Фотолитография. И. С. Батурин
 Скачать 2.13 Mb.
|
|
7.1.2 Проявка негативных резистов Для резистов, механизмом экспонирования которых является фотопо- лимеризация, проявление производится в органических растворителях (кси- лол, бензин-растворитель Стоддарда и т.п.), в которых полимеризованная об- ласть практически не растворяется. Следует отметить, что при проявлении таких резистов происходит их набухание, что приводит к уходу размеров и, в конечном счете, к значительно худшему разрешению. Остановка проявления и промывка таких резистов проводится не в во- де, а тоже в растворителе. В частности, может использоваться n-бутилацетат. Основное направление разработок в области негативных резистов – пе- реход на водные проявители. В частности, резист AZ nLOF2070 является примером негативного резиста проявляющегося проявителями аналогичными ДХН резистам и имеющего достаточно высокую разрешающую способность (на уровне стандартных ДХН резистов). 7.2 Поперечный профиль резистной маски Поперечный профиль резистной маски является важным параметром, на который влияют свойства резиста, метод и доза экспонирования, а также процесс проявки. Можно выделить три основных формы профиля резистной маски (рис. 21): а) с положительным наклоном стенок; б) с почти вертикаль- ными стенками; и в) с отрицательным наклоном. Профиль с положительным наклоном стенок характерен для позитив- ных резистов, что связано с уменьшением интенсивности излучения при проникновении вглубь резиста и соответствующим уменьшением ширины профиля. (а) (б) (в) Рисунок 21. Профиль резистной маски для различных типов резиста: а) позитивный ре- зист; б) позитивный резист с высоким контрастом; в) негативный резист или резист с об- ращением изображения. 63 При применении высококонтрастных резистов можно получить верти- кальные стенки и высокое аспектное соотношение. Частично этому способ- ствует эффект обесцвечивания экспонированного позитивного резиста. Сна- чала экспонируется верхний слой резиста, который становится прозрачным и открывает доступ излучению к более глубоким слоям. Такой эффект обеспе- чивает каналирование экспонированной области вглубь и ограничивает ее распространение в ширину, что особенно помогает получать вертикальные стенки в толстых резистах. Профиль с негативным наклоном стенок характерен для негативных резистов и резистов с обращением изображения. Это связано с тем, что при экспонировании негативных резистов нижняя часть резиста экспонируется хуже верхней и легче удаляется при проявлении. В частности, недостаточное экспонирование может приводить к полному отслаиванию структуры при проявлении из-за недостаточного экспонирования слоя, лежащего вблизи по- верхности пластины. Профили с положительным и вертикальным наклоном обычно исполь- зуют для переноса рисунка травлением, а профиль с негативными стенками – для обращенной литографии (см. главу 10). 7.3 Методы и оборудование для проявки резиста Методы проявки, в большой степени аналогичны методам очистки по- верхности. Простейший метод – погружение в емкость с проявителем на тре- буемое время, а затем погружение в состав, останавливающий процесс про- явления. Применяются также методы проявки резиста распылением проявителя на вращающуюся пластину и проявления «в лужице». Метод проявления по- ливом (puddle development) заключается в том, что на медленно вращающую- ся пластину подают поток проявителя, затем пластину останавливают и вы- ключают подачу проявителя – на пластине образуется лужица проявителя, в которой идет проявка. После окончания проявки (по времени) производится 64 раскрутка пластины для удаления проявителя и подача деионизованной воды для остановки процесса проявления и удаления оставшихся продуктов реак- ции. 65 8 СНЯТИЕ РЕЗИСТА Снятие резиста – неотъемлемая, завершающая процедура процесса фо- толитографии. Для снятия резиста могут использоваться как жидкостные, так и сухие методы. Так как резисты являются в своей основе полимерными веществами, они могут быть растворены в органических растворителях. Хорошими рас- творителями, например, являются диметилсульфоксид (DMS) и N- метилпирролидон (NMP). Они имеют низкое давление паров, относительно безопасны для окружающей среды и хорошо снимают большинство резистов, особенно если использовать их при повышенной температуре. Эти же рас- творители используются для обращенной литографии. Для снятия позитивных резистов может использоваться раствор щело- чи с концентрацией значительно большей, чем в проявителе. Для снятия сильно задубленного резиста после длительной или высо- котемпературной обработки, а также после воздействия плазмы может ис- пользоваться смесь Каро (см. главу 3). Универсальным методом снятия резиста и других органических пленок является обработка в кислородной плазме. С помощью нее можно удалить с поверхности практически любые резисты (раздел 10.3.2 ). 