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

Различают разрешающую способность фоторезиста и разрешающую способность процесса литографии с использованием этого резиста. На практике ориентируются на разрешающую способность фотолитографического процесса.

3. Под кислотостойкостью фоторезистов понимают способность фоторезистивного слоя после экспонирования, проявления и сушки селективно защищать поверхность подложки от воздействия кислотных и щелочных травителей. Критерием кислотостойкости служит величина краевого и локального растравливания. Её обычно оценивают по величине клина, образующегося на краю плёнки после травления. Критерием кислотостойкости являются также время, в течение которого травитель воздействует на фоторезистивный слой до начала его разрушения или отслаивания, и качество полученных структур в подложке после травления. Кислотостойкость фоторезистов часто характеризуют плотностью дефектов (количеством дефектов на единице поверхности), передающихся на подложку при травлении ее поверхности, покрытой маской из фоторезиста.

Стойкость фоторезиста к химическим воздействиям зависит не только от состава, но и толщины и состояния резистной маски. Стойкость фоторезиста к травлению оценивают при помощи фактора травления K=h/x, где h — глубина травления, x — боковое растравливание. Чем меньше боковое растравливание при заданной глубине травления, тем выше кислотостойкость фоторезиста. Боковое подтравливание часто характеризуют клином травления.

4. В связи с использованием методов плазменного травления материала подложки важной характеристикой фоторезиста является плазмостойкость или стойкость к воздействию плазмы. Поскольку имеется несколько альтернативных составов плазмообразующих газов для травления того или иного материала, необходимо конкретизировать, стойкость по отношению к какой плазме рассматривается. Если речь идет о травлении во фторсодержащих плазмах, то для характеристики плазмостойкости обычно используют относительную скорость травления материала фоторезиста по отношению к скорости травления диоксида кремния. Если речь идет о травлении полимерных слоев, то в качестве меры плазмостойкости чаще всего используют отношение скорости травления материала к скорости травления полистирола в кислородсодержащей плазме.

5. Следующим важным свойством резиста является его адгезия. В приложении к фотолитографии адгезия — это способность слоя фоторезиста препятствовать проникновению травителя к подложке по периметру создаваемой резистной маски.

Адгезию фоторезистного слоя определяют как время отрыва слоя фоторезиста заданных размеров от подложки в ламинарном потоке растворителя. Адгезия считается удовлетворительной, если слой резиста 2020 мкм² отрывается за 20 мин.

6. Чрезвычайно важным свойством фоторезиста является дефектность сформированной из него маски. Под дефектностью понимается количество микроскопических дефектов пленки, проявляющих себя на последующих технологических стадиях обработки подложек через резистивную маску. Обычно дефектность выражают числом дефектов, приходящихся на единицу площади.

Появление проколов в плёнке фоторезиста связано с некачественным или изношенным фотошаблоном, различного рода загрязнениями, плохой смачиваемостью поверхности пластины. Как правило, при травлении проколы переходят в окисный защитный слой и являются «паразитными» областями локальной диффузии примесей, что может привести к закорачиванию слоев.

Методы снижения дефектов в резисте: использование более толстого или двухслойного резиста; чистка поверхности пластины перед нанесением; покрытие шаблонов противоадгезивным слоем; фильтровка резиста; сушка при более высокой температуре; предотвращение утоньшения резиста при проявлении.

7. Величиной, тесно связанной с разрешающей способностью, является контраст фоторезиста. Контраст можно назвать мерой разрешающей способности фоторезиста. Для того, чтобы обеспечить высокую разрешающую способность, фоторезист должен иметь большую величину контраста, такую, чтобы отраженный от подложки или появившийся вследствие дифракционных эффектов свет не влиял на формирование фоторезистной маски.

От контраста зависит, прежде всего, профиль формируемой фоторезистной маски; в меньшей степени от него зависят размеры критических элементов сформированных фоторезистных масок.

Для улучшения контрастности после операции экспонирования до проявления фоторезист сушат, чем достигается его однородная плотность. Кроме этого, возможно применение антиотражающих покрытий на подложке 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.

Негативные фоторезисты, механизмом получения изображения в которых является фотосшивание макромолекул полимера, обладают по сравнению с позитивными фоторезистами рядом преимуществ:

большая технологическая широта, т. е. возможность широкого выбора технологических параметров, при которых получаются резистные маски хорошего качества;

нечувствительность к перепроявлению;

хорошая адгезия и стойкость к жидкостному травлению;

способность к «самокоррекции» — размеры неэкспонированных участков можно подкорректировать в требуемом направлении за счет подтравливания при последующем изотропном жидкостном травлении;

широкий выбор компонентов фоторезистных композиций и составов проявителей.

