Фотолитография. И. С. Батурин
 Скачать 2.13 Mb.
|
|
3.3 Методы очистки Методы очистки пластин должны обеспечивать удаление частиц, пле- нок и химических примесей с поверхности, но при этом не должны приво- дить к ее повреждению и существенному изменению свойств. Кроме того, применяемые методы очистки должны предотвращать появление новых за- грязнений в процессе очистки. Методы очистки можно разделить на жидкостные и газовые. По харак- теру взаимодействия методы делятся на химические и физические, а также комбинированные. 3.3.1 Жидкостные методы очистки Жидкостные методы очистки можно разделить на а) очистка в воде и водных растворах щелочей и кислот и б) очистка в органических растворите- лях. Очистка в воде и водных растворах щелочей и кислот имеют ряд пре- имуществ: сравнительно низкая стоимость реагентов; возможность сполас- кивания пластины сверхчистой деионизованной водой, которая сама по себе является хороших очистителем; отсутствие пожарной опасности; широкий выбор химических реагентов, позволяющий получить высокую селектив- ность; низкое давление паров; эффективное удаление как органических, так и неорганический веществ и соединений. В то же время у таких методов очистки есть и ряд недостатков: мед- ленное высыхание, которое может приводить к переосаждению растворен- ных загрязнений. Некоторые реактивы являются коррозионными и опасными веществами. Водные растворы плохо совмещаются с вакуумными системами. 27 Ни один из способов очистки не является универсальным, поэтому для очистки пластин в зависимости от загрязнений используется комбинация ме- тодов очистки. Рассмотрим основные методы очистки водными растворами. Очистка в деионизованной воде Деионизованная сверхчистая вода, очищенная от частиц, примесей и ионов металлов представляет собой достаточно агрессивную жидкость, кото- рая сама по себе может быть использована для очистки, особенно с примене- нием дополнительного механического воздействия (в ультразвуковой ванне или при распылении под высоким давлением). При этом измеряя удельное сопротивление воды можно оценивать степень удаление загрязнений, так как сверхчистая вода имеет предел сопротивления, которое составляет 18.2 МОм см (при 25 о С). Очистка в перекисно-аммиачном растворе Метод под названием RCA-1 (по названию компании, впервые его применившей в 1965-1970 гг.). Другое название в англоязычной литература SC-1 (стандартная очистка 1). Перекисно-аммиачный раствор NH 4 OH/H 2 O 2 /H 2 O (перекись водорода и водный аммиак берутся с концентра- цией 25 %) в соотношении примерно 1:1:5 и применяется при температуре до 70-80 °С эффективен для удаления легких органический соединений, частиц и металлов. Удаление частиц достигается за счет циклического окисления приповерхностного слоя кремния и удаления окисла. Очистка в смеси RCA-2 (SC-2) Состав RCA-2 HCl/H 2 O 2 /H 2 O (перекись водорода с концентрацией 25 %, соляная кислота концентрированная) также в соотношении 1:1:5 при нагреве до 70-80 °С особенно эффективен для удаления тяжелых и щелочных металлов, а также их гидроксидов. Как правило применяется в комплексе с очисткой RCA-1, смесью Каро и разбавленной плавиковой кислотой. 28 Очистка в смеси «Каро» Смесь Каро или «пиранья» представляет собой смесь H 2 SO 4 /H 2 O 2 (сер- ная кислота концентрированная, перекись водорода 25 %) в соотношении примерно 2:1. Применяется в разогретом или кипящем виде и служит для эффективного удаления органических соединений, в частности остатков ре- зиста. Реакция протекает очень интенсивно и является экзотермической, по- этому при работе со смесью Каро нельзя допускать ее контакта с большим количеством органических соединений. В частности, контакт с органически- ми растворителям может приводить к взрыву и пожару. Соответственно, ра- ботать с такой смесью можно только в стеклянной посуде. Очистка в разбавленной плавиковой кислоте Раствор HF/H 2 0 применяется для удаления слоя оксида кремния с по- верхности кремния. Для стабилизации реакционной способности также при- меняется буферизованная кислота HF/NH 4 F/H 2 O. В промежутке между операциями очистки водными растворами как правило производится полоскание в деионизованной воде, что позволяет удалить растворенные загрязнения и предотвратить смешивание реагентов. Очистка в органических растворителях Очистка в органических растворителях примеряется для удаления в ос- новном органических загрязнений и частиц. В отличие от очистки в водных растворах органические растворители практически не взаимодействуют с уже имеющийся структурой на поверхности, поэтому их можно применять, в частности, на промежуточных стадиях очистки между последовательными процессами литографии. Для очистки используются такие растворители, как ацетон, метанол, изопропанол, этанол, фреоны. В