1.5
Основные операции процесса фотолитографии
Процесс создания микроструктур с помощью фотолитографии состоит из последовательного выполнения ряда операций – формирования рисунка в слое резиста и последующего его переноса на исходную пластину. В общем случае эти операции следующие:
1) очистка поверхности пластины;
2) нанесение праймера для улучшения адгезии резиста;
3) нанесение резиста;
4) сушка резиста для удаления избыточного количества растворителя и образования плотной пленки резиста;
5) совмещение фотошаблона с пластиной;
6) экспонирование резиста фотоактивным светом через окна в фото- шаблоне;
7) пост-экспозиционная термическая обработка (применяется для ряда резистов);
8) проявление резиста (формирование рельефа);
9) температурная обработка (задубливание) для улучшения стойкости резиста (применяется не всегда);
10) перенос рисунка с резиста на пластину (например, травление через маску из фоторезиста);
11) снятие резиста.
После снятия резиста пластина готова для изготовления следующего слоя (весь цикл повторяется). Количество слоев может достигать нескольких десятков. В зависимости от специфики конкретного процесса ряд операций может отсутствовать, а также могут добавляться дополнительные. Схемати- ческое изображение последовательности основных операций классической контактной литографии представлено на рис. 4.
14
Рисунок 4. Схема выполнения основных процессов контактной фотолитографии.
15
2 РЕЗИСТЫ 2.1 Назначение и параметры резистов Фоторезистом называется полимерный светочувствительный матери- ал, который наносится на обрабатываемую пластину в процессе фотолито- графии с целью получения соответствующего фотошаблону расположения окон для доступа травящих или иных веществ к поверхности обрабатываемо- го материала. При этом свойства фоторезиста меняются путем экспонирова- ния фотоактивным светом. Более общий термин -
резист включает в себя ма- териалы, чувствительные к другим типа излучения, таким как потоку элек- тронов, рентгеновскому излучению и т.п. Соответственно, процесс литогра- фии в этом случае будет называться не фотолитография, а, например, элек- тронно-лучевая литография. Более подробно эти вопросы будут рассмотрены в конце данной главы и в главе 11.
Основа формирования изображения в пленке резиста при воздействии излучения – фотохимические превращения фотоактивных добавок или поли- меров, такие как переходы «неполярный -> полярный», «полярный -> непо- лярный» или «полимер <-> мономер». Более подробно фотохимические про- цессы будут рассмотрены далее для конкретных групп резистов.
Основными компонентами резиста являются: полимерная основа
(например, новолачная фенолформальдегидная смола), фотоактивный ком- понент (чувствительный к актиничному излучению) и растворитель для обеспечения необходимой вязкости резиста.
Резист должен обеспечивать прецизионное формирование рисунка и достаточные защитные
свойства для обеспечения переноса изображения, сформированного в пленке резиста на пластину.
Рассмотрим основные свойства резиста:
Толщина является одним из основных свойств резиста. Каждая марка резиста предназначена для нанесения пленки с определенной номинальной толщиной. Подбор параметров нанесения позволяет менять толщину в опре-
16 деленном диапазоне (см. главу 4). Меньшая толщина обычно способствует улучшению разрешающей способности и увеличению чувствительности, но уменьшает стойкость к дальнейшей обработке и усиливает влияние дефектов пленки и пластины. Диапазон номинальных толщин резистов весьма широк
(от десятков нм до сотен микрон).
Разрешающая способность показывает минимальный размер элемен- та, который может быть получен с использованием данного резиста в опти- мальных условиях экспонирования.
Чувствительность определяет поверхностную плотность энергии излу- чения (дозу), необходимую для полного экспонирования резиста. Чем хуже чувствительность, тем большее время экспонирования и/или интенсивность источника потребуется.
Спектральный диапазон определяет тип излучения и диапазон волн
(энергии частиц), воздействие которого приводит к модификации свойств ре- зиста. Такое излучение также называется актиничным. Более подробно этот вопрос рассмотрен далее.
Оптические свойства: спектральные зависимости коэффициентов пре- ломления и поглощения пленки резиста влияют на поглощение и дифракцию актиничного света в пленке резиста и, таким образом, влияют на параметры экспонирования и на разрешающую способность.
Стойкость к термической, химической и плазменной обработке
определяет границы применения внешних воздействий, используемых при переносе изображения из слоя резиста на пластину.
Безопасность (класс опасности, пожароопасность, ПДК). Большинство резистов являются жидкими полимерными материалами и содержат боль- шую долю органических растворителей. В связи с этим актуальным является вопрос их токсичности, экологической и пожарной опасности. В последнее время наблюдается тенденция к использованию малотоксичных биоразлага- емых растворителей, например PGMEA (1-метокси-2-пропил-ацетат), обла- дающих высокой температурой кипения,
17
Адгезия к поверхности пластины важна для обеспечения защитных свойств маски резиста, уменьшения количества дефектов и для упрощения методов подготовки поверхности и нанесения резиста.
