Материал: Методические указания к выполнению лабораторных работ № 1—3 по дисциплине «Основы технологии электронной компонентной базы». Липатов Г.И

9. Корундовая игла.

10. Линейка.

11. Бюкс.

Материалы:

1. Кремний n-типа с удельным сопротивлением 0,50—4,5 Ом см (в виде пластин, полированных до 14 класса чистоты поверхности).

2. Кислота плавиковая (48 %-я).

3. Кислота азотная (концентрированная).

4. Лак ХСЛ.

5. Растворители: толуол, этиловый спирт.

6. Фильтровальная бумага.

Технология термического окисления кремния

Рис. 3

Установка для термического окисления кремния (рис. 3) состоит из горизонтальной трубчатой печи 9, в которой помещена кварцевая труба (реактор) 10 со шлифом 6. В реактор при помощи держателя 7, изготовленного из кварца, помещают пластины кремния 8 в вертикальном положении перпендикулярно потоку газа. Водяной пар, генерируемый в барботере 5 при температуре 90—100 °С, потоком кислорода из баллона 1 через редуктор 2, ротаметр 3 и кран 4 подается в реакционную камеру. Термопара 11 позволяет контролировать температуру процесса окисления. При помощи двухходового крана 4 в камеру можно подавать или сухой, или увлажненный кислород.

Полированную с двух сторон алмазной пастой пластину разрезают при помощи линейки и корундовой иглы на четыре части (для экономии материала), которые обезжиривают кипячением в толуоле в течение 5 мин, после чего кипятят в концентрированной азотной кислоте до удаления бурых паров NO₂, быстро и многократно промывают в дистиллированной воде, затем в течение 2—3 мин обрабатывают плавиковой кислотой (фторопластовая посуда!) для удаления оксида с поверхности и вновь тщательно промывают дистиллированной водой. Подготовленные к окислению четыре части пластины хранят в бюксах под слоем этилового спирта.

При подготовке установки к работе включают печь и выходят в режим (1150 °С) при потоке влажного кислорода через реакционную камеру 20—30 л/ч (по ротаметру). Барботер разогревают до 95 °С, а четыре части пластины вынимают из бюкса со спиртом, высушивают между листками фильтровальной бумаги и помещают в кварцевый держатель. Открыв входной шлиф реакционной камеры, вдвигают держатель с образцами в изотермическую зону печи. Закрыв камеру (поток кислорода через барботер отрегулирован!), начинают процесс окисления. Через 20, 40, 60 и 90 мин (по секундомеру) выдвигая держатель, снимают по одной пластине и определяют толщину полученного окисла. На основании полученных данных строят кинетическую кривую (изотерму) в координатах: толщина окисла d, мкм, — время t, мин, и lgd—lgt. По углу наклона в логарифмических координатах определяют показатель степени в уравнении d=ktⁿ и делают вывод о характере закона окисления (линейный, параболический и т. п. законы).

Техника измерения толщины окисных пленок на кремнии

Толщину сравнительно тонких (до 1 мкм) слоев определяют методом цветовых оттенков Ньютона (см. табл. 2), для чего на поверхность оксида с помощью заостренной фторопластовой палочки наносят каплю плавиковой кислоты. После протравливания окисла до поверхности кремния пластину промывают дистиллированной водой, подсчитывают число темных красно-фиолетовых колец для оценки порядка интерференции и определяют цветность окисла и цвет последней полосы (при перпендикулярном падении дневного света).

Толщину слоев более 1 мкм, на которых отдельные цвета спектра уже неразличимы, рекомендуется определять при помощи микроинтерферометра МИИ-4. Для этого половину пластины покрывают лаком ХСЛ, высушивают под электрической лампой в течение 20 мин, а затем стравливают оксид с незащищенной части пластины в плавиковой кислоте. При этом на поверхности подложки образуется ступенька. Для улучшения отражательной способности поверхности рекомендуется напылить в вакууме слой алюминия толщиной около 50 нм (рис. 4).

