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

формировании рельефа элементов рисунка;

удалении остатков фоторезиста с неэкспонированных участков;

испарении проявителя из объема экспонированных участков фоторезиста и восстановлении первоначальных геометрических размеров элементов рисунка.

Проявитель для негативных фоторезистов должен обладать, с одной стороны, хорошей растворяющей способностью по отношению к исходному полимерному материалу фоторезиста, а с другой — минимальным воздействием на экспонированные участки слоя. Кроме того, проявитель должен вызывать минимальное набухание экспонированных участков и, следовательно, наименьшие искажения геометрических размеров элементов рисунков. Набухание экспонированных участков в основном зависит от количества поперечных связей и свойств молекул сшитого полимера.

При недостаточной экспозиции облученные участки будут либо полностью растворяться, либо набухать до такой степени, что слой фоторезиста может оторваться от поверхности подложки или настолько увеличиться в объеме, что соседние элементы рисунка соединятся между собой. Поэтому правильность выбора проявителя для негативных фоторезистов зависит не только от необходимости получения минимальных размеров элементов рисунка, но и от степени набухания экспонированных участков.

Негативные фоторезисты проявляют пульверизацией или поливом. Эти методы обеспечивают чистоту процесса, хорошее удаление продуктов реакции и высокую производительность, а также возможность объединения в едином цикле на одной установке операций проявления, промывки и сушки на центрифуге.

Механизм проявления позитивных фоторезистов заключается в образовании при химической реакции растворимых соединений, которые вымываются при проявлении. Структурная схема такой реакции приведена ниже:

I II III

При облучении ортонафтохинондиазид (I), входящий в состав фоторезиста, расщепляется, в результате чего образуется инденкентен (II), который интенсивно поглощает воду с образованием инденкарбоновой кислоты (III). Наличием группы –СООН в инденкарбоновой кислоте определяется выбор растворов, пригодных для проявления (щелочи, аммиак и др.), с которыми эта кислота образует легко растворимые в воде соли, вымываемые при проявлении. Раствор при проявлении позитивных фоторезистов обычно окрашивается в фиолетово-коричневый цвет.

Рис. 5

При экспонировании с использованием дальнего ультрафиолета с длиной волны излучения от 100 до 240 нм, рентгеновского излучения или пучка электронов или ионов применяют более простые однокомпонентные позитивные резисты на базе полимеров, способных к цепной деполимеризации (разрыву боковых связей, а не основной цепи), таких как полиметилметакрилат (ПММА), рис. 5. В качестве проявителя используют раствор метилизобутилкетона в изопропаноле в соотношении 1:3.

Сушка проявленного рельефа (задубливание). Сушка проявленных участков слоя фоторезиста обеспечивает изменение в слое фоторезиста его структуры в результате полимеризации. Вследствие этого повышается стойкость слоя фоторезиста к действию травителей и улучшается его адгезия к подложке.

Задубливание слоя фоторезиста является второй сушкой и отличается от первой, выполняемой после его нанесения, более высокой температурой. При повышенных температурах происходит пластическая деформация слоя фоторезиста, в результате которой в полимерной основе затягиваются мелкие отверстия, поры, дефекты.

Так, температура сушки негативных фоторезистов на основе поливинилцинномата составляет 200—220 С при времени выдержки до 1 ч. При более высоких температурах даже кратковременная сушка вызывает термическое разрушение слоя фоторезиста: он приобретает коричневую окраску, поверхность покрывается мелкими трещинами и рельеф полностью теряет защитные свойства.

С ростом температуры сушки позитивных фоторезистов на основе нафтохинондиазида и каучуков улучшается их адгезия к подложке и увеличивается пластическая деформация. Например, сушка при 200—240 °С в течение 30 мин значительно улучшает стойкость фоторезистивной маски к травлению, особенно при фотолитографии на фосфоросиликатном стекле, к которому фоторезисты обычно имеют плохую адгезию.

Травление технологических слоев через маску фоторезиста. Заключительным этапом процесса фотолитографии является формирование топологии рельефного рисунка на подложках в технологическом слое (маскирующей, изолирующей, зашитой диэлектрической или проводящей металлической пленке) травлением с последующими удалением слоя фоторезиста и очисткой подложек. Эти операции осуществляют химическим жидкостным или плазменным «сухим» травлением.

Удаление слоя фоторезиста. Для удаления фоторезистивной маски подложки обрабатывают в горячих органических растворителях (диметилформамиде, метилэтилкетоне, моноэтаноламине и др.). При этом стой фоторезиста разбухает и вымывается. Скорость и чистота удаления фоторезиста зависят от степени его задубливания при второй термообработке.