Тональность резиста (раздел 2.3).
Кроме того, различные типы резиста предъявляют различные требова- ния к параметрам процессов нанесения,
термической обработки, проявки и т.п.
Набор требований к свойствам резистов является достаточно противо- речивым, поэтому универсального типа резиста не существует. В каждом конкретном случае резист подбирают под данный технологический процесс исходя из применяемых материалов, имеющегося оборудования, требуемого разрешения и других факторов. Свойства фоторезиста и требуемые парамет- ры процессов обычно указываются в документации производителя.
2.2 Спектральный диапазон резистов По спектральному диапазону актиничного излучения резисты можно разделить на несколько больших групп:
1) фоторезисты для УФ излучения: а) для ближнего УФ диапазона; б) для дальнего УФ диапазона;
2) фоторезисты для экстремального УФ диапазона;
3) электронорезисты;
4) рентгенорезисты.
Исторически первыми появились фоторезисты для УФ излучения. Не в последнюю очередь это было связано с существовавшими источниками – ртутными лампами.
Ртутная газоразрядная лампа высокого давления имеет достаточно интенсивные линии излучения в УФ области (табл. 1). Линии G,
H и I ртутной лампы, относящиеся к диапазону ближнего УФ, достаточно широко применяются за счет доступности и относительно большой интен- сивности. Фоторезисты для ближнего УФ могут быть чувствительны ко всем
18 трем линиям (широкополосное излучение), либо к каким-либо двум или даже одной линии. Применение резистов, чувствительных только к I лини (напри- мер AZ nLof 2070, Microchemicals, Германия) позволяет получить более вы- сокое разрешение за счет меньшей длины волны без использования свето- фильтров.
Кроме G, H и I линий, излучение ртутной и ртутно-ксеноновой лампы имеет линию с длиной волны около 250 нм, относящуюся к области дальнего
УФ. Также излучение в области дальнего ультрафиолета для применения в фотолитографии получают с использование эксимерных газовых лазеров, работа которых основана на образовании и распаде молекул, образующихся в смеси благородных газов с галогенами. Длины волн таких лазеров приведены в табл. 2. В настоящее время для промышленной фотолитографии чаще всего используется лазер на ArF с длиной волны 193 нм. Он имеет меньшую длину волны, чем у KrF. Кроме того, такое излучение еще не поглощается в воздухе
(в отличие от 157 нм для F
2
) и для этой длины волны имеются доступные ма- териалы для создания высококачественных линз.
Таблица 1. Линии спектра ртутной газоразрядной лампы в УФ области.
Длина волны, нм
Название
Диапазон
253
Дальний УФ
365
Линия «I»
Ближний УФ
404
Линия «H»
Ближний
УФ/видимый
435
Линия «G»
Ближний
УФ/видимый
Таблица 2. Длина волны излучения эксимерных УФ лазеров (жирным выде- лены лазеры, применяемые для фотолитографии).
Длина волны, нм
Состав газа
157
F
2
193
ArF
248
KrF
282
XeBr
308
XeCl
251
XeF
19
Как правило, в области дальнего УФ чувствительность обычных рези- стов для G, H и I линий заметно ниже, поэтому требуется разработка специ- альных резистов. В частности, в 80-х годах XX века компанией IBM были предложены химически усиленные резисты, в которых одно фотохимическое взаимодействие приводит к цепной реакции и квантовый выход становится намного больше единицы. Это позволило успешно создать резисты для рабо- ты в области дальнего УФ.
Отдельно стоит проблема разработки фоторезистов для экстремального
УФ диапазона с длиной волны излучения от 10 до 100 нм, который непосред- ственно граничит с мягким рентгеновским излучением. По данным на 2012 г установки для экспонирования с длиной волны излучения равной 13,5 нм уже начинают применяться в пилотном производстве ведущих мировых про- изводителей микроэлектронных устройств. Такая длина волны позволит су- щественно повысить пространственное разрешение (см. главу 11). В настоя- щее время окончательного решения проблемы с созданием резистов для этой области нет, но достигнуты существенные успехи в применении химически усиленных резистов.
Электроно- и рентгенорезисты должны быть чувствительны к потоку электронов и рентгеновскому излучению, соответственно. Литография с ис- пользованием рентгеновского излучения в настоящее время практически не развивается, в то время как электронно-лучевая литография активно исполь- зуется в науке, для прототипирования и для изготовления фотошаблонов.