Рис. 5

Рис. 4

Пластину помещают на предметный столик интерферометра МИИ-4 таким образом, чтобы ступенька попадала в поле зрения и была расположена в окуляре вертикально. Фокусировку производят при отключенной интерференционной призме (см. инструкцию к МИИ-4). После этого вводят призму и наблюдают излом интерференционных полос на ступеньке (рис. 5). При помощи окуляр-микрометра измеряют сначала расстояние между средней наиболее интенсивной линией и соседней (сверху или снизу) — x делений. Затем определяют сдвиг средней полосы на ступеньке — Δx делений. Тогда величина сдвига в долях интервала между соседними интерференционными полосами равна Δx/x, а толщина окисла будет равна d=0,27 Δx/x, мкм.

Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Лабораторное задание.

3. Краткие теоретические сведения.

4. Описание установки термического окисления.

5. Результаты кинетических исследований термического окисления во влажном кислороде в виде графиков d=f(t) b lgd—lgt с расчетом показателя степени в кинетическом уравнении d=ktⁿ и выводом о характере процесса.

6. Описание методики и результатов определения толщины термического окисла.

7. Выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Почему для изготовления ИС в основном применяют кремний?

2. Поясните понятие термина «планарная технология».

3. В чем преимущества и недостатки метода термического окисления?

4. Охарактеризуйте аппаратное оформление установки терми­ческого окисления (наиболее важные блоки установки, их назначе­ние).

5. Каков принцип работы оборудования для термического окисления?

6. Какие разновидности термического окисления существуют?

7. Как определяют толщину диэлектрических слоев и пленок?

Лабораторная работа № 2 изучение процесса фотолитографии

Цель работы: изучение теоретических основ фотолитографического процесса и получение практических навыков работы на фотолитографическом оборудовании.

Теоретические сведения

В общем случае литография — это процесс формирования в чувствительном слое, нанесенном на поверхность подложки, рельефного рисунка, повторяющего топологию полупроводниковых приборов или ИС, и последующего переноса этого рисунка на подложку.

Чувствительным называют слой, который изменяет свои свойства (растворимость, химическую стойкость) под действием актиничного излучения (например, ультрафиолетового света или потока электронов и т.д.).

Литографические процессы позволяют:

получать на поверхности окисленных полупроводниковых подложек свободные от слоя оксида области, задающие конфигурацию полупроводниковых приборов и элементов ИС, в которые проводится локальная диффузия примесей для создания p—n-переходов;

формировать межсоединения элементов ИС;

создавать технологические маски из резистов, обеспечивающие избирательное маскирование при ионном легировании.

Широкое применение литографии обусловлено её следующими достоинствами:

высокой воспроизводимостью результатов и гибкостью технологии, что позволяет легко переходить от одной топологии структур к другой сменой шаблонов;

высокой разрешающей способностью резистов;

универсальностью процессов, обеспечивающей их применение для самых разнообразных целей (травления, легирования, осаждения);

высокой производительностью, обусловленной групповыми методами обработки.

Процесс литографии состоит из двух основных стадий:

• формирования необходимого рисунка элементов в слое чувствительного вещества (резиста), его экспонирования и проявления;

• травления нижележащего технологического слоя (диэлектрика, металла) через сформированную топологическую маску или непосредственного использования слоя резиста а качестве топологической маски при ионном легировании.

В качестве диэлектрических слоев обычно служат пленки диоксида SiO₂ и нитрида Si₃N₄ кремния, а межсоединений — пленки некоторых металлов, в частности алюминия. При этом все пленки называют технологическим слоем.

В зависимости от длины волны используемого излучения различают следующие методы литографии;

фотолитографию (длина волны ультрафиолетового излучения =150—440 нм);

рентгенолитографию (длина волны рентгеновского излучения =1,5—2 нм);

электронолитографию (поток электронов, имеющих энергию 10—100 кэВ или длину волны =0,05 нм);

ионолитографию (поток ионов, имеющих длину волны =0,05—0,1 нм).