66 9 ФОТОШАБЛОНЫ 9.1 Назначение и параметры фотошаблонов Фотошаблон является средством для переноса рисунка на пластину по- средством фотолитографии, физическим носителем топологии интегральной схемы или другого устройства. Фотошаблоны изготавливаются на основе плоскопараллельной прозрачной пластины с нанесенным непрозрачным тон- ким слоем хрома, в котором выполняется рисунок. При освещении фотошаб- лона излучение пройдет насквозь только в тех места, где удален хром. Материалом для изготовления фотошаблонов является кварцевое или содово-известковое стекло (Na 2 O, CaO, SiO 2 ). Кварцевое стекло имеет ряд преимуществ – оно прозрачно в области дальнего УФ (250, 193 нм) и имеет минимальный коэффициент термического расширения. Содово-известковое стекло пригодно только для фотолитографии в области ближнего УФ, но при этом имеет меньшую стоимость. Обычно фотошаблоны изготавливаются в виде квадратных стекол раз- мером 4-6 дюймов (100-150 мм) и толщиной 0,09–0,250 дюймов (2,25–6,25 мм). Для контактной литографии размер фотошаблона берется как минимум на 1 дюйм больше, чем диаметр используемых пластин. Хромовое покрытие толщиной около 100 нм блокирует около 99,9 % света. Рисунок в покрытии выполняется с помощью травления, методы которого хорошо разработаны. Для контактной фотолитографии фотошаблон изготавливается в мас- штабе 1:1, а для проекционной может изготавливаться с увеличением 4:1, 5:1, 10:1, что упрощает процесс изготовления. Кроме того, к фотошаблону для проекционной фотолитографии могут быть присоединены пелликлы – тонкие полимерные пленки, которые располагаются на расстоянии около 5 мм от фотошаблона и предотвращают его загрязнение. При этом загрязнения, кото- рые попадут на пелликлы не будут сфокусированы на поверхность, так как они расположен не в плоскости фотошаблона. 67 Рисунок 22. Тональность фотошаблона. Большинство фотошаблонов делается бинарными, на которых рисунок представлен набором непрозрачный и прозрачных участков. Однако, суще- ствуют также технологии изготовления фотошаблонов с изображением в то- нах серого, что позволяет создавать различные трехмерные структуры. Таким фотошаблоны используются в микрооптике, микрофлюидике, МЭМС и дру- гих отраслях промышленности. В микроэлектронике применяются практиче- ски только бинарные шаблоны. Также фотошаблоны могут изготавливаться с фазовым сдвигом в со- седних светлых элементах рисунка, как это обсуждалось в главе 6. Для этого производят либо локальное травление основы фотошаблона на нужную глу- бину, либо наносят прозрачную пленку MoSi. Различают тональность фотошаблона, которая определяет тип рисунка: темнопольный – рабочее поле темное, элементы светлые и наоборот, светло- польный – рабочее поле светлое, элементы темные. Выбор тональности фо- тошаблона зависит от применяемого процесса и тональности фоторезиста. Тональность фотошаблона задается на стадии проектирование и не может быть изменена после его изготовления. 9.2 Процесс разработки и изготовления фотошаблонов Для изготовления фотошаблонов также применяются методы микро- и нанолитографии. При этом различают два типа шаблонов – мастер шаблон и рабочий шаблон (при массовом производстве, когда шаблон используется ча- сто). Мастер шаблоны изготавливаются методами электронно-лучевой лито- графии или безшаблонной фотолитографии лазерным пучком, а рабочие 68 шаблоны могут изготавливаться по мастер шаблону с применяем проекцион- ной или контактной фотолитографии. На первой стадии происходит проектирование фотошаблона (подго- товка данных о топологии) и их перевод в определенный формат. На заготов- ку наносят тонкий слой хрома и слой электроно- или фоторезиста. Затем ри- сунок на фотошаблоне экспонируют движущимся пучком электронов или лучом лазера и выполняют проявление изображения. После получения рель- ефа в слое резиста производится