Основные параметры литографических процессов. Фоторезисты, фотошаблоны и контактная фотолитография. Дефекты при проведении процесса контактной фотолитографии. Рентгеновская литография и электронно-лучевая. Выбор и описание технологического оборудования.
Аннотация к работе
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. Традиционно классическим процессом является контактная фотолитография, при которой фотошаблон непосредственно соприкасается с полупроводниковой пластиной, на поверхность которой нанесен фоторезист. 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, причем иногда с уменьшением размеров при проецировании. Появление проколов в пленке фоторезиста связано с некачественным или изношенным фотошаблоном, различного рода загрязнениями, плохой смачиваемостью поверхности пластины или перегревом пленки фоторезиста при экспонировании. Фотолитография на микрозазоре (фотошаблон и пластина с нанесенным фоторезистом отстоят друг от друга на расстоянии 10-30 мкм) использует так называемый множественный источник излучения, когда УФ - лучи падают наклонно под одинаковыми углами к оптической оси системы экспонирования.
План
Содержание
Введение
Современные литографические процессы в технологии ППП и ИС3
Фоторезисты
Фотошаблоны
Контактная фотолитография
Дефекты при проведении процесса контактной фотолитографии
Бесконтактная фотолитография
Рентгеновская литография
Электронно-лучевая литография
Описание технологического процесса
Выбор и описание технологического оборудования
Оценка технологического процесса
Заключение
Список литературы
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:
IMG_1e56ab51-05f9-4370-ab1c-94bafac42187
1) дифракция;
2) глубина фокуса объектива;
3) низкоконтрастный резист;
4) стоячие волны (отражение от подложки);
5) преломление света в резисте.
IMG_f7e21a77-9367-423b-9bbd-2ff6d3528814
Профили распределения интенсивности в изображения для случаев контактной печати, печати с зазором и проекционной литографии.
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 ИС3
Плотность элементов в кристалле ИМС достаточно велика и к настоящему времени существенно превысила рубеж 100000. Это достигнуто за счет 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). Ее 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 дает разрешение 0,4 мкм, но изза 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 нанесен 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, причем иногда с уменьшением размеров при проецировании.
Таблица 1
Основные параметры литографических процессов
Способ литографического процессаМинимальная ширина линии, мкмОшибка совмещения, мкм
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 слоев 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. освещенности, помноженной на время. При этом, чувствительность позитивного фоторезиста - это полнота разрушения освещенных участков пленки. Чувствительность для негативного фоторезиста ФН - наоборот, закрепление после экспонирования и проявления локальных участков пленки фоторезиста, подвергнутых освещению. В обоих случаях необходимо обеспечить четкость изображения, т.е. резко очерченную границу между областями удаленного при проявлении и оставшегося фоторезиста. Граница поглощения фоторезиста - 0,28-0,4 мкм (ультрафиолетовая область спектра излучения). фоторезист литографический рентгеновский оборудование
Разрешающая способность фоторезиста - это число линий равной толщины, которые могут быть получены (без слияния) на 1 мм поверхности пластины в результате процесса фотолитографии.
IMG_40c8c26e-812f-4714-aa80-f4957cb283b0
где L - ширина линии в мкм. Для получения рисунка с элементами ИС размером ~5-7 мкм, примененный фоторезист должен иметь R ? 500 лин/мм. Разрешающая способность фоторезиста зависит от минимальной толщины пленки фоторезиста, способной выдержать воздействие агрессивной среды. Отношение толщины пленки 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. Ее обычно оценивают по величине клина, образующегося на краю пленки 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 пленке фоторезиста. Это явление возникает изза того, что отраженный поток интерферирует с проходящим светом, вызывая дополнительную засветку в местах, защищенных 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 пленочными, 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 дешевым способом является оптикомеханический. 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 трудоемкость и большую продолжительность процесса изготовления. Поэтому оптикомеханический способ применяют при изготовлении плат ГИС и ИМС малой или средней степени интеграции.
IMG_37d04b39-e093-467a-8496-f860c2c8dcb9
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 разверткой.