При высоких температурах задубливания (более 140—150 °С) в слое фоторезиста происходят термореактивные превращения, в результате которых он теряет способность растворяться в органических растворителях. В этом случае подложки два—три раза кипятят по 5—10 мин в концентрированной серной, азотной кислоте или смеси Каро (серная кислота и перекись водорода). Слой фоторезиста при этом разлагается и растворяется в кислоте, а затем его окончательно удаляют в органическом растворителе. Кислотное удаление фоторезиста нельзя применять при фотолитографии по металлу.

Некоторые фоторезисты хорошо удаляются в водных растворах поверхностно-активных веществ, например кипячением 5—10 мин в 30 %-м растворе синтанола.

Интенсивность удаления слоя фоторезиста можно увеличить ультразвуковым воздействием. Для этого ванночку с подложками, заполненную реагентом, помещают в ультразвуковую ванну. Время обработки при этом уменьшается в 10—20 раз.

Для удаления позитивных фоторезистов, температура сушки которых не превышала 95 С, подложки предварительно облучают ультрафиолетовым светом. При этом ортонафтохинондиазиды превращаются в инденкарбоновые кислоты, которые легко удаляются в органических растворителях.

Посте химического удаления слоя фоторезиста подложки тщательно очищают от его остатков, которые могут отрицательно сказаться на таких последующих технологических операциях, как диффузия, окисление, нанесение металлизации и др. Кроме того, необходимо качественно очищать поверхность подложек от загрязнений, вносимых при фотолитографии.

Химическую обработку проводят на установках, входящих в комплекс универсального оборудования, предназначенного для очистки подложек. Все эти операции проводят во фторопластовых ваннах, снабженных нагревателями и эжекторами для откачки реагентов после окончания технологического процесса.

Лабораторное задание

Провести последовательность операций литографического процесса и получить на подложке топологию оксидной или металлической пленки, заданной шаблоном.

Проанализировать полученные образцы и выявить наиболее возможные причины возникновения брака.

Для изучения фотолитографического процесса используется следующее оборудование и материалы.

Оборудование: стандартный набор лабораторной посуды для отмывки подложек и проведения химической обработки подложек; установка нанесения фоторезиста методом центрифугирования; установка экспонирования; набор сменных фотошаблонов; оптический микроскоп; секундомер.

Материалы: набор химических реактивов и растворителей, расположенных на специальной стойке под вытяжкой.

В работе используется промышленный позитивный фоторезист (конкретная марка фоторезиста уточняется у преподавателя).

В качестве проявителя используется 1 %-й раствор щелочи (NaOH или KОН).

В качестве травителя технологического слоя в случае диоксида кремния используется буферный травитель — растворах плавиковой кислоты (HF) и фторида аммония (NH₄F), а в случае алюминия — раствор щелочи (NaOH или КОН).

Полимерную пленку отработанного фоторезиста удаляют в концентрированной азотной кислоте.

1. Получить у преподавателя необходимое количество образцов — либо окисленных подложек, либо с уже нанесенными тонкими металлическими пленками алюминия.

2. Выполнить стандартную очистку подложек.

3. Нанести на подложку фоторезист методом центрифугирования. Для этого необходимо:

- получить у лаборанта емкость с промышленным фоторезистом и дозатор для его дозированного использования (в простейшем случае это может быть пипетка);

- снять защитный кожух с центрифуги;

- установить подложку на диск центрифуги лицевой стороной вверх и зафиксировать подложку в центре диска центрифуги (ВНИМАНИЕ! Не рекомендуется касаться рабочей поверхности подложки руками);

- установить защитный кожух центрифуги так, чтобы вращающийся диск центрифуги не касался защитного кожуха;

- включить тумблер центрифуги и дождаться выхода се на рабочий режим (10—15 с);

- осторожно дозатором впрыснуть две—три капли фоторезиста в центральное отверстие защитного кожуха центрифуги;

- далее после 10—15 с включить тумблер центрифуги и дождаться её полной остановки;

- снять защитный кожух центрифуги и визуально убедиться в том, что фоторезист равномерно распределился но всей поверхности подложки (в противном случае подложка с фоторезистом бракуется и поступает на операцию исправления брака: весь фоторезист снимается с подложки растворителем и повторяется операция его нанесения до равномерною покрытия им всей плоскости подложки);

- после успешного нанесения фоторезиста подложки подвергают сушке в два этапа: первый — при затемнении при комнатной температуре в течение 10—15 мин; второй этап — в сушильном шкафу при температуре 9010 °С в течение 20—30 мин (более точно режим сушки уточняется в зависимости от конкретной марки фоторезиста).

