Фотолитография. И. С. Батурин
 Скачать 2.13 Mb.
|
|
5 ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА РЕЗИСТА Термическая обработка является неотъемлемой часть процесса микро- и нанолитографии. Рассмотрим более подробно различные типы термической обработки резиста. 5.1 Типы термической обработки 5.1.1 Сушка резиста после нанесения Сушка резиста после нанесения (softbake) позволяет удалить избыток растворителя из пленки и сделать ее достаточно устойчивой для дальнейшей обработки (экспонирования и проявки). Правильно проведенная сушка предотвращает загрязнение и прилипание фотошаблона, улучшает адгезию резиста, предотвращает вздутие резиста за счет выделения азота в процессе экспонирования Сушка минимизирует скорость растворения участков резиста, которые не должны удаляться проявителем (темновая эрозия). Недостаточная сушка значительно увеличивает скорость темновой эрозии (на порядок и более). Кроме того, сушка позволяет наносить несколько слоев резиста и предот- вращает образование пузырьков при последующих процессах, включающих нагрев (нанесение следующего слоя, сухое травление и т.п.). Повышение температуры сушки приводит к более эффективному уда- лению растворителя, но также увеличивает скорость разложения фотоактив- ного компонента и вероятность растрескивания пленки. Поэтому для каждого применения должны быть подобраны температура и время сушки. Для пози- тивных ДХН резистов отправной точкой является длительность сушки 1 ми- нута на каждый микрон толщины резиста при 100 °C. Для электронорезистов на основе ПММА типичное значение температуры сушки 160 °С. В процессе сушки одновременно происходят два процесса – диффузия растворителя к поверхности и его испарение. Оба этих процесса являются термоактивационными, то есть ускоряются при нагреве. Скорость испарения зависит только от концентрации растворителя вблизи поверхности. В то же 39 время, с уменьшением концентрации скорость диффузии из объема к по- верхности падает. Поэтому через достаточно непродолжительное время (не- сколько минут) изменение концентрации растворителя в пленке замедляется и, особенно в толстых резистах, в пленке образуется значительный градиент концентрации растворителя, что может приводить к ослаблению адгезии и растрескиванию слоя резиста. Помимо концентрации растворителя для позитивных ДХН резистов важным параметром является содержание воды, так как она участвует в фо- тохимических реакциях при экспонировании. При недостатке воды падает разрешающая способность и контраст. Поэтому после сушки необходимо оставить время на регидрацию перед экспонированием. При влажности воз- духа 40-50 % регидрация для резиста с толщиной 1-2 мкм и менее занимает не более 10 с. Однако, для толстых резистов (десятки микрон) процесс ре- гидрации протекает медленно и может занимать 10 минут и более. Важно отметить, что низкая относительная влажность воздуха (менее 30 %) будет существенно удлинять время регидрации, а большая влажность воздуха (бо- лее 50 %) негативно сказывается на адгезии. Оптимальной величиной отно- сительной влажности воздуха в помещениях для фотолитографии является 40-50 %. 5.1.2 Задубливание резиста после проявки Термическая обработка после проявления резиста (часто называемая задубливание или hardbake) применяется для повышения термической, меха- нической и химической стойкости резиста, восстановления адгезии и устра- нения некоторых дефектов. Физико-химические процессы при задубливании различны для разных типов резиста и включают в себя сшивание полимерных цепей, окисление, удаление остаточного растворителя, деструкцию фотоактивного компонента, расплывание и оплавление. Температура задубливания ограничена температурой оплавления рези- ста (типичное значение 110-130 °С). Более высокая температура может ис- 40 пользоваться намеренно для оплавления краев резиста и «залечивания» де- фектов. На краях состав слоя отличен от объема за счет продуктов реакции, поэтому температура плавления приповерхностного слоя ниже на 10-15 °С. Также оплавление краев используется при необходимости создания 3D объ- ектов, например, микролинз с использование реактивно-ионного травления. Пологая форма стенки резиста приводит к получению размытой границы вы- травленной области. Таким образом, параметры задубливания выбираются исходя из компромиса между оплавлением резиста и стабилизацией его свойств. Если резист планируется использовать в качестве маски для жидкост- ного травления, то могут использоваться достаточно мягкие режимы задуб- ливания. Более жесткие режимы требуются если резист предполагается ис- пользовать для сухого (плазменного травления). 