жидкостное травление слоя хрома в окнах резиста и резист удаляется. После изготовления элементы на фотошаблоне проверяются на соответствие критическим размерам, соответствие нужной топологии и наличие дефектов, происходит очистка фотошаблона и при необходимости исправление дефектов ионным пучком. Важно отметить, что дефекты на фотошаблоне приведут к репродуци- рованию дефекта на всех пластинах, изготовленных с его помощью. Поэтому проверке фотошаблона и исправлению дефектов также уделяется большое внимание. Рисунок фотошаблона обычно представляется в CAD модели в стан- дартном формате GDS II (Calma Company, 1970 г.). Данный формат является иерархическим – в нем содержатся определения ячеек, которые могут вклю- чать другие ячейки, что позволяет сделать формат относительно компакт- ным. В последнее время организацией SEMI предложен более современный формат OASIS. При подготовке данных для записи формат транслируется во внутренний формат литографа, которые отличаются у различных производи- телей. При проектировании топологии следует учитывать, что непрямоуголь- ные или криволинейные детали достаточно сложно реализовать, так как за- пись идет по квадратной сетке. Поэтому, при необходимости приходится уменьшать размер пикселя и приближать требуемую структуру набором квадратных ячеек разного размера, что приводит к существенному увеличе- нию времени записи и, соответственно, стоимости фотошаблона. 69 Форма пучка электронно-лучевого литографа на является фиксирован- ной. Стандартным является точечный сфокусированный пучок, который име- ет Гауссово распределение интенсивности. Также с помощью диафрагм мо- жет формироваться расфокусированный пучок в виде прямоугольника для более быстрого экспонирования крупных деталей рисунка. Кроме того, воз- можно пропускание широкого пучка через шаблон, задающий рисунок опре- деленной повторяющейся ячейки, что существенно ускоряет изготовление фотошаблона. Электронно-лучевой литограф построен по аналогии с электронно- лучевым микроскопом и имеет электронную пушку, систему электромагнит- ных линз для фокусировки и отклонения пучка и бланкер – систему, позво- ляющую с высоким быстродействие включать и выключать пучок электро- нов для формирования нужного рисунка при сканировании. Кроме того, ли- тограф должен иметь прецизионный столик для крепления шаблона с нано- метровой точность перемещения, так как поле сканирования пучком доста- точно небольшое и для экспонирования фотошаблона необходимо много- кратно перемещаться от одного поля зрения к другому, при этом обеспечивая сшивку изображения с нанометровой точностью. Лазерный литограф может применяться там, где не требуется получе- ние предельного разрешения, достижимого для электронно-лучевого лито- графа. Можно выделить два класса лазерных литографов – с растровым ска- нированием и пространственной модуляцией света. В растровых системах изображение формируется одним или несколькими сфокусированными лу- чами, прерывание которых осуществляется с помощью акустооптических модуляторов света. В случае применения пространственной модуляции света на поверхность резиста сразу проецируется небольшое изображение, сфор- мированное с помощью МЭМС чипа с управляемыми микрозеркалами (точ- но таким же способом создается изображение в современных проекторах). Такой способ позволяет существенно сократить время записи. По аналогии с 70 электронно-лучевым литографом для лазерной системы также нужен преци- зионный стол для передвижения заготовки фотошаблона. Следует отметить, что методы, использующиеся для создания фото- шаблонов также могут использоваться и для безмасочной литографии путем записи изображения сразу в слой резиста, нанесенный на пластине. Такой путь удобен, например, для прототипирования или исследовательских при- менений, когда изготовление фотошаблона может оказаться экономически нецелесообразным. 71 10 МЕТОДЫ ПЕРЕНОСА ИЗОБРАЖЕНИЯ 10.1 Назначение и классификация методов переноса изображения Перенос изображения – это процесс формирования структуры на по- верхности пластины, соответствующей рисунку, образованному в слое рези- ста в процессе экспонирования и проявления. Именно на этом этапе форми- руется постоянный рисунок в виде рельефа поверхности, в тонкой пленки, нанесенной на поверхность либо в виде модифицированных поверхностях свойств. При этом резист используется как защитная маска. Все методы переноса изображения можно разделить на три основных класса (рис. 23): 1) нанесение тонких пленок (аддитивный); 2) травление (субтрактивный); 3) модификация поверхностного слоя. Рассмотрим различные методы более подробно. 