4. Провести операцию экспонирования слоя фоторезиста. Для этого:

- поместить подложку со слоем фоторезиста в установку экспонирования так, чтобы слой резиста был сверху;

- осторожно, не царапая пленку фоторезиста, наложить шаблон на подложку;

- включить установку экспонирования, при этом в смотровом окне можно будет наблюдать излучение ртутной лампы;

- выполнить экспонирование, т. е. засветку фоторезиста строго определенное время (время экспонирования определяется мощностью световою потока и временем; поскольку освещенность в нашем случае есть величина постоянная, то оптимальная экспозиция будет зависеть только от времени, которое подбирается экспериментально и может изменяться от нескольких секунд до нескольких минут; рекомендуемое время экспонирования —3 мин;

- по окончании операции экспонирования выключить установку экспонирования, снять шаблон с подложки и осторожно (пинцетом) извлечь подложку из установки.

5. Далее экспонированные образцы подвергаются химической обработке — проявлению, цель которой — удаление ненужных участков фоторезистивного слоя и формирование топологии маски на поверхности подложки. Для этого:

- поместить подложку в ванночку с проявителем и визуально наблюдать процесс проявления до четкого формирования на подложке топологии рельефа (для проявления позитивного фоторезиста использовать 1 %-й раствор NaOH или КОН, либо 2 %-й раствор Na₃PO₄; для проявления негативного фоторезиста использовать трихлорэтилен; процесс ведется при комнатной температуре);

- по окончании проявления подложки промыть в дистиллированной воде и приступить к операции задубливания.

5. Провести операцию второй сушки (задубливание). Для этого:

- поместить подложки в сушильный шкаф на фильтровальной бумаге;

- провести задубливание (выдерживание обработанных подложек в сушильном шкафу) в течение 30 мин при температуре 150—180 С (цель задубливания — закрепление оставшегося на подложке фоторезиста и придание ему резистивных свойств, т. е. устойчивости к травителям);

- далее осторожно извлечь подложки из сушильного шкафа, в течение 3—5 мин дать им остыть до комнатной температуры и далее приступить к операции травления технологического слоя на подложке.

7. Провести операцию травления технологического слоя через резистивную маску. Для этого:

- подготовить ванночку для травления, заполнив ее соответствующим травителем (для травления окисла использовать раствор плавиковой кислоты и фторида аммония, а для травления алюминия — 25 %-й раствор NaOH);

- осторожно пластиковым пинцетом перенести подложки в травитель и визуально наблюдать процесс травления (среднее время травления не должно превышать несколько минут);

- после окончания процесса травления промыть подложки в дистилированной воде.

8. Выполнить заключительную операцию литографического процесса — удаление пленки фоторезиста. Для этого:

- подготовить контейнер ятя удаления пленки фоторезиста, заполнив его концентрированной серной кислотой (ВНИМАНИЕ! Все операции с кислотами выполнять только под вытяжкой с использованием пластикового пинцета);

- поместить обрабатываемые подложки в контейнер с серной кислотой;

- визуально наблюдать процесс удаления пленки фоторезиста (среднее время удаления пленки фоторезиста 1—1,5 мин);

- после полного удаления слоя фоторезиста подложки промыть в дистилированной воде.

9. Высушить подложки фильтровальной бумагой или при необходимости в сушильном шкафу при температуре 80—85 °С.

10. Проведите визуальный осмотр полученной топологии пленки на подложке, сделайте необходимые выводы о возможных причинах брака.

Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Краткие теоретические сведения.

3. Лабораторное задание.

3. Описания установок центрифугирования и совмещения и экспонирования.

4. Протоколы выполнения операций при работе на установках.

5. Выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение следующих терминов: литография, чувствительный слой, фотолитография, светочувствительный слой, технологический слой, контактная фотолитография, проекционная фотолитография, фотошаблон.

2. Что позволяют литографические процессы в рамках планарно-эпитаксиальной технологии?

3. Перечислите основные достоинства литографических процессов.

4. Объясните основные функции, выполняемые фоторезистом.

5. Поясните разницу между позитивным и негативным фоторезистами.

6. Охарактеризуйте технологическую операцию нанесения слоя фоторезиста (назначение, возможности, виды технической реализации, преимущества и недостатки различных видов нанесения жидких (аэрозольных) фоторезистов).