5.1.3 Постэкспозиционная термическая обработка Кроме сушки резиста после нанесения и задубливания в ряде случаев применяется термическая обработка после экспонирования резиста. Как пра- вило, она необходима для модификации свойств резиста. Для позитивных ДХН резистов постэкспозиционная термическая обра- ботка в основном применяется при необходимости выравнивания резких не- однородностей свойств пленки, возникших в результате фотохимических процессов за счет диффузии. Такая обработка позволяет частично бороться с шероховатостью стенок, вызванной возникновением стоячих волн в пленке резиста. Одновременно это приводит к некоторому ухудшению простран- ственного разрешения. Другим случаем применения постэкспозиционной термообработки яв- ляется необходимость активации химических реакций после взаимодействия света с фотоактивным компонентом. Так, в негативном резисте AZ nLOF 2070 такая обработка позволяет придать экспонированным областям резиста устойчивость к воздействию проявителя. 41 Рисунок 9. Использование резиста с обращением изображения. Также постэкспозиционная сушка актуальна для резистов с обращени- ем изображения. Как показано на рис. 9 изначально такой резист имеет пози- тивную тональность – экспонированная область растворима. После термиче- ской обработки экспонированная область сшивается и становится нераство- римой в проявителе. Это позволяет затем провести экспонирование всей пла- стины и в результате проявления получить профиль резиста с отрицательны- ми стенками. Причем формой стенок можно управлять в широких пределах подбирая дозу экспонирования, параметры термической обработки и время проявления. Профиль резиста с отрицательным углом наклона стенок актуа- лен для «взрывной» литографии (см. главу 10). Пример такого резиста – TI 35E, Microchemicals, Германия. Как негативный резист AZ nLOF 2070, так и резист с обращением изображения чувствительны к изменению параметров постэкспозиционной термической обработки. При повышении температуры начинается разложе- ние фотоактивного компонента и резист перестает функционировать долж- ным образом. 5.2 Оборудование для термической обработки резиста Для термической обработки может, вообще говоря, использоваться любой способ, позволяющий нагреть пластину с пленкой резиста до контро- лируемой температуры. Применительно к производству микроэлектроники 42 разработан ряд специализированного оборудования. Может использоваться контактный метод сушки на нагретой поверхности, сушка в конвекционной печи, а также микроволновый и инфракрасный разогрев. Конвекционные пе- чи имеют ряд недостатков – медленный нагрев пластины и достаточно боль- шая неоднородность температуры по объему камеры. Кроме того, при кон- векционной сушке поверхность резиста быстро высыхает и скорость доступа растворителя к поверхности ухудшается. Наибольшее распространение получил метод контактный термической обработки на нагретой поверхности (hotplate). Данный метод позволяет про- водить быструю сушку, дает равномерное распределение температуры по пластине и способствует более полной сушке за счет прогрева пластины сни- зу. В ЦКП «Современные нанотехнологии» ИЕН УрФУ для нанесения ре- зиста и термической обработки используется установка контактной сушки HP250 HDMS, позволяющая осуществлять контролируемый нагрев до 350 °С (рис. 10). Рисунок 10. Комбинированная установка для нанесения и термической обработки резиста Sawatec SM180-HP250HDMS, Лихтенштейн. 43 6 СОВМЕЩЕНИЕ И ЭКСПОНИРОВАНИЕ Операция экспонирования являются ключевой в технологии микро- и нанолитографии. Экспонирование – это освещение фотоактивным светом (или другим актиничным излучением) слоя фоторезиста на поверхности пла- стины для формирования в нем рисунка, соответствующего рисунку шабло- на. В процессе экспонирования рисунок в слое резиста создается путем изме- нения каких-либо свойств резиста, что в процессе последующей операции проявления приводит к формированию рельефа, соответствующего рисунку фотошаблона. Именно операция экспонирование определяет предельное простран- ственное разрешение всего процесса. Кроме того, при многослойной лито- графии необходимо обеспечить прецизионное совмещение наносимого ри- сунка с уже имеющейся структурой. Для этого служит операция совмещения. Обе операции будут рассмотрены вместе, так как они выполняются вместе на одном и том же оборудовании. Таким образом, целью операций совмещения и экспонирования является воспроизведение и прецизионное совмещение ри- сунка с заданной точность. Для экспонирования применяется свет, попадающий в область спек- тральной чувствительности резиста (см. раздел 2.2). В данной главе будет рассмотрено в основном фотолитография, то есть методики, использующая для экспонирования УФ излучение. Другие методики экспонирования (например, электронным пучком) будут рассмотрены в главе 11. Кроме того, в данной главе не будут рассмотрены безшаблонные методы экспонирования, например, лазерные литографы. 