В зависимости от способа переноса изображения методы литографии могут быть контактными и проекционными (рис. 1). При контактном способе фотошаблон и пластина с нанесенным фоторезистом соприкасаются. Чтобы провести совмещение топологического рисунка фотошаблона с предыдущим, топологическим рисунком, шаблон и пластину разводят на 25 мкм, а пару объективов с сильным увеличением помещают сзади от шаблона для одновременного наблюдения рисунков шаблона и пластины из двух точек. Объективы принадлежат микроскопу с разведенным полем зрения, так что правый глаз видит точку на правой стороне шаблона и пластины, а левый — точку слева. Шаблон и пластину совмещают механическим перемещением и вращением вакуумного держателя (столика) до совпадения топологических рисунков шаблона и пластины. В этом положении пластина приводится в соприкосновение с шаблоном и проводится еще одна проверка на точность совмещения. При экспонировании микроскоп автоматически отводится, и источник ультрафиолетового (УФ) излучения освещает весь шаблон в течение определенного времени экспонирования. Время экспонирования подбирают экспериментально, обычно в пределах 15—20 с.

Рис. 1

Интенсивность экспонирования на поверхность пластины, умноженная на время экспонирования, дает энергию экспонирования или дозу облучения, получаемого резистом.

Вследствие тесного контакта между резистом и шаблоном при контактной печати значения разрешения (~0,1 мкм) выше, чем при использовании других методов литографии.

При бесконтактном экспонировании дифракция света уменьшает разрешающую способность и ухудшает четкость изображения, вследствие чего величина разрешения составляет 2—4 мкм.

При проекционном способе фотолитографии контакта фотошаблона с подложкой нет, что исключает возможные его повреждения. Кроме этого, проекционный метод упрощает процесс совмещения фотошаблона и позволяет осуществить совмещение точнее, чем при использовании контактного метода.

Проекционную фотолитографию можно осуществить одновременной передачей всех элементов топологического слоя на пластину, поэлементным (шаговым) проецированием отдельных фрагментов или модулей на пластину, вычерчиванием рисунка в слое фоторезиста подложки при помощи сфокусированного до определенных размеров светового луча, управляемого от компьютера.

Для достижения высокого разрешения отображается только небольшая часть рисунка шаблона. Это небольшая отображаемая область сканируется или перемещается по поверхности пластины. С помощью этого метода достигается разрешение 0,6—0,8 мкм для ширины линий и расстояния между ними.

Проекционные устройства печати, в которых изображение на шаблоне перемещается над поверхностью пластины, называют системами с непосредственным перемещением по пластине или фотоштампами. При использовании этих устройств печати шаблон содержит топологию одного кристалла большого размера или нескольких кристаллов малых размеров, которые увеличены в несколько раз (до десяти). Изображение этой топологии или структуры уменьшается и проецируется на поверхность пластины с помощью так называемого проекционного объектива. В связи с этим проекционные методы могут быть без изменения масштаба переносимого изображения (М 1:1) и с уменьшением его масштаба (М 10:1; М 5:1).

После экспонирования одного элемента кристалла пластина сдвигается или перемещается на столике с интерферометрическим управлением по осям X, Y к следующему элементу одного кристалла, и процесс повторяется.

В большинстве современных проекционных систем печати оптические элементы являются достаточно совершенными, и их характеристики точности отображения ограничены дифракционными эффектами, а не аберрацией линз. Эти устройства печати называют системами с дифракционным ограничением.

В зависимости от типа используемого резиста (негативный или позитивный) методы литографии по характеру переноса изображения подразделяют на негативные и позитивные.

Литография является прецизионным процессом, т. е. точность создаваемых рисунков элементов должна быть в пределах долей микрометра. Кроме того, различные методы литографии должны обеспечивать получение изображения необходимых размеров любой геометрической сложности, высокую воспроизводимость изображе­ний в пределах кристаллов и по рабочему полю подложек, а также низкий уровень дефектности слоя сформированных масок.

Технологический процесс фотолитографии можно разделить на три стадии:

1. Формирование фоторезистивного слоя (обработка подложек с целью их очистки и повышения адгезионной способности, нанесение фоторезиста и его сушка);

2. Формирование защитного рельефа в слое фоторезиста (совмещение, экспонирование, проявление и сушка слоя фоторезиста, вторая сушка (задубливание);

3. Создание рельефного изображения на подложке (травление технологического слоя (пленок SiO₂, Si₃N₄, металла), удаление слоя фоторезиста, контроль качества).