настоящее время такие ме- тоды очистки используются все реже из-за экологических проблем с токсич- ностью большинства растворителей, а также влияния на озоновый слой (из-за хлорсодержащих фреонов). Широкое применение метод имеет в исследовательской практике. В частности если пластина практически чистая, то перед нанесением резиста 29 применяется последовательная очистка в ацетоне и затем в изопропиловом спирте (пропанол-2). Ацетон эффективно растворяет большинство органиче- ских загрязнений, а изопропанол удаляет остатки растворенных веществ. В настоящее время изопропанол является одним из самых доступных и чистых растворителей. Его применяют вместо этанола, оборот которого ограничен законодательством и метанола, который является более токсичным. Важно отметить, что очистка в водных растворах и в растворителях также принципиально различаются по механизмам. Очистка в водных рас- творах, как правило, носит химический характер, то есть происходит разру- шение связей в молекулах с образованием новых связей. В то же время очистка в растворителях, в первую очередь, является физическим процессом нарушения связей между молекулами без изменения химического состава вещества (растворение). Важное значение имеет процесс сушки пластины после очистки в жид- кости. Свободное высыхание жидкости, оставшейся на поверхности и содер- жащей растворенные загрязнения или продукты реакции, приводит к перео- саждению загрязнений. Поэтому необходимо обеспечить правильную сушку пластин. Простейшим методом сушки является обдув пластины сухим азотом или очищенным сжатым воздухом сразу после вынимания ее из жидкости. Существуют также и более сложные способы, например, сушка в парах рас- творителей (изопропанола). 3.3.2 Оборудование для жидкостных методов очистки Простейшим методом жидкостной очистки является погружение в ем- кость с необходимыми реактивами. Для усиления эффекта очистки применя- ется ряд методов дополнительного механического воздействия. В ультразву- ковой ванне пьезоэлектрическим излучателем генерируются колебания жид- кости на частоте около 40 кГц, которые приводят к формированию в жидко- сти полостей, заполненных паром (пузырьков). Схлапывание полостей созда- ет ударные волны в жидкости, которые эффективно способствуют удалению загрязнений. Для пластины с уже созданной структурой или нанесенными 30 тонкими пленками такое воздействие может оказаться разрушительным. По- этому был предложен другой способ – создание акустических волн с часто- той около 1 МГц, при которой полостей не возникает, а воздействие оказыва- ется непосредственно акустическими колебаниями. При очистке в деионизованной воде находят применение так называе- мые каскадные ванны, в которых чистая деионизованная вода подается в первую ванну, затем переливается во вторую и далее в третью. Последова- тельная очистка пластины начиная с третьей ваны позволяет сократить коли- чество загрязнений, которые попадают во вторую и первую ванны. Промывка в первой ванне ведется в последнюю очередь и продолжается до тех пор, по- ка вода на выходе из ванны не достигнет определенного значения удельного сопротивления, по которому судят о чистоте воды. При применении отдель- ных емкостей воду приходилось бы регулярно менять. Таким образом, кас- кадные ванны позволяют минимизировать объем потребляемой воды даже при очистке большого количества пластин. Преимуществами метода жидкостной очистки погружением является универсальности и доступной – метод может легко быть реализован без обо- рудования (рис. 6, а). К недостаткам можно отнести большой расход реаген- тов, особенно при штучной очистке пластин, а также сложность автоматиза- ции процесса. (а) (б) Рисунок 6 Жидкостная очистка пластин. а) погружение; б) центрифугированием. 31 Другим методом, более приспособленным для автоматизации, является центрифугирование. Для этого пластины она закрепляется на вращающемся держателе, а сверху через трубочки, расположенные на роботизированной руке подаются реагенты (рис. 6, а). Кроме жидкостей на пластину может по- даваться также сухой азот для сушки. Центрифугирование позволяет посто- янно удалять продукты реакции, обеспечивая чистоту реагентов. Имеется возможность подогревать и смешивать реагенты непосредственно перед по- дачей на пластину. С применением дополнительного оборудования возможна реализация распыления жидкости под высоким давлением или дополнитель- ного локального воздействия ультразвуковыми или мегазвуковыми колеба- ниями. Расход реагентов в такой установке значительно меньше, чем при по- гружении. Установки центрифугирования как правило автоматизированы, что позволяет обрабатывать пластину в различных реагентах без участия опера- тора. Существуют установки, в которых