Микрофотонабор - это способ генерирования изображения, когда рисунок создают путем 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 разверткой 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.
Контактная фотолитография
Суть процесса фотолитографии заключается в создании на поверхности полупроводниковой (или изолирующей) пластины защитного рельефа требуемой конфигурации, включающего в себя большое число рисунков элементов ИС. Фотолитография - это комплекс технологических операций, допускающих использование групповых методов обработки и обеспечивающих тем самым высокую производительность процесса в целом.
Основными составляющими процесса фотолитографии, определяющими ее уровень, являются фоторезист, фотошаблон и конкретная схема реализации технологического процесса, связанная с техническими характеристиками используемого оборудования.
Дефекты при проведении процесса контактной фотолитографии
Практически разрешающая способность процесса контактной фотолитографии 1,5-2 мкм является предельно достижимой и хуже, чем дают теоретические оценки (на уровне 1 мкм). Это вызвано целым рядом явлений, сопровождающих литографический процесс и снижающих его разрешающую способность. Основными дефектами контактной фотолитографии, в частности, являются: наличие проколов в пленке фоторезиста, неоднородность толщины пленки фоторезиста, образование клина травления, неровность края проявленной пленки фоторезиста, изменение геометрических размеров и наличие "ореола" по краю изображения.
Появление проколов в пленке фоторезиста связано с некачественным или изношенным фотошаблоном, различного рода загрязнениями, плохой смачиваемостью поверхности пластины или перегревом пленки фоторезиста при экспонировании. Как правило, при травлении проколы переходят в окисный защитный слой и являются "паразитными" областями локальной диффузии примесей, что может привести к закорачиванию р-n переходов.
Неоднородность по толщине пленки фоторезиста приводит к несплошности контакта с фотошаблоном и трудности в подборе времени экспонирования.
Наиболее часто встречающийся дефект - образование клина травления. Клин травления возникает при вскрытии окон в защитном слое окисла и влияет на размер диффузионной области рис. 3.
IMG_ee25684e-3255-4d3a-95c7-6a893c16ff4a
Рис. 3. Схематическое изображение клина травления в защитном слое SIO2.
При наличии клина размеры диффузионной области дополнительно увеличиваются и могут быть определены из следующего выражения dдиффуз = dокна 2ЧHДИФФУЗЧ(1 k/10L), где hдиффуз - глубина диффузии. При толщине окисла 0,7-0,8 мкм; k = 1-2 мкм для негативных фоторезистов и 0,3-0,4 мкм для позитивных. Причины появления клина связаны с неправильно подобранной экспозицией, плохим контактом между пластиной и фотошаблоном, недостаточной оптической плотностью непрозрачных участков фотошаблона, неперпендикулярным падением света на фотошаблон, некачественным проявлением фоторезиста.
Дефекты, связанные с неровностью края пленки фоторезиста появляются при неправильных режимах проявления и экспозиции, при наличии в фоторезисте инородных частиц размером 0,3-0,5 мкм, при некачественных фотошаблонах.
Минимальный геометрический размер элемента зависит от длины волны излучения ?, расстояния между фотошаблоном и пластиной z и толщины фоторезиста h, которые связаны между собой соотношением bmin=3/2Ч[??(z h/2)]1/2.
Поэтому при плохом контакте пластины и фотошаблона, т.е. при зазоре, возникает дифракция, которая и искажает размеры экспонируемой области. К искажению геометрических размеров рисунка могут привести также неправильно подобранные режимы экспонирования и проявления.
Интерференция проходящего через слой фоторезиста светового потока и его отражения от границы с подложкой, а также рассеяние света, создают нерезкую зону по краю изображения, которая после проявления дает "ореол", что ухудшает контрастность и изменяет геометрические размеры рисунка. Для ослабления этого эффекта применяют антиотражающие покрытия, например, пленки окиси хрома, которые осаждают на поверхность пластины перед нанесением фоторезиста.