7. Охарактеризуйте технологическую операцию сушки фоторезистивного слоя (назначение, возможности, виды технической реализации, преимущества и недостатки различных видов сушки). Что такое задубливание?

8. Охарактеризуйте технологическую операцию совмещения и экспонирования в цикле литографической обработки поверхности подложек (назначение, возможности, виды технической реализации).

9. Охарактеризуйте технологическую операцию проявления слоя фоторезиста (назначение, возможности, виды технической реализации).

10. Охарактеризуйте химизм и механизм технологической операции проявления негативного фоторезиста.

11. Охарактеризуйте химизм и механизм технологической операции проявления позитивного фоторезиста.

12. Охарактеризуйте технологическую операцию удаления резистивной маски (назначение, цель, возможности, виды технической реализации).

13. Охарактеризуйте основные причины и виды брака при реализации литографического процесса.

Лабораторная работа № 3 изучение процессов травления в технологии полупроводниковых приборов и интегральных схем

Цель работы: знакомство с процессами травления полупроводников, диэлектриков и металлов, используемых в кремниевой технологии, изучение влияния технологических параметров на скорость травления.

Теоретические сведения

Под процессами травления в полупроводниковой технологии понимают виды обработки, которые включают химическое взаимодействие реагентов с функциональными и промежуточными материалами в процессе создания структуры прибора. Такими материалами являются монокристаллические кремниевые пластины, а также ряд пленок (аморфные диэлектрические SiO₂ и Si₃N₄, поликристаллический кремний, металлические). Лабораторная работа посвящена изучению процессов жидкостного травления. В современных технологиях широко используются также методы «сухого» травления с применением плазмы, ионных пучков и других активирующих физических воздействий.

Среди разновидностей травления в планарной технологии можно выделить изотропное, анизотропное, локальное, селективное, послойное, полирующее. Примерами операций, где используются эти виды травления, являются процессы физико-химического анализа зпитакснальных слоев и подложек, удаления механически нарушенного слоя, травления в фотолитографии, травления для выявления кристаллографических плоскостей, дефектов структуры, p—n-переходов, получения полупроводникового материала определенной толщины, контролируемого изменения поверхностных свойств (поверхностной проводимости и скорости поверхностной рекомбинации). В каждом конкретном случае к травителю предъявляются специфические требования.

Травление кремния. Процесс растворения кремния при контакте с травителем без приложения электрического поля может протекать по двум механизмам: химическому и электрохимическому. При химическом механизме травления поверхностные атомы Si непосредственно взаимодействуют с компонентами раствора и окислительно-восстановительные реакции протекают в одном акте с образованием растворимых в травителе химических соединений кремния. При электрохимическом механизме травления на поверхности кремния протекают две сопряженные реакции — анодная (окисление кремния) и катодная (восстановление окислителя). Пространственное разделение анодной и катодной реакций оказывается энергетически более выгодным, так как локализация этих реакций происходит там, где облегчается их протекание. Например, анодная реакция окисления протекает легче в областях, имеющих кристаллографические дефекты, скопление дислокаций и т. д. При травлении полупроводника основное отличие от травления металла состоит в том, что в обмене зарядами между полупроводником и раствором участвуют два типа носителей — электроны и дырки.

Анодный процесс травления связан с разрывом связей кристаллической решетки, а катодный — с выделением дырок, необходимых для протекания анодного процесса. Поэтому травление с анодным контролем на разных участках происходит с различной скоростью. Там, где имеются дислокации и другие нарушения кристаллической структуры, ослабляющие связи решетки, скорость травления больше, что применяют для выявления дислокаций на поверхности полупроводника (селективное или анизотропное травление). Для получения ровной зеркально-гладкой поверхности необходимо подобрать травитель с катодным контролем и подавить способность к селективному травлению. При травлении поток дырок, образующихся в катодной реакции восстановления окислителя с участием электронов валентной зоны, больше, чем их расход в реакции анодного растворения. В этих условиях от поверхности кремния в его объем текут ток избыточных дырок и равный ему ток свободных электронов. Эти неравновесные носители заряда рекомбинируют в квазинейтральной области на расстоянии порядка диффузной длины от поверхности.

Травление кремния в смеси HF–HNO₃ протекает по электрохимическому механизму. Анодную реакцию окисления кремния с образованием промежуточного поверхностного оксида и последующим его растворением плавиковой кислотой можно представить как

Si+2H₂O+ne⁺→SiO₂+4H⁺+(4–n)e^–, (1)