Кроме того, постоянно предпринимаются попытки использования многопуч- ковых технологий для достижения требуемой производительности и замены фотолитографии электронно-лучевой. Поэтому, вопрос создания электроно- резистов проработан достаточно хорошо. Первым резистом для электронно- лучевого экспонирования был полиметилметакрилат ПММА. Резисты на его основе до сих пор производятся и активно используются.
20
2.3 Тональность резистов При экспонировании происходит модификация свойств в засвеченной области. Тональность резиста определяется тем, какая часть резиста удаляет- ся в процессе проявки. В позитивных резистах удаляется экспонированная часть (то есть прозрачным частям фотошаблона соответствуют окна в фото- резисте), в негативных – наоборот, удаляются незасвеченные участки.
2.3.1 Позитивные резисты Позитивные резисты применяются в фотолитографии чаще, чем нега- тивные. С 1940 г, когда в компании Estman Kodak были изобретен первый позитивный фоторезист, разработано множество позитивных резистов с ши- роким диапазоном свойств.
Одним из основных типов позитивных фоторезистов являются ДХН резисты. Сокращение ДХН введено из-за состава данных материалов – они состоят из Новолачной формальдегидной смолы с добавкой ДиазоХиноново- го эфира в качестве фотоактивного компонента. Производителями предлага- ется широкий набор резистов на ДХН основе.
Длина полимерной цепи новолачной смолы,
являющейся основой ДХН резистов, обычно составляет от 8 до 20 молекул. Увеличение длины цепи приводит к большей стойкости резиста и уменьшению темновой эрозии но также к ухудшению разрешения и адгезии.
Добавление диазохинонового эфира приводит к уменьшению скорости растворения смолы в щелочном проявителе (рис. 5). С другой стороны, экс- понирование при наличии молекул воды приводит к преобразованию эфира в инденовую кислоту с выделением азота. Инденовая кислота делает поверх- ность резиста гидрофильной и обеспечивает относительно высокую скорость растворения пленки. Таким образом, экспонирование существенно меняет растворимость резиста, что и позволяет создавать рисунок в пленке резиста за счет освещения через шаблон. Соотношение скоростей проявки может до- стигать величин порядка 100, что обеспечивает высокий контраст и высокое разрешение.
21
Для ДХН резистов характерна чувствительность только в области ближнего УФ спектра. Кроме того, новолачная смола сильно поглощает дальнее УФ излучение. Поэтому, в чистом виде такие резисты не подходят для использования в современной промышленности, где применяется даль- ний УФ спектр излучения. Однако, для лабораторных применений данный тип резиста применяется повсеместно. Примерами позитивных ДХН рези- стов являются, например, фоторезисты серий AZ15xx, AZ66xx, AZ92xx, раз- работанные компанией AZ Electronic Materials.
В качестве проявителя для таких резистов используется слабый водный раствор щелочи (несколько процентов) KOH, NaOH или тетраметилгидрок- сид аммония (TMAH). Характерная доза экспонирования составляет порядка
70 мДж/см
2
(для резиста толщиной 2 мкм).
Другим широко применяемым позитивным резистом является полиме- тилметакрилат (ПММА), который чувствителен к облучению потоком элек- тронов, к рентгеновскому излучению и дальнему УФ. ПММА сыграл важную роль в развитии методов микро- и нанолитографии – он является первым рентгенорезистом и первым электронорезистом. В отличие от ДХН резистов, механизм экспонирования состоит в фотодеградации – разрушении полимер- ных цепей резиста, что приводит к их растворимости. При этом соотношение скоростей проявления экспонированных и неэкспонированных участков ре- зиста составляет около 10.
Рисунок 5 Влияние диазохинонового эфира на скорость проявления новолачной смолы.
22
2.3.2 Негативные резисты Исторически негативные резист использовались достаточно интенсив- но до 70-х годов. В настоящее время такие резисты активно используются для производства печатных план, где требования к разрешающей способно- сти значительно ниже.
Основной фотохимический эффект классических негативных резистов состоит в фотополимеризации полимерных цепей и уменьшении скорости их растворения. Для проявки используются токсичные органические раствори- тели, поэтому такие резисты с экологической точки зрения менее привлека- тельны.
Одним из примеров негативных резистов являются фоторезисты на ос- нове полиизопрена с добавлением бисазида в качестве фотоактивного ком- понента, который при освещении превращается в нитрен, способствующий поперечной сшивке полимерных цепей. Возможны два варианта сшивки – неупорядоченная, когда сшивка происходит в
месте взаимодействия с фото- ном и упорядоченная, когда одно взаимодействие фотона с фотоактивным компонентом ведет к цепной реакции сшивки.
Одной из особенностей негативных резистов, основанных на процессе фотополимеризации является низкая разрешающая способность. Как правило минимальный размер элемента в несколько раз превышает толщину резиста.