В итоге контактная фотолитография при решении задачи повышения разрешающей способности и достижения предельной точности сталкивается с существенными ограничениями: - неизбежность механических повреждений фотошаблона и подложки при контакте;
- вдавливание пылинок в фоторезист и прилипание его к шаблону при контакте;
- любые непрозрачные для УФ - излучения частицы между пластиной и фотошаблоном являются причинами появления дефектов;
- поскольку плотный контакт между пластиной и фотошаблоном невозможен, воздушные зазоры приводят к появлению дифракционных эффектов и увеличению размеров изображения;
- точность совмещения при контактной фотолитографии существенно снижается изза проблем фиксации перехода от положения "зазор" в положение "контакт".
Бесконтактная фотолитография
Бесконтактная фотолитография реализуется в двух способах: фотолитография на микрозазоре и проекционная фотолитография.
Фотолитография на микрозазоре (фотошаблон и пластина с нанесенным фоторезистом отстоят друг от друга на расстоянии 10-30 мкм) использует так называемый множественный источник излучения, когда УФ - лучи падают наклонно под одинаковыми углами к оптической оси системы экспонирования. Наклон лучей устраняет или сводит к минимуму дифракционные явления за прозрачными участками фотошаблона, улучшает равномерность облучения. В результате достигается высокая разрешающая способность, например, при толщине пленки фоторезиста 1,8 мкм можно получить линейный размер 2 мкм при зазоре 10 мкм и менее 3,5 мкм при зазоре 30 мкм. Бесконтактная система экспонирования позволяет снизить время экспонирования до 2-3 с, увеличить срок службы фотошаблонов.
Проекционная фотолитография позволяет проецировать изображение фотошаблона на подложку и осуществлять совмещение при наблюдении рисунка фотошаблона и пластины в одной плоскости. Это исключает проблему глубины резкости и точной установки зазора между пластиной и фотошаблоном. При проекционной фотолитографии уменьшается длительность процесса совмещения и увеличивается точность совмещения. Разрешающая способность проекционной фотолитографии выше, так как исключается дифракция излучения в зазоре. Метод хорошо поддается автоматизации.
Рентгеновская литография
Основу метода рентгеновской литографии составляет взаимодействие рентгеновского излучения с рентгенорезистами, приводящее к изменению их свойств в сторону уменьшения или увеличения стойкости к проявителям.
Рентгеновское излучение получают путем бомбардировки мишени потоком ускоренных электронов. Рентгеновское излучение бывает "белое", как результат взаимодействия потока электронов с электронами внешних оболочек атомов материала мишени, и "характеристическое" взаимодействие пучка электронов с внутренними оболочками атома и переход их на внешние или удаление из атома. Эти переходы сопровождаются рентгеновским излучением. Так как кинетическая энергия электронов внутренних оболочек атомов мишени существенно больше внешних, то длина волны характеристического излучения много меньше белого. Для рентгеновской литографии используют рентгеновское излучение с длиной волны 0,4-0,8 нм, например, PDLA(?=0,437 нм), MOLA(?=0,541 нм), ALKA(?=0,834 нм).
Рентгенорезисты, также как и Фоторезисты, делятся на позитивные и негативные. Под действием рентгеновского излучения первые разрушаются, а вторые сшивают свои молекулярные структуры. Рентгеновское излучение выбивает электроны с внутренних оболочек атомов рентгенорезиста, и освободившиеся электроны взаимодействуют с полимерной основой рентгенорезиста. Позитивные и негативные Рентгенорезисты имеют одинаковую разрешающую способность. Основные требования к рентгенорезистам - это чувствительность к излучению, контрастность, высокая разрешающая способность, устойчивость при травлении. Высокой стабильностью и стойкостью к воздействию кислот обладает позитивный рентгенорезист на основе полиметилметакрилата, который и получил наибольшее применение.
В качестве шаблонов в рентгеновской литографии используют тонкие кремниевые структуры, прозрачные для рентгеновского излучения, с рисунком покрытия из тяжелых металлов, например, золота, которое не пропускает рентгеновские лучи.
На рис. 4 представлена упрощенная схема установки рентгеновской литографии. Порядок технологических операций рентгеновской литографии тот же, что и в оптической литографии. Рентгенорезист также наносят методом центрифугирования, однако толщина его меньше, чем фоторезиста, и составляет 0,1-0,5 мкм. Проецируют изображение фотошаблона на пластину с зазором 3-10 мкм.