Наиболее серьезными недостатками негативных резистов являются следующие:

разрешающая способность ограничена толщиной фоторезистной пленки. Существует эмпирическое правило, согласно которому типичные критические размеры получаемых фотолитографическим методом элементов будут не менее утроенной толщины фоторезистного слоя;

кислород очень сильно ингибирует процесс образования резистных масок из негативных резистов;

негативные резисты очень трудно использовать для «взрывной фотолитографии».

Нанесение слоя фоmopезисma. Перед нанесением слоя фоторезиста производят очистку поверхности пластины. Нанесенный на предварительно подготовленную поверхность слой фоторезиста должен быть однородным по толщине и по всему полю, без проколов, царапин (т. е. быть сплошным) и иметь хорошую адгезию.

Наносят слои фоторезиста на подложки в обеспыленной среде, соблюдая технологические режимы. Используемый фоторезист должен соответствовать паспортным данным. Перед использованием его необходимо профильтровать через специальные фильтры, а в особо ответственных случаях (при производстве СБИС) обработать на центрифуге при частоте вращения 10—20 тыс. об./мин в течение нескольких часов. Это делают для того, чтобы удалить из фоторезиста инородные микрочастицы размером менее 1 мкм, которые могут привести к браку фоторезистивного слоя. Кроме того, необходимо проверить вязкость фоторезиста и довести ее до нормы.

Для нанесения слоя фоторезиста на подложки используют методы:

центрифугирования;

пульверизации;

электростатический;

окунания;

полива и др.

Memoдом центрифугирования наносят слои фоторезиста, толщина которых колеблется в предстал ±10 %. При вращении центрифуги с большой частотой происходит испарение растворителя и вязкость фоторезиста быстро возрастает.

Толщина нанесенного слоя h зависит от вязкости  фоторезиста и частоты вращения  столика центрифуги: h= , где A — коэффициент пропорциональности, определяемый опытным путем.

Используя метод центрифугирования, можно в зависимости от вязкости фоторезиста регулировать толщину его слоя от 0,4 до 3,5 мкм, изменяя частоту вращения центрифуги от 1500 до 8000 об/мин. При малых скоростях центрифугирования слой фоторезиста получается неровным и наблюдается его утолщение по краям подложки.

Выбирая толщину слоя фоторезиста, необходимо учитывать, что он должен обладать высокой разрешающей способностью (чем меньше толщина, тем выше разрешающая способность) и не терять стойкости к травителю. Кроме того, слой фоторезиста не должен иметь дефектов в виде прокатов, количество которых с уменьшением толщины увеличивается. Следовательно, толщина слоя фоторезиста должна быть наименьшей, но достаточной для обеспечения его стойкости к травителю и обеспечивать малую дефектность.

Метод пульверизации основан на нанесении слоя фоторезиста в виде аэрозоля с помощью форсунки, действующей под давлением сжатого воздуха или инертного газа. Подложки располагаются на расстоянии в несколько сантиметров от форсунки, и фоторезист, осаждаясь в виде капель, покрывает их сплошным слоем. Метод пульверизации позволяет в автоматическом режиме вести групповую обработку подложек. При этом толщина слоя фоторезиста составляет от 0,3 до 20 мкм с точностью не хуже 5 %.

Достоинствами метода пульверизации являются:

1) возможность изменения толщины слоя фоторезиста в широких пределах;

2) однородность слоев по толщине;

3) отсутствие утолщений (бортиков) по краям подложек;

4) нанесение фоторезиста на профилированные подложки (в малейшие углубления и отверстия);

5) сравнительно малый расход фоторезиста;

6) высокая производительность и автоматизация процесса;

7) хорошая адгезия слоя к подложкам (лучшая, чем при центрифугировании).

Недостатки этого метода состоят в том, что при его использовании необходимо специально подбирать растворители, так как слой фоторезиста не должен стекать по подложкам. Следует также тщательно очищать фоторезист и используемый для пульверизации газ.

При электростатическом методе слой фоторезиста наносят на подложки в электрическом поле напряженностью 1—5 кВ/см. Для создания такого поля между подложкой и специальным кольцевым электродом подают постоянное напряжение 20 кВ. При впрыскивании фоторезиста форсункой в пространство между электродом и подложкой капельки фоторезиста диаметром в несколько микрометров заряжаются и летят под действием электрического поля к пластине. Этот метод имеет высокую производительность и позволяет наносить слой фоторезиста на подложки большой площади. Недостаток его — трудность стабилизации процесса и относительная сложность оборудования.