10.2 Перенос изображений с помощью нанесения тонких пленок Нанесение тонких пленок очень активно используется в методах мик- ро- и нанолитографии. Оно позволяет локально наносить слои из различных материалов – проводников и диэлектриков. При этом нанесение используется для переноса изображения двумя основными способами – прямой литогра- фией и так называемой обращенной. Рисунок 23. Классификации методов переноса изображения. 72 Рисунок 24. Перенос изображения методом прямой литографии через нанесение тонкой пленки и травление. 10.2.1 Прямая литография Прямая литография, по сути, является методом переноса рисунка с по- мощью травления, а нанесение тонкой пленки осуществляется до осуществ- ления процесса литографии. После формирования рисунка производится травление пленки через окна в фоторезисте, в результате чего на поверхности пластины формируются области заданной формы, покрытые тонкой пленкой. Аналогичный результат можно получить и с помощью обращенной литогра- фии, рассматриваемой в следующем разделе. Процесс травления будет более подробно рассмотрен в разделе 10.3. 10.2.2 Обращенная (взрывная) литография В методе обращенной литографии, в противоположность прямой лито- графии, тонкая пленка наносится поверх слоя резиста со сформированным в нем рельефом (рис. 25). После нанесения тонкой пленки резист удаляется в растворителе, снимая за собой и тонкую пленку, нанесенную поверх резиста. В то же время, тонкая пленка, нанесенная в окнах резиста остается на по- верхности. Применяемый растворитель в идеале должен обеспечивать набу- хание пленки резиста, за счет чего происходит активный отрыв пленки, даже если она частично наносится на боковые поверхности. Поэтому данный ме- тод переноса изображения еще называется взрывной литографией или lift-off. Типичные составы растворителей для снятия резиста, которые пригодны для взрывной литографии приведены в главе 8. 73 Рисунок 25. Перенос изображения методом обращенной литографии. Рисунок 26. Влияние поперечного профиля резиста на процесс обращенной литографии: а) профиль с отрицательным наклоном стенок; б) профиль с положительным наклоном стенок Для обращенной литографии важное значение имеет поперечный про- филь резиста (рис. 26). При положительном наклоне стенок наносимая плен- ка будет перекрывать доступ растворителя к резисту и затруднять его удале- ние. Если толщина пленки достаточно большая, то обращенная литография становится невозможна. При применении резиста с отрицательным наклоном стенок (рис. 26, а) такой проблемы не возникает, так как стенки находятся в области геометрической тени и на них напыление пленки не происходит. В этом случае возможно нанесение пленок с толщиной порядка толщины рези- ста. Таким образом, оптимальным для обращенной литографии является применение негативного резиста или резиста с обращением изображения. В случае, когда есть необходимость применения позитивного резиста, следует использовать высококонтрастный резист для формирования вертикальных стенок. 10.2.3 Методы нанесения тонких пленок Методы нанесения тонких пленок достаточно разнообразны. Их можно разделить на: 1) методы физического нанесения из газовой фазы; 2) методы химического нанесения: 74 а) из газовой фазы; б) из жидкой фазы. К методам физического нанесения из газовой фазы относятся, в част- ности, вакуумное испарение, распыление (катодное, магнетронное, реактив- ное), ионно-лучевое распыление, молекулярно-лучевая эпитаксия, жидкост- ная и газовая эпитаксия, импульсное лазерное испарение и другие. Среди химических методов можно выделить разнообразные вариации химического нанесения из газовой фазы (CVD) и золь-гель (из жидкой фазы). В реально- сти деление на физические и химические методы достаточно условно. Так, в части физических методов также происходят и химические реакции. Рас- смотрим основные методы, применяемые в фотолитографии более подробно. При вакуумном испарении атомы или молекулы от нагретого источни- ка с напыляемым веществом переносятся на подложку без столкновений с молекулами остаточного газа в вакуумной камере. Пары напыляемого веще- ства могут