IMG_0503e2f7-3f01-4ead-b28a-70672378ada6
Рис. 4 Схема установки для рентгеновской литографии.
Проявляют рентгенорезист в смеси, содержащей 40% метизобутилового кетона и 60% изопропилового спирта.
Основным преимуществом рентгеновской литографии является высокая разрешающая способность. Дифракционные эффекты, препятствующие использованию видимого и даже коротковолнового УФ - света, не являются помехой для рентгеновских лучей, длина волны которых менее 1 нм. Системы рентгеновской литографии работают почти также, как и системы оптической литографии. Однако существенным недостатком являются их малая производительность, высокая стоимость и невысокая чувствительность рентгенорезиста. Для компенсации последнего необходимо получение рентгеновских лучей с высокой энергией. Проблемой является также большая(1000 об/мин) скорость вращения мишени - массивного металлического диска, на кромку которого нанесен материал мишени. Высокие скорости вращения диска необходимы для охлаждения материала мишени, однако изза возникающей вибрации в конструкции системы, снижается точность совмещения рисунка ИМС.
Электронно-лучевая литография
Электронно-лучевым методом можно легко получать линии шириной 0,25 мкм. Возможности электронно-лучевых систем очень высоки: точность совмещения 0,03 мкм, минимальный размер - 1 мкм. В отличие от других методов литографии электронно-лучевой метод не требует масок или шаблонов, позволяет быстро перестраивать производство без существенных капитальных затрат, так как не надо изготавливать фотошаблоны, а изменения в топологию ИМС можно вносить путем изменения программы управления от ЭВМ. Электронно-лучевой метод содержит меньшее число технологических операций, что снижает трудоемкость процесса в целом, однако, трудоемкость некоторых операций высока. На пример, время, затрачиваемое на экспонирование одной пластины 100 мм диаметром, составляет порядка10-15 мин.
Электронно-лучевое экспонирование выполняется в вакуумных установках и основано на нетермическом взаимодействии ускоренных электронов с электронорезистом. В качестве последнего применяют различные полимерные материалы, в том числе и Фоторезисты. Предпочтение отдается специальным электронорезистам, нечувствительным к видимому и УФ - излучениям. Электронорезист также должен иметь низкое давление собственных паров и не должен образовывать химических соединений, загрязняющих вакуумную камеру установки.
Электронорезисты подразделяют на позитивные и негативные в зависимости от того разрывает поток падающих электронов химические связи в их структуре или, наоборот, укрепляет (структурирует) молекулы электронорезиста. В каждом конкретном полимере преобладает тот или другой эффект. Степень структурирования и деструкции позитивных элетронорезистов прямо пропорциональна дозе облучения, т.е. величине заряда электронов на единицу площади. Структурные изменения в электронорезисте произойдут полностью, если длина свободного пробега электронов будет больше толщины слоя электронорезиста.
Установки электронно-лучевой литографии обеспечивают ускоряющее напряжение порядка 104В, что соответствует длине волны 50-100 нм. Чем больше ускоряющее напряжение, тем меньше длина волны и меньше минимальный размер элемента. Технически считается возможным получение потока электронов с длиной волны менее 0,1 нм, т.е. возможна разрешающая способность, близкая к 10-4 мкм.
Используют два метода электронно-лучевой литографии: сканирующую и проекционную литографию.
Сканирующая электронно-лучевая литография - это обработка сфокусированным единичным пучком поверхности пластины, покрытой электронорезистом. Для экспонирования в этом случае применяют растровые электронные микроскопы (РЭМ) или электронно-лучевые ускорители (ЭЛУ). РЭМ позволяет получать линии рисунка шириной 0,1 мкм. При управлении лучом от ЭВМ применяют векторное сканирование. В этом случае электронный луч сканирует только запрограммированный участок, выключаясь в местах перехода от одного элемента к другому. Для увеличения площади экспонирования наряду с перемещением луча осуществляют управляемое от ЭВМ перемещение столика, на котором расположена пластина с электронорезистом. Совмещение топологических слоев ИМС выполняется автоматически с помощью реперных меток, отражаясь от которых с отклонением, электронный луч дает сигнал ЭВМ о несовмещении, в результате ЭВМ изменяет положение пучка. Точность совмещения составляет ±0,5 мкм.
