растворителях, обработка в перекисно-аммиачном растворе с последующей гидромеханической отмывкой в деионизованной воде.
|
|
|
Для нанесения слоя ФР на пластину применяют методы центрифугирования, пульверизации, электростатического нанесения, окунания, полива. Самое широкое применение в полупроводниковой технологии нашел метод центрифугирования, так как он при несложном оборудовании позволяет получать пленки ФР с разбросом по толщине ± 10 %.Толщина ФР зависит от скорости вращения центрифуги и вязкости ФР. Метод центрифугирования позволяет формировать слой ФР на подложке с диаметром до 300 мм. Формирование слоя происходит за 20..30 c.При нанесении ФР на неподвижную подложку время между нанесением жидкого резиста и включением центрифуги должно быть минимальным (0.5…1с), чтобы вязкость ФР не менялась в результате испарения растворителей.
Нанесение ФР пульверизацией (распылением) позволяет получать широкий интервал толщин слоев и может использоваться для неплоских поверхностей. При этом расход ФР можно уменьшить примерно в 10 раз, дефектность слоя в 3…4 раза меньше по сравнению с центрифугированием, а отсутствие краевого утолщения делает этот метод особенно эффективным при нанесении ФР на прямоугольные подложки.
При электростатическом нанесении ФР диспергируется с помощью форсунки, либо само электрическое поле дробит жидкость на мелкие капли диаметром около 10 мкм. Заряженные капли ускоряются электрическим полем напряжением 15–20 кВ и осаждаются на подложку.
Нанесение ФР окунанием – наиболее простой способ нанесения покрытия, когда обрабатываемую подложку погружают в ФР и выводят из него с регулируемой скоростью. Полив ФР на горизонтально расположенные подложки обеспечивает лучшую по сравнению с окунанием равномерность по толщине, однако имеются утолщения по краям.
Сушка слоя ФР необходима для окончательного удаления растворителя. Для этого подложку со слоем ФР нагревают до 90–1000С. При этом также происходит уплотнение молекулярной структуры слоя, уменьшаются внутренние напряжения, повышается адгезия к подложке. При конвективной сушке подложки выдерживаются в термокамере в течение 15–20 мин. При инфракрасной сушке источником тепла является сама подложка, поглощающая ИК-излучение от галогенной лампы или от накаливаемой спирали. Время сушки составляет 5–10 мин. При СВЧ сушке подложки нагреваются, поглощая энергию СВЧ поля. Время сушки – несколько секунд.
Совмещение и экспонирование – одни из наиболее ответственных операций, обеспечивающих качество фотолитографии. Передача изображения с ФШ на подложку должна выполняться с точностью до десятых долей минимального размера элемента, что обычно составляет 0,1- 0,5 мкм. Поэтому процессы совмещения и экспонирования проводят на одном рабочем месте одновременно на одной установке, не допуская даже малой вибрации ФШ и подложки. Современные установки совмещения и экспонирования представляют собой сложные оптико-механические комплексы. При первой фотолитографии ФШ ориентируют относительно базового среза подложки. При последующих фотолитографиях, когда на подложке уже сформированы топологические слои, рисунок фотошаблона ориентируют относительно рисунка предыдущего слоя с помощью меток совмещения, которые представляют собой концентрические окружности, вложенные квадраты, крестики и т.п. Время экспонирования зависит от толщины слоя ФР, его светочувствительности и энергии падающего излучения.
Проявление слоя ФР заключается в удалении в зависимости от использованного типа ФР экспонированных или неэкспонированных участков, в результате чего на поверхности подложки остается защитный рельеф – фоторезистивная маска требуемой конфигурации. Проявителями для негативных ФР служат органические растворители, а для позитивных – слабые водные растворы щелочей (NaOH, KOH). Типовое время проявления составляет 30–40 с.
Задубливание слоя ФР является второй сушкой при более высокой температуре. и выполняется теми же способами, что и первая сушка.
Травление технологического слоя через маску из ФР осуществляют химическим жидкостным или плазменным "сухим" травлением. Химическое жидкостное травление основано на растворении в химических реагентах незащищенных фоторезистивной маской участков технологического слоя. Скорость травления зависит от концентрации реагента и его температуры. Недостатком жидкостного травления является образование т.н. "клина травления", который образуется из-за затекания травителя под фоторезистивную маску, что приводит к уменьшению размера рисунка. При "сухих" методах нет бокового подтравливания, потому что травление технологических слоев осуществляется с использованием плазменных потоков, которые удаляют технологический слой за счет физического распыления путем бомбардировки ионами инертного газа, или разрушением технологического слоя ионами активных газов (CF4, CCl3, SF6).
Удаление пленки ФР осуществляют двумя методами. В первом методе ФР смывают с помощью органических растворителей (ацетон, диметилформамид, четыреххлористый углерод), во втором – с использованием плазмы кислорода, в результате чего образуются летучие соединения CO2 и H2O, NO2 и др.
Контроль качества воспроизведения конфигурации осуществляют с помощью оптического микроскопа с увеличением не менее 100 раз.
В данной лабораторной работе ставится задача провести фотолитографическую гравировку медной пленки толщиной 0,3 мкм, нанесенной на подложку из ситалла или стекла.
|
|
|