Методы окунания и полива являются простейшими среди всех методов нанесения стоя фоторезиста. При окунании подложки ее погружают на несколько секунд в ванну с фоторезистом, а затем с постоянной скоростью вытягивают из нее в вертикальном положении специальным подъемным устройством и сушат, установив вертикально или наклонно. Полив фоторезиста на горизонтально расположенные подложки обеспечивает лучшую по сравнению с окунанием однородность слоя по толщине. Следует отметить, что при этом методе неизбежны утолщения слоя фоторезиста по краям. Окунание и полив применяют для нанесения слоя фоторезиста на подложки больших размеров, а также для получения его толстых слоев (до 20 мкм) на обеих сторонах подложки.

Общим недостатком нанесения жидких фоторезистов является трудность получения сплошных слоев заданной толщины.

Накатка пленки сухого фоторезиста значительно упрощает процесс и обеспечивает получение равномерного покрытия на подложках большой площади. Пленочный фоторезист представляет собой трехслойную ленту, в которой слой фоторезиста заключен между двумя полимерными пленками: одна (более прочная) является несущей, а другая — защитной.

Предварительно защитную пленку удаляют, а фоторезист вместе с несущей пленкой накатывают валиком на подложки, нагретые до 100 °С. Под действием температуры и давления фоторезист приклеивается к положке. При этом его адгезия к подложке должна быть выше, чем к несущей пленке, которую затем снимают.

Недостатки этого метода — большая толщина (10—20 мкм) и низкая разрешающая способность слоя сухого фоторезиста. Поэтому накатку пленки сухого фоторезиста используют только при изготовлении печатных плат.

Сушка фоторезиста. Для окончательного удаления растворителя из слоя фоторезиста его просушивают. При этом уплотняется молекулярная структура слоя, уменьшаются внутренние напряжения, и повышается адгезия к подложке. Неполное удаление растворителя из слоя фоторезиста снижает его кислотостойкость. Для удаления растворителя подложки нагревают до температуры, примерно равной 100 С. Время сушки выбирают оптимальным для конкретных типов фоторезистов. Существует три метода сушки:

конвекционный;

инфракрасный;

посредством СВЧ-поля.

При конвективной сушке подложки выдерживают в термокамере при 90—100 °С в течение 15—30 мни. Недостаток этого метода — низкое качество получаемого фоторезистивного слоя.

При инфракрасной сушке источником теплоты является сама полупроводниковая подложка, поглощающая ИК-излучение от специальной лампы или спирали накаливания. Окружающая среда (очищенный и осушенный инертный газ или воздух) при этом сохраняет благодаря непрерывной продувке примерно комнатную температуру. При данном способе сушки время сокращается до 5—10 мин.

При СВЧ-сушке подложки нагреваются, поглощая электромагнитную энергию СВЧ-поля. Такая сушка производится в печах мощностью 200—400 Вт при рабочей частоте 2,45 ГГц. Время сушки — несколько секунд. Достоинством этого метода является высокая производительность, а недостатками — сложность оборудования и необходимость тщательного экранирования рабочего объема во избежание облучения оператора, а также неравномерность сушки слоя фоторезиста на различных по электрическим характеристикам участках подложек. Поэтому сушке в СВЧ-поле подвергают только однородные подложки.

Высушенный слой необходимо экспонировать не позднее чем через 10 ч.

Совмещение и экспонирование. Совмещение и экспонирование являются наиболее ответственными операциями процесса фотолитографии. Точность полученного в процессе фотолитографии топологического рисунка в первую очередь определяется прецизионностью процесса совмещения.

Передача изображения с фотошаблона на подложку должна выполняться с точностью до десятых долей минимального размера элемента, поэтому процессы совмещения и экспонирования проводят на одном рабочем месте одновременно на одной установке, не допуская даже малой вибрации фотошаблона и подложки.

Перед экспонированием слоя фоторезиста фотошаблон следует правильно сориентировать относительно подложки и рисунка предыдущего слоя. Для полного формирования структуры полупроводникового прибора или ИС необходим комплект фотошаблонов со строго согласован ними топологическими рисунками элементов.

При первой фотолитографии, когда поверхность подложек еще однородна, фотошаблон ориентируют относительно базового среза подложки. При последующих фотолитографиях, когда на подложках сформированы топологические слои, рисунок фотошаблона ориентируют относительно рисунка предыдущего слоя.

