Данилова - Процессы в микро и наноэлектронике. Т. И. Данилина, К. И. Смирнова Процессы микро и нанотехнологии
 Скачать 22.56 Mb.
|
|
Адгезия - это способность слоя ФР препятствовать проникнове- нию травителя к подложке по периметру рельефа рисунка элементов. Стабильность свойств ФР характеризуется их сроком службы. Выбор толщины фоторезиста делается, исходя из следующих соображений. Практикой установлено, что толщина ФР должна быть в 3-4 раза меньше минимального размера рисунка элементов. С другой стороны, толщина ФР должна быть достаточной, чтобы проти- востоять действию травителей (кислот и щелочей) и перекрывать ло- кальные дефекты. Таким образом, выбор толщины ФР обусловлен компромиссом между требованием достаточной разрешающей спо- l d ФР R , линии мм 300 200 100 0 0,2 0,4 0,6 d, мкм 2 1 13 собности и адгезии, с одной стороны, и защитными свойствами, с дру- гой. Обычно толщину ФР выбирают в пределах 0,5-1,5 мкм. 2.2. Способы экспонирования В оптической литографии используется три способа: - контактная фотолитография; - бесконтактная или фотолитография с зазором; - проекционная фотолитография. При контактной фотолитографии фотошаблон находится в непо- средственном контакте со слоем ФР на подложке (рис.2.6). Для засвет- ки ФР через ФШ используется источник света с требуемой длиной волны. Рис.2.6. Схема контактной фотолитографии 1 - предметный столик; 2- подложка; 3 - слой фоторезиста; 4 - фотошаблон; 5 - затвор; 6 - конденсор; 7 - источник света. Конденсорная линза (конденсор) служит для создания равномер- ного светового потока. Затвор задает дозу экспонирования. На некото- ром расстоянии от источника света размещается подложка с фотошаб- лоном. За счет плотного контакта достигаются высокие разрешения. Технологически между ФШ и подложкой будет зазор, обусловленный толщиной ФР, наличием неровностей на подложке, искривлением подложки и др. Кроме того разрешение зависит от свойств ФР. Рас- смотрим особенности прохождения света в негативных и позитивных ФР (рис.2.7). При прохождении света наблюдаются дифракция на границе темного и светлого полей на ФШ, рассеяние света в слое ФР и отраже- 5 6 7 4 3 2 1 14 ние света от подложки. За счет отражения света область негативного ФР полимеризуется и удерживается при проявлении за счет сил сцеп- ления с подложкой. В результате этого в негативных ФР образуется “ореол”, ухудшающий разрешающую способность ФР. В позитивных ФР при проявлении вымывается только верхняя часть рисунка, что не влияет на разрешающую способность. Отсюда следует, что разре- шающая способность позитивного ФР будет лучше, чем негативного ФР. Для уменьшения дифракции надо использовать для экспонирова- ния более коротковолновое излучение с l=220-260 нм. Рис.2.7. Прохождение света в негативном и позитивном ФР. Основной недостаток контактной ФЛ состоит в изнашивании ФШ при его многократном использовании. Плотное соприкосновение ФШ с подложкой приводит к возникновению дефектов на соприкасающих- ся поверхностях как шаблона, так и резиста. Накопление дефектов и частиц ФР, прилипающих к ФШ, приводит к его быстрому износу. В бесконтактной ФЛ во время экспонирования между подложкой и ФШ поддерживается небольшой зазор 10-40 мкм. Этот зазор умень- шает (но не устраняет) возможность повреждения поверхности шабло- на. При наличии зазора дифракция света уменьшает разрешающую способность и одновременно ухудшает четкость изображения. Степень этих негативных явлений зависит от величины зазора между ФШ и Дифракция Рассеяния Отражение Негативный ФР “ореол” Позитивный ФР Подложка ФШ УФ - свет 15 подложкой, который может быть неодинаковым вдоль пластины. При малых зазорах основным источником искажений являются неровности поверхности подложки (пластины), при больших - эффекты дифрак- ции. Процесс переноса изображения осуществляется в дифракционной области, разрешение в которой определяется как h b l = min , где b min -минимальная ширина линии; h - величина зазора. Проекционная фотолитография заключается в проектировании изображения ФШ на подложку, покрытую ФР, с помощью проекцион- ного объектива (рис.2.8). Рис.2.8. Перенос изображения в проекционной ФЛ Качество проекционного объектива характеризует такой параметр, как числовая апертура a sin × = n NA , где n - коэффициент преломления среды в пространстве изобра- жения (для воздуха n »1); a - половина