образовываться как за счет испарения (с поверхности расплавлен- ного вещества), так и за счет сублимации (непосредственно с поверхности твердого вещества). Пары переносятся к пластине, на которой они конденси- руются, образуя тонкую пленку (рис. 27). Применяют две разновидности ме- тода – термическое испарение и электронно-лучевое. В термическом испаре- нии испаряемый материал помещают на спираль, лодочку или тигель из ту- гоплавкого металла, разогреваемых до высокой температуры пропусканием электрического тока. В методе электронно-лучевого испарения нагрев осу- ществляется локально пучком электронов, за счет чего достигается более вы- сокая чистота получаемых пленок. Кроме того, за счет локальности нагрева, материал можно нагреть до температуры выше температуры плавления туго- плавких металлов – это делает метод более универсальным. Для эффективного нанесения пленок методом испарения в вакууме необходимо обеспечить давление насыщенного пара напыляемого вещества на уровне 10 -2 Торр, что уже дает достаточную для практического примене- ния скорость напыления. В свою очередь, давление насыщенного пара силь- 75 но зависит от температуры, причем параметры этой зависимости меняются от материала к материалу. Поэтому существуют определенные сложности с напылением сплавов – компоненты сплава, находящегося при одной и той же температуре испаряются с разной скоростью, что приводит к изменению со- става сплава в источнике и существенным отличиям состава пленки от жела- емого. Химические соединения могут напыляться данным методом, если в процессе испарения не происходит их разложения (например, без существен- ного разложения испаряются такие часто используемые материалы как SiO 2 , Al 2 O 3 ). В противном случае стехиометрия пленки может сильно отличаться от стехиометрии исходного вещества. К преимуществам вакуумного испарения можно отнести достаточно высокую чистоту пленок за счет напыления в условиях высокого вакуума, высокую скорость напыления, большой спектр напыляемых материалов. К недостаткам относят сложности с испарением сплавов и отклонения стехио- метрии при испарении соединений. Метод испарения хорошо подходит для нанесения пленок в обращен- ной литографии, так как прямолинейное распространение атомов и молекул испаряемого вещества способствует образованию геометрической тени и ми- нимизации запыления боковых стенок профиля резиста. Существует класс методов нанесения тонких пленок, основанных на физическом распылении напыляемого вещества, который также активно применяется в различных отраслях промышленности. Основа методов рас- пыления заключается в бомбардировке поверхности распыляемого вещества (мишени) ускоренными ионами газа, приводящей к выбиванию атомов и мо- лекул вещества и их последующий перенос через газовую фазу к пластине с образованием тонкой пленки. Важной особенностью метода являются более высокая энергия атомов и молекул, осаждающихся на пластину, что суще- ственно меняет структуру пленки и ее свойства. 76 Рисунок 27. Схема термического вакуумного испарения. Методы распыление различаются по способу получения ускоренных ионов, по наличию или отсутствию химических взаимодействий в процессе напыления и по особенностям устройства установки. В широком классе ме- тодов для получения потока ионов используется плазменный разряд в газе, находящийся в непосредственной близости от мишени (катодное распыле- ние, магнетронное распыление). Для интенсификации газового разряда мо- жет применяться магнитное поле, приводящее к движению электронов по круговым траекториями и увеличения вероятности вторичной ионизации газа (магнетронное распыление). Существуют также методы, в которых плазмен- ный разряд находится внутри выделенного устройства – ионной пушки. При этом в основной камере поддерживается более высокий вакуум, что позволя- ет существенно повысить чистоту пленок. Упрощенная схема одного из про- стейших вариантов реализации метода распыления – катодного распыления представлена на рис. 28. Между катодом и анодом прикладывается постоян- ное (для распыления проводящих материалов) или переменное напряжение (для проводящих и непроводящих материалов), которое при создании опре- деленного давления газа приводит к формирования разряда, образованию плазмы и бомбардировке ионами мишени. Более подробно процесс распыле- ния рассмотрен в разделе 10.2.3. |