6.1 Типы фотолитографии Все методики экспонирования (и в целом типы фотолитографии) мож- но разделить на два основных класса (рис. 11). К теневой литографии, часто также называемой контактной, относятся методы, в которых фотошаблон располагается близко к поверхности и формирует в слое резиста конфигура- 44 цию засвеченных и незасвеченных областей в прямом соответствии рисунку за счет затенения излучения непрозрачными участками фотошаблона. В про- екционной фотолитографии изображение в слое резиста формируется за счет проецирования рисунка на фотошаблоне с помощью оптической систе- мы. Шаблон при это располагается на удалении от пластины. Два этих мето- да принципиально различны по способу формирования изображения и имеют различные возможности. 6.1.1 Контактная фотолитография Контактная или теневая фотолитография является более простым ме- тодом, чем проекционная и чаще используется в лабораторных условиях, чем в промышленных. В данном методе фотошаблон помещается либо в плотный контакт (собственно контактная литография), либо с небольшим равномер- ным зазором (литография с зазором) (рис. 11). Типичное значение толщины зазора 10-100 мкм. Говоря оптическими терминами, можно сказать, что в данном типе фотолитографии формирование области засветки происходит в ближнем поле и описывается дифракцией Френеля. При этом увеличение за- зора с очевидностью приводит к размытию рисунка и ухудшению разреше- ния. Типичная схема установки контактной фотолитографии показана на рис. 12, а. Рисунок 11. Типы фотолитографии 45 (а) (б) Рисунок 12. (а) схема установки контактной литографии SUSS MJB4; б) схема механизма совмещения. Источником излучения обычно является ртутная лампа высокого дав- ления с мощность 250-1000 Вт, дающая в плоскости фотошаблона плотность УФ излучения порядка 5-80 мВт/см 2 . Излучение лампы собирается эллипти- ческим зеркалом и пропускается через оптическую систему для выделения нужного спектрального диапазона и формирования однородной засветки по всей площади фотошаблона, жестко закрепленного в установке хромовым покрытием вниз. Установка может быть сконфигурирована под УФ излуче- ние в широком спектральном диапазоне (G, H, I линии ртутной лампы) или под более узкий диапазон (например, отдельную линию излучения). При вы- делении более узкого диапазона улучшается разрешение системы, но падает плотность мощности излучения. Пластина с помощью вакуума закрепляется на специальном столике механизма совмещения (рис. 12, б), который обеспечивает автоматическое выравнивание параллельности пластины и фотошаблона (компенсация кли- на), прецизионное перемещение и поворот пластины для выполнения опера- ции совмещения. После совмещения рисунка на фотошаблоне с пластиной, она плотно приживается к фотошаблону (для контактной литографии) либо позициони- руется на необходимом расстояние (с зазором), еще раз проверяется совме- щение и производится экспонирование в течении заданного времени. Удель- ная доза экспонирования равна произведению плотности излучения на время экспонирования. 46 Прижим пластины к фотошаблону может производиться различными методами: мягкий, жесткий и вакуумный контакт. Мягкий контакт подразу- мевает только механический прижим пластины к фотошаблону, жесткий – прижим с помощью поддува под пластину азота под давлением, что улучша- ет однородности прижима. При вакуумном контакте, который обеспечивает наилучшее пространственное разрешение, из промежутка между пластиной и фотошаблоном откачивается воздух, что приводит к равномерному прижа- тию их друг к другу. Однако, более сильный прижим пластины к фотошаб- лону сокращает срок его службы, особенно при попадании каких-либо за- грязнений, а также может также приводить к повреждению слоя резиста или пластины. Разрешение контактной литографии определяется следующим выраже- нием: 3 2 h d g n , (1) где g – толщина зазора между маской и фоторезистом, h – толщина резиста, n – показатель преломления резиста, λ - длина волны излучения. Таким образом, кроме длины волны излучения решающее значение имеет толщина резиста и толщина зазора. Реальное разрешение современных установок контактной литографии при применении резиста с толщиной 0.5 мкм составляет величину также около 0.5 мкм. Применение более тонкого резиста возможно, однако возникают сложности, связанные с его низкой ме- ханической стойкостью. Зазор между фотошаблоном и пластиной не всегда четко контролиру- ется. Наличие загрязнений, частиц, неплоскостность фотошаблона и пласти- ны приводят к неконтролируемому зазору, ухудшая разрешение. К такому же эффекту может приводить краевой валик фоторезиста и другие дефекты фо- торезиста. 