максимального угла расходимости лучей, приходя- щих в точку изображения на оптической оси проекционной системы. Разрешающая способность (минимальный передаваемый размер элемента) определяется длиной волны излучения и числовой аперту- рой проекционного объектива ( ) NA K b / 1 min l × = , где K 1 - технологический фактор. Числовой коэффициент K 1 зависит от параметров оптической сис- темы, а также от свойств ФР, режимов его обработки и др. Желатель- но, чтобы K 1 был по возможности меньшим. Если сделать K 1 УФ - свет ФШ проекционный объектив подложка 16 b min »l. Однако это трудно достижимо. Чаще всего для систем с ди- фракционными ограничениями K 1 =0,6-0,8. Чем больше числовая апер- тура объектива, тем выше его разрешающая способность. Важным параметром проекционной системы является глубина резкости Df, определяемая как ( ) 2 / NA f l ± = D Для компенсации аберраций оптической системы, искривления поверхности подложек и изменения толщины слоя ФР необходима наибольшая глубина резкости. Глубина резкости оптической системы должна превышать ±5 мкм. Это ограничивает апертуру линз и, следо- вательно, разрешающую способность метода. Для повышения разре- шающей способности необходимо уменьшить l, что, однако, затруд- нительно из-за возрастания коэффициента поглощения оптических стекол. Обычно в проекционных системах используют монохроматич- ное излучение с l=400-440 нм. Схемы установки проекционной лито- графии без изменения масштаба переноса изображения и установки мультипликации с уменьшением приведены в [3,4]. 2.3. Фотошаблоны и технология их получения Фотошаблоны являются основным инструментом для получения рисунка в слое ФР на подложке. Фотошаблон - плоскопараллельная пластина из прозрачного материала, на которой имеется рисунок, со- стоящий из непрозрачных для света определенной длины волны участ- ков, образующих топологию одного из слоев структуры прибора, мно- гократно повторенного в пределах рабочего поля подложки. Тополо- гия структуры - рисунок (чертеж), включающий в себя размеры эле- ментов структуры, их форму, положение и принятые допуски. Для из- готовления ИМС необходим комплект ФШ в соответствии с количест- вом формируемых технологических слоев. Типономиналы размеров ФШ, используемых в производстве по- лупроводниковых ИМС, приведены ниже. Размер ра- бочего поля ФШ (диаметр полу- проводниковой подложки), мм 60 76 100 125 150 Размер стеклянной пла- стины ФШ, мм 76х76 102х102 127х127 153х153 178х178 17 Производство ФШ является сложным многостадийным процес- сом, включающим: - проектирование топологии интегральных схем; - изготовление увеличенного фотооригинала; - изготовление промежуточного ФШ; - изготовление эталонного ФШ; - изготовление рабочих ФШ. Технологические основы производства ФШ изложены в [2]. Са- мым простым методом изготовления оригинала является вырезание увеличенного рисунка топологии в двухслойной пленке, состоящей из прозрачной основы (полиэфирные пленки) и непрозрачного покрытия (красный пластик). Прорезание непрозрачного покрытия осуществля- ется на координатографе. Управление движениями резца осуществля- ется либо вручную (ручной координатограф), либо автоматически по программе (автоматический координатограф). В производстве находят применение ручные ЭМ-701 и ЭМ-707 с рабочим полем 800х800 мм и автоматизированные ЭМ-703 и ЭМ-706 с рабочим полем 1200х1200 мм координатографы. Точность позицирования резца для ручных моделей Dx=±50 мкм. Тогда точность выполнения рисунка для ли- нии шириной b при масштабе увеличения M будет M b x b × D × ± = D 2 Масштаб оригинала выбирается, исходя из двух соображений: 1) требуемой точности изготовления рисунка; 2) размера рабочего поля подложки. Размеры оригиналов будут увеличены в M раз по сравнению с размерами подложек, которые составляют для полупроводниковых интегральных схем 1х1, 4х3 мм, для пленочных - 8х10, 10х12 мм и т.д. Полученный оригинал должен умещаться на рабочем поле координа- тографа. Рисунок топологии выполняется для полупроводниковых схем в масштабе от 200:1 до 1000:1, а для пленочных схем - до 50:1. Этот увеличенный рисунок и является первичным оригиналом. Первичный перенос изображения с оригинала на фотопластину осуществляется в редукционной фотокамере (рис.2.9 а). Редукционные фотокамеры позволяют производить отсъем с оригиналов, имеющих максимальные размеры 750х750 и 1200х1200 мм соответственно на фотопластины с размерами 60х90 или 90х120 мм. Уменьшение осуще- ствляется ступенчато от 10 до 50 раз. В результате последующей фо- тохимической обработки (проявления и фиксации изображения) полу- чают промежуточный ФШ на эмульсионной основе. 