Проекционная электронно-лучевая литография - это электронная проекция всего изображения, в результате которой на электронорезист передается одновременно весь рисунок фотошаблона. В качестве последнего используют трехслойный катод, который выполняет роль шаблона и одновременно является источником электронов. Рисунок шаблона в масштабе М 1:1 выполняют на слое диоксида титана, который непрозрачен для УФ - излучения. Поверх рисунка наносят пленку палладия, обладающую высокими фотоэмиссионными свойствами. Фотокатод со стороны основы, выполненной из кварца, облучают УФ - излучением. Участки поверхности, покрытые пленкой палладия, под действием УФ - излучения эмитируют электроны, которые ускоряясь в электрическом поле с помощью фокусирующей системы, проецируют изображение без искажения. Отклоняющая система установки позволяет смещать изображение и, тем самым, проводить совмещение с точностью ±0,25 мкм.
Проекционный метод имеет хорошее разрешение, позволяющее получать линии шириной 1 мкм, большую до ±50 мкм глубину резкости. Производительность метода сравнима с фотолитографией.
К недостаткам метода можно отнести сложность изготовления фотокатодов и сложность подсоединения детекторов для совмещения.
Описание технологического процесса
IMG_88265074-c6cb-4a85-8c32-e375e1cb587a
IMG_369159db-bde0-4e90-a6d8-69e3cffb07a8
Процесс контактной фотолитографии состоит из ряда пунктов представленных на рисунке 5.
1. подготовка поверхности исходной подложки;
2. нанесение на подложку слоя фоторезиста;
3. первая сушка фоторезиста - пленкообразование;
4. совмещение рисунка фотошаблона с рисунком на исходной подложке (если процесс фотолитографии повторяется с изменением; фотошаблона);
10. снятие пленки фоторезиста с поверхности подложки;
11. контроль рельефа рисунка в подложке.
1. Начинаем процесс с очистки поверхности пластин от загрязнений способных влиять на структуру фоторезиста: молекулярные загрязнения - органические (масла, жиры, остатки фоторезиста, растворителей и др.), механические (пыль, абразивные частицы, ворсинки) и пленки химических соединений (окислы, сульфиды, нитриды и др.);
ионные загрязнения - соли, основания и кислоты из остатков травильных растворов, химически связанные с поверхностью пластины;
атомарные загрязнения - атомы тяжелых металлов, Ag, Cu, Fe, осевшие на поверхность пластины из химических реактивов в виде микрозародышей. Химическую очистку от загрязнений осуществляют путем обработки в органических растворителях, кислотах и деионизованной воде. Альтернативой органическим растворителям являются перекисно-аммиачные смеси, перекись водорода окисляет органические загрязнения и переводит их в растворимое состояние. Качество такой отмывки выше еще и потому, что водные растворы аммиака способны к комплексообразованию с ионами меди, серебра и др.
Процесс отмывки полупроводниковых пластин деионизованной водой ведем, в аппарате OSTEC ADT 976 постоянно измеряя электрическое сопротивление воды. По мере снижения концентрации примесей сопротивление воды постепенно повышается. При установлении постоянного сопротивления воды процесс отмывки считаем законченным.
1.1 Качество отмывки определяем в темном поле микроскопа Nikon Eclipse L200А при увеличении в 300х по числу светящихся точек.
2. Нанесение фоторезиста
Наибольшее распространение получило центрифугирование, позволяющее использовать несложные устройства с центрифугой. Толщина пленки фоторезиста зависит от вязкости, времени нанесения, скорости вращения центрифуги, температуры и влажности среды. Пленка фоторезиста должна быть равномерна (не хуже ±10%) по толщине и иметь хорошую адгезию к подложке. Последнего добиваются путем предварительного отжига пластин при различных температурах в зависимости от материала покрытия: SIO2 - 900-10000С в атмосфере кислорода, примесносиликатное стекло - 5000С в атмосфере кислорода, Al - отжиг в аргоне при 3000С.