а)

б)

в)

Рис. 3. Фигуры совмещения на фотошаблонах (I) и подложках после второй (II) и четвертой (III) фотолитографии: а — концентрические окружности; б — вложенные квадраты, в — биссекторные знаки

Совмещают рисунки фотошаблона и подложки в два этапа. На первом этапе с помощью реперных модулей — «пустых кристаллов» — выполняют грубое совмещение в пределах всего поля подложки. На втором этапе с помощью микроскопа в пределах единичного модуля по специальным знакам — фигурам совмещения (рис. 3), предусмотренным в рисунке каждого топологического слоя, выполняют точное совмещение. Форму фигур совмещения выбирают в зависимости от типа используемого фоторезиста.

Сложность операции совмещения состоит в том, что приходится с высокой точностью совмещать элементы малых размеров на большой площади. Для этого увеличение микроскопа должно быть не менее 200 крат.

Существуют два метода совмещения фотошаблонов с подложками: визуальный, при котором, выполняя совмещение, наблюдают за контрольными отметками в микроскоп (при этом точность совмещения составляет 0,25—1 мкм и зависит от возможностей установки) и автоматизированный фотоэлектрический с помощью фотоэлектронного микроскопа, обеспечивающий точность совмещения 0,1—0,3 мкм.

Современные установки совмещения и экспонирования представляют собой сложные оптико-механические комплексы. Точность совмещения и производительность зависят от выбранного метода совмещения — визуального или фотоэлектрического.

Рис. 4. Установка совмещения и контактного экспонирования: 1, 8 — подающая и приемная кассеты; 2, 7 — конвейеры; 3 — устройство совмещения; 4 — фотошаблон; 5 — микроскоп; 6 — осветитель; 9 — подложки

Как уже отмечалось, совмещение и экспонирование выполняют на одной установке (рис. 4), при этом подложка 9 из подающей кассеты 1 перемещается по конвейеру 2 в устройство совмещения 3, где точно ориентируется относительно фотошаблона 4 при наблюдении в микроскоп 5. После совмещения микроскоп автоматически отводится в сторону, на его место устанавливается осветитель 6 и проводится экспонирование. Затем подложка по конвейеру 7 подается в приемную кассету 8 и передается на операцию проявления.

В качестве источника света обычно применяют ртутную кварцевую лампу высокого давления ДРШ-350 или ДРШ-500, создающие мощный световой поток. Излучение такой лампы лежит в основном в ультрафиолетовой области спектра (330—440 нм).

Важным оптическим эффектом при экспонировании является прохождение ультрафиолетового излучения через пленку фоторезиста. Световой поток, проходя через слой фоторезиста, рассеивается в нем, а. достигая подложки, отражается от нее и возвращается обратно в слой фоторезиста. Дойдя до поверхности фотошаблона, световой поток отражается под углом от его металлизированных непрозрачных участков и через прозрачные участки попадает в слой фоторезиста на подложке. Эти отражения светового потока приводят к нежелательному дополнительному экспонированию участков слоя фоторезиста, находящегося под непрозрачными участками фотошаблона. Интенсивность отраженного потока света зависит от коэффициентов отражения подложки и фотошаблона. Для снижения эффекта отражения при контактной фотолитографии используют цветные оксидные фотошаблоны, имеющие малый коэффициент отражения.

Проявление слоя фоторезиста. Проявление заключается в удалении в зависимости от использованного типа фоторезиста экспонированных или неэкспонированных участков, в результате чего на поверхности подложки остается защитный рельеф — фоторезистивная маска требуемой конфигурации.

Проявителями для негативных фоторезистов служат органические растворители: толуол, бензол, уайт-спирит, трихлорэтилен, хлорбензол и др.

Для проявления позитивных фоторезистов используют слабые водные и водно-глицериновые растворы щелочей: 0,3—0,6 %-й раствор KОН, 1—2 %-й раствор тринатрийфосфата.

При проявлении негативных фоторезистов основными факторами являются полнота реакции полимеризации фоторезиста при экспонировании и тип проявителя, а позитивных — концентрация проявителя и время проявления.

Кроме того, важным фактором при проявлении фоторезистов является значение pH и температура проявителя. При изменении pH всего на десятую долю процента размер элемента рельефного рисунка может измениться на 10 %. С ростом температуры скорость проявления (скорость растворения фоторезиста в проявителе) растет и размеры проявленных участков увеличиваются.

Типовое время проявления отечественных позитивных фоторезистов 30—40 с, что позволяет согласовывать работу отдельных блоков линий фотолитографии и контролировать процесс проявления с большой точностью.

Механизм проявления негативных фоторезистов основан на следующих процессах:

диффузии молекул проявителя к экспонированным и неэкспонированным участкам слоя фоторезиста;

набухании неэкспонированных участков и частично экспонированных участков слоя фоторезиста;

растворении экспонированных участков и переходе молекул полимера в объем проявителя;