47 Также негативное влияние на разрешение контактной фотолитографии может оказывать отражение излучения от поверхности пластины (под рези- стом) и/или отражение от держателя (если пластина прозрачна для УФ излу- чения). Отражение приводит к фоновой засветке, изменяющей поперечный профиль рисунка и уменьшающей контраст резиста. Контраст резиста показывает насколько резко изменяется скорость проявления при изменении дозы экспонирования. Для позитивного резиста численная величина контраста γ равна углу наклона зависимости толщины экспонированного резиста от логарифма дозы D (рис. 13) 1 1 0 log D D , (2) где D 0 – доза, при которой резист еще практически на начал проявляться, а D 1 – доза, требуемая для полного удаления резиста. Более контрастный резист дает более вертикальные стенки профиля ре- зиста при одинаковом освещении (так как границы освещения никогда не бывают резкие из-за диффракции излучения). Таким образом, для более кон- трастный резист характерная относительно высокая разрешающая способ- ность при прочих равных условиях. Рисунок 13. Зависимость толщины резиста после проявки от логарифма дозы для двух значений контраста. 48 Преимущества контактной литографии заключаются в простоте и низ- кой стоимости оборудования. Однако, из-за того, что пластина экспонируется целиком и необходимо обеспечить равномерную интенсивность, одновре- менное совмещение всех элементов и плотный контакт, максимальный диа- метр пластин в контактной литографии ограничен. Обычно такого типа лито- графия используется для пластин до 8 дюймов (200 мм). Пространственное разрешение контактной литографии заметно меньше, чем для проекционной и не может быть существенно улучшено. Кроме того, загрязнения фотошаб- лона и его повреждения уменьшают срок службы и увеличивают количество дефектов. Оборудование для контактной фотолитографии в основном выпускают две компании – Suss MicroTec, Германия и EV Group, Австрия. Обе компании предлагают как базовые ручные установки для минимальных размеров пла- стин, так и большие автоматизированные установки. В УЦКП Современные нанотехнологии используется установка Suss MJB4. 6.1.2 Проекционная фотолитография В проекционной литографии изображение с фотошаблона проецирует- ся на поверхность пластины (по аналогии с принципом фотографии). При этом на шаблоне создается равномерная засветка, а затем прошедший свет фокусируется на поверхность с помощью объектива. В данном типе литографии формирование области засветки происходит в дальнем поле и распространение света описывается дифракцией Фраунго- фера. Формирование изображений в таких системах достаточно подробно ис- следовано (аналогичной системой является оптический микроскоп). Экспозиция целой пластины по ряду причин (требования высокой од- нородности излучения, плоскостности пластины и фотошаблона, точной настройки фокуса и точности совмещения) затруднительна, а для пластин с размерами 200-300 мм и субмикронном разрешении практически невозмож- на. Поэтому развитие методов фотолитографии пошло по пути создания установок для экспонирования пластины по частям. Современная фотолито- 49 графия делается на так называемых литографических степперах-сканерах, в которых вся пластина экспонируется отдельными прямоугольными областя- ми (полями зрения), в каждом из которых происходит сканирование плоским пучком (рис. 14). В каждом поле зрения экспонируется одно и то же изобра- жение, содержащее один или несколько чипов. Размер поля зрения находится в диапазоне 5-20 мм. При этом перемещение между полями зрения и скани- рование внутри поля зрения обеспечивается столиком с пластиной. Рисунок фотошаблона, соответственно, также содержит рисунок одного поля зрения, обычно в увеличенном виде (от 4 до 10 раз). Уменьшение изображения при его проецировании позволяет упростить изготовление фотошаблонов. Перемещающийся относительно объектива столик с пластиной имеет большой размер и вес (используются пластины диаметром до 300 мм), дол- жен двигаться достаточно быстро, но при этом обеспечивать высочайшую точность позиционирования. Например, при характерном размере элементов в 32 нм требуемая точность совмещения не должна превышать 10 нм! Такая точность позиционирования обеспечивается лазерными интерферометрами, на основе которых построена система измерения положения и обратной свя- зи. В качестве источника излучения для проекционной литографии обычно служит импульсный эксимерный лазер, хотя может также использоваться и УФ лампа. Излучение после формирования однородного пучка проходит че- рез фотошаблон и проецируется на пластину. Проецирующая система состо- ит из десятков линз большого диаметра (до полуметра Рисунок 14. Схема работы степпера-сканера. 50 ). Высокая сложность системы обусловлена необходимость обеспече- ния высокой однородности излучения и коррекции всевозможных оптиче- ских искажений. Плотность излучения в степперах составляет порядка 100 мДж/см 2 , что позволяет экспонировать одно поле зрения менее, чем за секун- ду, что очень важно для общей производительности установки, которая определяет ее рентабельность. Современные литографические установки имеют производительность до 300 пластин в час. Это накладывает жесто- чайшие требования на систему перемещения, интенсивность источника излу- чения, чувствительность резиста. |