Применение пульверизации для нанесения фоторезиста позволяет автоматизировать процесс, однако связано с большим расходом материала и более сложным контролем за толщиной покрытия. Метод окунания применяют редко, так как, несмотря на простоту и возможность ручного исполнения он не дает воспроизводимых результатов.
После очистки наносим на пластину слой позитивного фоторезиста фп - 383 толщиной 1.0 мкм. отфильтрованного и разбавленного до степени вязкости (6.0 CCM). Нанесение фоторезиста производим методом центрифугирования в аппарате OSTEC EVG®101, наносим 6-10 капель фоторезиста в центр пластины и распределяем по поверхности при скорости вращения центрифуги 3800 об./мин в течение 30 сек.
3. Первая сушка
Назначение первой сушки фоторезиста состоит в удалении растворителя, уплотнения и уменьшения внутренних напряжений в пленке, что улучшает адгезию фоторезиста к подложке. Используют три метода сушки: конвективная, ИК-сушка - нагрев от лампы или спирали, и СВЧ - сушка - нагрев за счет поглощения энергии СВЧ - поля. Последние два метода предпочтительны, так как осуществляют нагрев от подложки и, тем самым, обеспечивают полное удаление растворителя.
После обработки на центрифуге фоторезист сушим: в таре при температуре 20 ОС в течение 20 мин; в сушильном шкафу Sawatec HP 150 при температуре 97 ОС в течение 30 мин; в таре при температуре 20 ОС в течение 35 мин.
4. Совмещение пластины с фотошаблоном.
В процессе изготовления кристалла ИМС фотолитография повторяется многократно, и необходимо каждый раз осуществлять совмещение рисунков топологии кристалла ИМС. Для совмещения используют сложные оптикомеханические комплексы, позволяющие осуществлять совмещение визуально, вручную и автоматически. В первом случае сначала проводят совмещение строк и столбцов (так называемое грубо совмещение), а затем точное совмещение по реперным знакам с точностью в пределах 1 мкм. Автоматизированный способ совмещения обеспечивает точность совмещения до 0,1 мкм. Оптическая система обеспечивает обзор при увеличении 40-80х и точное совмещение при 100-400х
Топологию ранее проведенных процессов с фотомаской совмещаем через микроскоп в аппарате OSTEC EVG620
5. Экспонирование
В качестве источника излучения используют ртутные лампы характеризующиеся высокой интенсивностью излучения, параллельностью светового пучка и его равномерностью. Время экспонирования подбирают экспериментально и обычно в пределах 15-20 с.
Облучение фоторезиста светом с длинной волны 400 нм. производим в том же аппарате что и совмещение OSTEC EVG620
6. Проявление
Характер и условия проявления фоторезиста зависят от его вида и условий предварительной сушки и экспонирования. Проявление позитивных фоторезистов связано с удалением облученных участков при обработке в водных щелочных растворах 0,3-0,5% KOH или 1-2% растворе тринатрийфосфата. Проявление негативных фоторезистов - простое растворение необлученных участков в органических растворителях (толуол, диоксан и др.). Особенностью проявления позитивных фоторезистов по сравнению с негативными является отсутствие набухания необлученных участков. Поэтому они имеют большую разрешающую способность и меньшую зависимость ее от толщины пленки фоторезиста.
После экспонирования удаляем не облученные участки фоторезиста проявителем УПФ-1Б, производим удаление в том же аппарате что и нанесение OSTEC EVG®101, в течение 30 секунд при температуре 20 ОС и 1000 об./мин.
7. Полимеризация
Для придания устойчивости фоторезиста к последующему воздействию агрессивных сред проводят вторую сушку (так называемое термическое структурирование). При этом температуру увеличивают плавно с выдержкой через 10-20 мин.
Полимеризацию фоторезиста проводим в сушильном шкафу Sawatec HP 150 при температуре 130 ОС в течение 30мин.