18 Рис. 2.9. Первичный отсъем оригинала с уменьшением (а), вторичный отсъем промежуточного ФШ с одновременным мульти- плицированием (б), и контактная печать с эталонного ФШ (в) 1 - оригинал; 2 - объектив; 3 - промежуточный ФШ; 4 - эталонный ФШ; 5 - рабочие ФШ Эталонный групповой ФШ получают путем мультиплицирования изображения рисунка, т.е. пошагового впечатывания, уменьшенного до натурального размера изображения промежуточного ФШ на фото- пластину (рис.2.9 б). Процесс выполняется на специальных оптико- механических установках - фотоповторителях. Точность шага распо- ложения модулей, т.е. точность позицирования составляет для уста- новки ЭМ-515А ±2,5 мкм, а для ЭМ-522А ±0,2 мкм. Мультиплициро- вание изображений можно выполнять не только на эмульсионных ФШ, но и на пластинах, покрытых фоторезистом с подслоем хрома. Это позволяет сократить число этапов производства ФШ за счет исключе- ния этапа экспонирования эмульсионного эталонного ФШ, который имеет низкую стойкость к контактной печати. Рабочие ФШ представляют собой копии с эмульсионных или хромированных эталонов, полученные методом контактной печати. В качестве покрытий для рабочих ФШ используются пленки хрома (хромированные ФШ) или полупрозрачные покрытия из окиси железа Fe 2 O 3 (транспарентные ФШ). Хромированные ФШ имеют стойкость до 50 отпечатков, транспарентные ФШ выдерживают до 100 отпечатков. Не менее важно то, что для транспаретных ФШ проще поиск знаков совмещения, так как окисное покрытие поглощает ультрафиолетовое излучение, но является прозрачным для видимого света. 19 Рассмотренный метод изготовления ФШ называется оптико- механическим методом. Необходимость многократного воспроизве- дения изображения на групповом ФШ, а также получения фотокопий с износостойким покрытием приводит к многоступенчатости процесса изготовления ФШ. Однако с каждой ступенью процесса происходит накопление дефектов в рисунке и требование высокой точности при- ходит в противоречие с требованием малой плотности дефектов. Оп- тико-механический метод получается длительным и дорогостоящим и рекомендуется для изготовления ФШ полупроводниковых приборов и интегральных схем крупносерийного производства. Современным методом изготовления ФШ является микрофотона- борный метод генерации изображения. Микрофотонаборный метод реализуется либо оптическим, либо электронным генератором изобра- жения. В основе работы оптического генератора изображения лежит принцип фотонабора. Топологическая структура рисунка расчленяется на элементарные прямоугольники с различным отношением сторон и определенной ориентацией по углу (рис.2.10). Рис. 2.10. Генерация изображений топологических элементов на микрофотонаборной установке а - сложного; б,в - простых. По заданной программе очередной элемент формируется подвиж- ными шторками диафрагмы и разворачивается на необходимый угол, а двухкоординатный стол, на котором размещена светочувствительная пластина, отрабатывает заданные координаты. После остановки стола б) в) а) х у 20 производится экспонирование светом с заранее установленной вы- держкой. Соответственно исходными данными для каждой экспозиции являются длина и ширина очередного элемента, угол его поворота во- круг центра тяжести относительно оси x и координаты центра тяжести элемента (x и y). С помощью генератора изображения получают ори- гинал в масштабе 10:1, который используют для изготовления эталон- ных ФШ с помощью фотоповторителя. Схемы генераторов изображе- ний приведены в [3,4], а схемы фотоповторителей и их основные ха- рактеристики в [2]. Оптический генератор позволяет осуществить до 300 тысяч экспо- зиций в час и формировать с большой скоростью сложный топологи- ческий рисунок. Однако ввиду того, что современные интегральные схемы имеют до миллиона топологических элементов даже при таком быстродействии формирование одного фотошаблона составляет десят- ки часов. Электронно-лучевой генератор изображения в сравнении с опти- ческим имеет более высокое быстродействие. В нем используется электронный луч в режиме векторного сканирования. При