Позитивные и негативные фоторезисты. Фоторезисты — это светочувствительные материалы с изменяющейся под действием света растворимостью, устойчивые к воздействию травителей и применяемые для переноса изображения на подложку.

Фоторезисты являются многокомпонентными мономерно-по­лимерными материалами, в состав которых входят: светочувствительные (поливинилциннаматы — в негативные фоторезисты и нафтохинондиазиды — в позитивные), пленкообразующие (чаще всего это различные фенолформальдегидные смолы, резольные и новолачные смолы) вещества, а также растворители (кетоны, ароматические углеводороды, спирты, диоксан, циклогексан, диметилформамид и др.).

В процессе фотолитографии фоторезисты выполняют две функции: с одной стороны, являясь светочувствительными материалами, они позволяют создавать рельеф рисунка элементов, а с другой, обладая резистивными свойствами, защищают технологический слой при травлении.

В основе создания рельефа в пленке негативных фоторезистов лежит использование фотохимической реакции — фотополимеризации, а в пленке позитивных фоторезистов — реакции фоторазложения — фотолиза.

Для негативных фоторезистов освещенные при экспонировании участки не растворяются в проявителе и остаются на поверхности подложки. При этом рельеф представляет собой негативное изображение элементов фотошаблона. Для позитивных фоторезистов, соответственно, все наоборот (рис. 2).

Рис. 2

Основными критериями, которые необходимо принимать во внимание при выборе и использовании резистов, являются (свето-) чувствительность, разрешающая способность, кислотостойкость и плазмостойкость, адгезия, дефектность, высокая контрастность.

1. Важной характеристикой резистов является чувствитель­ность. Чувствительностью резиста называют энергию, которую необходимо передать участку этого резиста для его полного проявления за приемлемое время (обычно за 1—2 мин).

Фоторезист содержит светочувствительное вещество, поглощающее УФ излучение с длинами волн из определенного интервала. Определить этот интервал можно по спектрам поглощения фоторезиста. Областью поглощения резиста является область длин волн, в которой оптическая плотность резистной пленки не менее 0,2. Указанная область называется областью спектральной чувствительности фоторезиста.

Кроме того, иногда говорят также об интегральной светочувствительности фоторезиста. Она определяется как светочувствительность фоторезиста при воздействии света всех длин волн, поглощаемых фоторезистом.

Зная светочувствительность фоторезиста (~100 мДж/см²) и освещенность, можно определить примерное время экспонирования для данного типа фоторезиста. Интенсивность излучения ртутных ламп ~300—500 мВт/см². Точное время экспонирования устанавливается экспериментально и составляет от 10—20 c до нескольких минут.

2. Разрешающая способность фоторезиста определяется числом линий равной толщины, которые могут быть получены без слияния на 1 мм поверхности подложки в результате проведения процесса фотолитографии. Предельное значение разрешающей способности определяется размерами полимерных молекул фоторезиста. Разрешающая способность фоторезиста также 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, а для позитивных — 1:1. Для получения линий минимальной ширины толщину резиста тоже надо учитывать. Лучшая разрешающая способность позитивных фоторезистов позволяет использовать их при изготовлении СБИС. На разрешающую способность оказывают существенное влияние как процессы экспонирования и связанные с ними оптические явления в системе «фотошаблон—фоторезист—подложка», так и процессы проявления и сушки. К оптическим явлениям, оказывающим влияние на разрешающую способность фоторезистов, следует отнести дифракцию света на границе фотошаблон—фоторезист, отражение света от поверхности подложки и рассеяние света в слое фоторезиста.

Стабильность геометрических размеров элементов рельефа рисунка в слое фоторезиста в сильной степени зависит от условий проведения процессов проявления и сушки. Перепроявление приводит к увеличению размеров элементов (особенно для позитивных фоторезистов), а неоптимальные режимы сушки могут приводить к короблению слоя фоторезиста и его отслаиванию.