8. После проявления и полимеризации фоторезиста проводим 100% контроль фотомаски по размерам элементов в 3-4-х точках при увеличении 400х. микроскопом Nikon Eclipse L200А.
9. Травление является завершающей стадией формирования рисунка элементов ИМС. При этом должно быть обеспечено минимальное искажение геометрических размеров, полное удаление материала на участках, не защищенных фоторезистом, высокая селективность воздействия травителя. Составы травителей на характерные слои структур ИМС: SIO2 и примесносиликатные стекла - HF:NH4F:H2O=1:3:7; Si3N4 - H3PO4 в смеси с P2O5; Al - H3PO4:HNO3:CH3COOH:H2O=15:7:3:1.
10. Снятие пленки фоторезиста
Заключительной операцией процесса фотолитографии является удаление фоторезиста, т.е. той фотомаски, которая выполнила свою задачу по формированию рисунка ИМС. Для этого возможно 3 способа: химическая деструкция - разрушение фоторезиста в серной кислоте или в смеси H2SOSUB>4:H2O2=3:1; удаление в органических растворителях - ацетон, диметилформамид и др.; плазмохимическая деструкция - обработка в низкотемпературной ВЧ кислородной плазме при давлении 102-103 Па. Плазмохимическое травление (ПХТ) обладает значительным преимуществом как процесс более производительный, более эффективный, дешевый и поддающийся автоматизации.
Для удаления старой фотомаски, из фоторезиста ФП-383, пользуемся аппарат OSTEC EVG®101, и смывателем СПР-01Ф, удаление производим в течение 3 минут и 1000 об./мин. после чего промываем дистиллированной водой и сушим в центрифуге аппарата.
11. после удаления фотомаски проводим контроль качества полученного рельефа рисунка в подложке микроскопом Nikon Eclipse L200А при увеличении 400х.
Выбор и описание технологического оборудования
Внешний вид установки отмывки и сушки OSTEC ADT 976 представлен на рис. 6 а, принципиальная схема рис. 6 б. Установка последовательно осуществляет струйную обработку пластин деионизованной водой и сушку горячим азотом при одновременном центрифугировании.
IMG_508e0a5e-25d8-4416-b25b-448a56d5e041
IMG_86cc01b3-ade4-48f5-9937-49874d8f0173
Рис. 6 Установка отмывки OSTEC ADT 976
Блок отмывки и сушки выполнен в виде цилиндрической камеры 11, через дно которой введен вал центрифуги 14. Привод вращения центрифуги 10 содержит электродвигатель постоянного тока с регулируемым числом оборотов. На валу центрифуги закреплены держатели для 8и пластин. Камера закрывается сверху крышкой 8, которая в рабочем состоянии прижимается к торцу камеры через прокладку 7 с помощью вакуумной рубашки 6. В центре установки закреплен патрубок 9 с форсунками, через которые подается вода для струйной обработки и азот для сушки. Подача воды и азот
Список литературы
1. А. И. Курносов, В. В. Юдин - Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем 1986 г.
2. Ю. В. Панфилов Оборудование производства интегральных микросхем и промышленные роботы.
3. ЗАО "Фраст-М" каталог фоторезистов.
4. ЗАО "Фраст-М" фоторезист позитивный ФП-383 ТУ 2378-005-29135749-2007 характеристики и применение.
5. Ostec micro каталог продукции - установки для литографических процессов.
6. Установка отмывки полупроводниковых пластин Ostec ADT 976 руководство по эксплуатации.
7. Установка нанесения, проявления и снятия фоторезиста Ostec EVG®101 руководство по эксплуатации.
8. Установка прецизионного двухстороннего совмещения и экспонирования Ostec EVG620 руководство по эксплуатации.
9. Nikon каталог продукции - Микроскопы для исследования полупроводниковых пластин.
10. Прямой моторизированный инспекционный микроскоп Nikon Eclipse L200А руководство по эксплуатации.
11. Sawatec каталог продукции - температурные установки.
Установка сушильная Sawatec HP 150 руководство по эксплуатации