этом воз- можно получение на рабочем поле до 50 млн. элементов. Изготовление рабочих ФШ представляет собой процесс контакт- ной ФЛ, состоящей из следующих этапов: - осаждение пленки рабочего материала; - нанесение ФР; - первая сушка; - совмещение и экспонирование; - проявление ФР; - вторая сушка; - травление пленок; - удаление ФР; - контроль ФШ. Процессы контактной ФЛ описаны в [1-4]. Качество процесса ФЛ во многом определяется механическим и физико-химическим состоянием поверхности подложек. Механическое состояние поверхности подложек влияет на точность получения эле- ментов рисунка, поэтому любые неровности, микробугорки, впадины, царапины и риски приводят к их искажению. Кроме того, при нанесе- нии слоя ФР эти дефекты вызывают появление пузырьков или проко- лов в слое ФР. Физико-химическое состояние поверхности подложек влияет на ее смачиваемость и адгезию ФР. Поэтому на рабочих поверхностях под- 21 ложек не должно быть инородных частиц, а также адсорбированных атомов и ионов жидкостей и газов. Нанесенный на предварительно подготовленную поверхность подложек слой ФР должен быть однородным по толщине по всему их полю, без проколов, царапин, (т.е. быть сплошным) и иметь хорошую адгезию. Для нанесения слоя ФР чаще всего используют метод центрифугирования. При этом методе на подложку, которая устанав- ливается на столике центрифуги и удерживается на нем вакуумным присосом, фоторезист подается капельницей - дозатором. Когда столик приводится во вращение, фоторезист растекается тонким слоем по по- верхности подложки. Прилегающий к подложке граничный слой фор- мируется за счет уравновешивания центробежной силы, пропорцио- нальной числу оборотов, и силы сопротивления, зависящей от когезии молекул резиста. Когезия характеризуется вязкостью фоторезиста, так что толщина слоя d ФР прямо пропорциональна вязкости u и обратно пропорциональна числу оборотов центрифуги w w n / A d ФР = , где А - коэффициент пропорциональности, определяемый экспе- риментально. Вязкость фоторезиста составляет 0,02-0,05 см/с, число оборотов центрифуги - от 2000 до 10000 об/мин. Зависимости толщины слоя ФР от частоты вращения центрифуги при различных коэффициентах его вязкости показаны в [4]. Используя метод центрифугирования, можно в зависимости от вязкости ФР регулировать толщину его слоя от 0,4 до 3,5 мкм, изменяя частоту вращения центрифуги от 1500 до 8000 об/мин. При малых скоростях центрифугирования слой ФР получается неровным и наблюдается его утолщение по краям подложки. Выбирая толщину слоя ФР, необходимо учитывать, что он должен обладать высокой разрешающей способностью (чем меньше толщина, тем выше разрешающая способность) и не терять стойкости к травителю. Кроме того слой фоторезиста не должен иметь дефектов в виде проколов, количество которых с уменьшением толщины увеличивается. Следо- вательно, толщина слоя ФР должна быть наименьшей, но достаточной для обеспечения его стойкости к травителю и обеспечивать малую де- фектность. Для окончательного удаления растворителя из слоя ФР его просу- шивают. При этом уплотняется молекулярная структура слоя, умень- шаются внутренние напряжения и повышается адгезия к подложке. Неполное удаление растворителя из слоя ФР снижает его кислото- стойкость. Для удаления растворителя подложки нагревают до темпе- ратуры, примерно равной 100 о С. Большое значение при сушке имеет 22 механизм подвода теплоты. Существуют три метода сушки ФР: кон- векционный, инфракрасный и в СВЧ-поле. При конвективной сушке подложки выдерживают в термокамере при 90-100 о С в течение 15-30 мин. Недостаток этого метода - низкое качество ФР слоя. При инфракрасной сушке источником теплоты является сама подложка, поглощающая ИК-излучение от специальной лампы. Так как “фронт сушки” перемещается от подложки к поверхности слоя ФР, качество сушки по сравнению с конвективной существенно выше, а время сокращается до 5-10 мин. При СВЧ-сушке подложки нагреваются, поглощая электромаг- нитную энергию СВЧ-поля. Время сушки - несколько секунд. Досто- инством этого метода является высокая производительность, а недос- татками - сложность оборудования, а также неравномерность сушки слоя ФР. При любом методе сушки ее режимы (время, температура) долж- ны исключать появление структурных изменений в слое фоторезиста. При нанесении слоя ФР могут появиться различные |