данный метод очистки совмещен с модулями нанесения резиста и термообработки. Это позволяет автоматиче- ски выполнить весь процесс подготовки резистного слоя перед экспонирова- нием. 3.3.3 Методы очистки в газовой фазе Несмотря на универсальность жидкостных методов очистки, они обла- дают рядом недостатков – большой расход реагентов, экологические пробле- мы, необходимость утилизации чистящих веществ. Поэтому, в настоящее время активно развиваются методы очистки в газовой фазе и, в частности, плазменные методы очистки, которые мы и рассмотрим. Плазменные методы очистки основаны на возможности при понижен- ном давлении (низкий и средний вакуум) создать устойчивый тлеющий раз- ряд в газе с образованием облака частично ионизированного газа – плазмы. Электроны, двигаясь с большей скоростью, легко покидают облако плазмы, которое тем самым приобретает положительный потенциал относительно стенок вакуумной камеры. При этом между пластиной, размещенной на од- 32 ном из электродов и областью плазмы возникает разность потенциалов (авто- смещение), которое вытягивает положительные ионы газа из плазмы и уско- ряет их по направлению к пластине (подробнее вопрос будет рассмотрен в главе 10). При бомбардировке ионами газа происходит как физическое распыле- ние приповерхностного слоя (ионы инертного газа, обычно Ar), так и хими- ческие взаимодействия (ионы реактивных газов F 2 , O 2 и т.п.). Кроме того, бомбардировка ионами за счет привнесения дополнительной энергии может ускорять химические реакции, которые при нормальных условиях невозмож- ны, либо протекают с очень низкой скорость. Если в процессе химического взаимодействия образуются летучие соединения, то продукты реакции будут удаляться из вакуумной камеры вакуумным насосом. Варьируя состав газа можно управлять процессом очистки. Данный метод позволяет эффективно удалять различные загрязнения с поверхности, причем расход газов в массо- вом выражении намного меньше, чем при очистке жидкостными методами. Одним из наиболее распространенных методов является очистка в плазме кислорода (иногда с добавление аргона), эффективно удаляющая лю- бые органические загрязнения. Для такого типа очистки промышленностью выпускаются специальное оборудование, простое в эксплуатации и имеющее достаточно низкую стоимость. 3.4 Обработка поверхности промоутерами адгезии На поверхности некоторых материалов (например, SiO 2 и ряда метал- лов) из-за влаги, содержащейся в воздухе образуется полярные ОН- связи, которые делают поверхность гидрофильной. В то же время это значительно ухудшает адгезию неполярных соединений, образующих резист. Поэтому, в зависимости от используемых пластин и фоторезистов после очистки может потребоваться обработка поверхности промоутерами для обеспечения хоро- шей адгезии резиста. Промышленностью выпускается ряд веществ, которые могут служить данной цели. 33 Одной из возможностей является нанесение гексаметилдисилазана (HMDS) через газовую фазу. Для этого пластина помещается на нагретую поверхности и через отверстия в крышке на нее подаются пары HMDS. Нагрев поверхности обеспечивает удаление с поверхности пленки воды, а атомы кислорода на поверхности образуют связь с атомами кремния из HMDS с выделением аммиака, разрушая ОН-связи и делая поверхность гид- рофобной. Также существуют промоутеры адгезии, которые наносятся методом центрифугирования перед нанесением резиста (например, состав «TI Prime», Microchemicals, Германия). 34 4 ПРОЦЕССЫ НАНЕСЕНИЯ РЕЗИСТА 4.1 Требуемые характеристики пленок резиста Процесс нанесения резиста имеет целью создание пленки резиста на поверхности заданной толщины с высокой степенью ее однородности, мини- мизировав при этом количество дефектов. Соответственно, важнейшими па- раметрами пленки резиста являются толщина, неоднородность толщины, концентрация дефектов. Также важно обеспечить необходимую концентра- цию растворителя и воды (при необходимости), что достигается комбинаци- ей процесса нанесения и термической обработки (см. главу 5). Толщина резиста играет важную роль и влияет на результат процесса литографии. С увеличением толщины резиста увеличивается время сушки, экспозиции и проявки, доза экспонирования, стойкость к травлению или плазменной обработке, тормозная способность при ионной имплантации, наклон стенок резиста, уход размеров элементов при проявке и термической обработке. При этом чем больше толщина резиста, тем хуже его разрешаю- щая способность, точность совмещения и аспектное соотношение (отноше- ние высоты элементов к их ширине). Также увеличение толщины улучшает адгезию и покрытие рельефа поверхности (планаризация). Для применения в микро- и нанолитографии неоднородность толщины резиста должна быть ограничена величиной около ±1 %, что