В последнее время были разработаны негативные резисты, в которых в процессе постэкспозиционной сушки происходят фотохимические процессы, делающие пленку резиста гидрофобной и устойчивой к воздействию щелоч- ного травителя. В то же время неэкспонированный резист является гидро- фильным и легко травится. Отказ от процесса фотополимеризации дает воз- можность не использовать токсичные растворители и унифицирует составы проявителей для позитивных и негативных резистов. В частности, к таким резистам относится AZ nlof 2070 комании AZ Electronic Materials.
23
2.4
Хранение резистов
Свойства резистов меняются при хранении, поэтому они имеют отно- сительно небольшой срок годности (от нескольких месяцев до года), после которого их свойства постепенно ухудшаются. При хранении в резистах за счет осаждения фотоактивного компонента образуются агрегаты, что приво- дит к ухудшению чувствительности и повышению дефектности пленок.
Так как большинство фоторезистов чувствительны к излучению в сине- зеленом диапазоне видимого спектра, при их использовании необходимо применение желтых или красных светофильтров на окнах помещений и све- тильниках (по аналогии с фотографией).
Резисты должны храниться в темной посуде, без доступа прямого сол- нечного света. Кроме того, посуда должна быть химически инертна по отно- шению к компонентам резиста (как правило используется стекло, полиэтилен высокой плотности или фторопласты).
Оптимальной температурой, при которой скорость старения резистов минимальна составляет 5-10 о
С. Кроме того, важно не допускать резких пе- репадов температуры и влажности, так как влага негативно сказывается на свойствах резиста и ускоряет его старение (например, не стоит открывать ем- кость с охлажденным фоторезистом до прогрева до температуры помеще- ния).
24
3 ПОДГОТОВКА ПОВЕРХНОСТИ 3.1 Необходимость подготовки поверхности Перед нанесением резиста поверхность пластины должны быть подго- товлена, чтобы обеспечить хорошую адгезию пленки резиста и минимизиро- вать вероятность образования дефектов. Для этого поверхность пластины очищают и в ряде случаев наносят слой праймера для улучшения адгезии ре- зиста.
С
учетом небольших размеров элементов, изготавливаемых при лито- графии очистка поверхности является критической операцией. Дефекты, ко- торые имеют размеры от половины размера элемента, уже могут приводить к неработоспособности всей интегральной схемы. Уменьшение минимальных размеров элементов приводит к постоянному усилению требований к чистоте поверхности. Даже для элементов в единицы микрон критические загрязне- ния уже не видны невооруженным глазом.
С точки зрения технологии оптимальным является предотвращение за- грязнений. Кроме того, необходимо иметь возможность контроля и, в конеч- ном счете, очистки поверхности.
Сначала рассмотрим типы загрязнений и способы борьбы с ними.
3.2 Типы загрязнения поверхности и их источники По форме загрязнения можно разделить следующим образом:
пленки на поверхности;
макро, микро и наночастицы;
микрокапли;
пары и газы.
Наиболее важными для фотолитографии являются две первые формы загрязнений.
Загрязнения также можно классифицировать по типу:
1) Молекулярные загрязнения:
25 а) органические пленки и частицы; б) оксиды, гидриды металлов;
2) ионные загрязнения: а) физически или химические абсорбированные на поверхности неорганические катионы и анионы;
3) атомарные загрязнения: а) металлические пленки и частицы; б) частицы кремния;
4) газообразные загрязнения (как правило не являются значимыми): а) адсорбированные газы и пары.
Молекулярные загрязнения препятствуют проведению различных про- цессов, приводят к ухудшению адгезии резиста и тонких пленок, могут иметь
«вредные» продукты распада. Такие загрязнения являются частой причиной дефектов в пленках.
Ионные загрязнения могут диффундировать вдоль поверхности и в объем, приводить к изменению электрических свойств (например, легирова- нию полупроводника). Они создают дефекты кристалла и способствуют преждевременному выходу устройства из строя.
Атомарные загрязнения также могут диффундировать и изменять по- верхностную проводимость или приводить к закорачиванию проводящих ли- ний.
Источники загрязнений очень разнообразны. Сюда входит оборудова- ние, применяемое в различных операциях,
инструмент и емкости, всевоз- можные материалы (газы, жидкости), воздушная среда помещения и, конеч- но, персонал. Способы уменьшения влияния персонала и среды помещения будут рассмотрены в главе 12.
Для контроля загрязнений применяются микроскопические (оптиче- ская или растровая электронная микроскопия) и аналитические методы. Так- же для определения частиц можно использовать рассеяние света от поверх- ности.
26
Наличие тонких, в том числе моноатомных пленок на поверхности определяется методами масс-спектроскопии вторичных ионов (SIMS) и рент- геновской флуоресцентной спектроскопии полного отражения.
Скачать 2.13 Mb.