соответствует ± 10 нм при толщине в 1 мкм. 4.2 Методы нанесения резиста Разработан ряд способов нанесения резистов на поверхность пластины. Основным для применения в микроэлектронике является нанесение центри- фугированием. Существуют методы, основанные на распылении резиста, окунании и накатывании валиком, а также некоторые другие методы. Далее более подробно будут рассмотрены особенности метода центрифугирова- ния. 35 Рисунок 7. Нанесение резиста методом центрифугирования. В данном методе необходимый объем резиста наносится на неподвиж- ную или медленно вращающуюся пластину (при этом полностью пластину покрывать слоем резиста не обязательно), после чего производят резкое ускорение вращения пластины до номинальной скорости (от 1000 до 10000 об/мин). Как правило, ускорение должно быть не меньше, чем 1000 (об/мин)/с. В процессе ускорения резист покрывает всю пластину, формиру- ется однородная пленка, а излишек резиста удаляется центробежными сила- ми. Затем скорость вращения удерживают на постоянном уровне, при этом идет процесс испарения растворителя. Через определенный промежуток вре- мени вращение пластины останавливают. Для данного метода характерная высокая однородность толщины плен- ки. Этому сопутствует взаимодействие целого комплекса эффектов - центро- бежных сил, сил вязкого трения, сил поверхностного натяжения, кинетики диффузии растворителя и его испарения. Для каждого резиста есть рекомендованная скорость вращения и номи- нальная толщина, которая ей соответствует. Тем не менее, есть ряд общих закономерностей зависимости толщины слоя резиста от параметров нанесе- ния. Толщина резиста, в первую очередь, зависит от скорости вращения и вязкости резиста (рис. 8). Увеличение вязкости резиста и уменьшение скоро- сти вращения приводят в увеличению толщины (рис. 8, а). Для конкретного резиста его толщину можно менять в некоторых пределах (в 1,5–2 раза) ме- няя скорость вращения. Время вращения с постоянной скоростью не оказывает существенного влияния на толщину, при условии, что это время достаточно для испарения 36 определенного количества растворителя и формирования пленки (рис. 8, б). Необходимое время зависит от вязкости резиста и обычно составляет 30-60 с. Кроме того, после последующей термической обработки (сушки) толщина резиста уменьшается и зависимость от времени вращения становится еще менее заметной. Как правило, ускорение также не влияет на толщину пленки резиста. Кроме изменения скорости вращения толщина резистов может быть изменена как в сторону увеличения - применением многократного нанесения с промежуточной сушкой каждого слоя, так и в сторону уменьшения – раз- бавлением резиста подходящим растворителем для уменьшения вязкости. При этом для разбавления следует придерживаться рекомендаций произво- дителя резиста. Кроме того, разбавление может ухудшать свойства резиста из-за привносимых загрязнений или неправильного подбора растворителя. При нанесении методом центрифугирования может наблюдаться ряд дефектов пленки резиста. На краю пластины может образовываться краевой валик (edge bead) – локальное увеличение толщины, которое может быть до- вольно значительно и приводить к неконтролируемым зазорам между пла- стиной и фотошаблоном при экспонировании, а также прилипанию фото- шаблона. Для минимизации краевого валика можно использовать ряд мер: резкое увеличение скорости в конце процесса нанесения, выдерживание пау- зы между нанесением и сушкой, ручное удаление валика растворителем на медленно вращающейся пластине (500-1000 об/мин). (а) (б) Рисунок 8. Зависимость толщины резиста от параметров нанесения. (а) от скорости вра- щения для двух резистов с разной вязкостью; (б) от времени вращения до и после сушки. 37 Другими дефектами слоя резиста могут являться пузырьки воздуха, сквозные проколы из-за пузырьков или попавших частиц, а также «кометы» - непокрытые участки пластины. Кометы могут образовываться в результате плохой адгезии, недостаточного количества резиста или точечных загрязне- ний и пузырьков. Частично точечные дефекты слоя резиста, при невозмож- ности обеспечить должную очистку, могут быть компенсированы двухслой- ным нанесением резиста (при этом дефекты первого слоя будут перекрыты вторым слоем и наоборот). Метод центрифугирования является достаточно универсальным, он подходит для резистов толщиной от 10 нм до 10 мкм и более, особенно при многостадийном нанесении. Лучше всего нанесение происходит на круглые пластины (на углах прямоугольных пластин наблюдаются заметные неодно- родности толщины резиста). Следует отметить, что расход резиста составляет 1-10 мл на одну пла- стину. Большая часть резиста при этом удаляется с пластины, поэтому эф- фективность использования резиста, как правило, не превышает 1 %. |