Данилова - Процессы в микро и наноэлектронике. Т. И. Данилина, К. И. Смирнова Процессы микро и нанотехнологии
 Скачать 22.56 Mb.
|
|
виды брака. Плохая адгезия ФР к подложке вызывает при последующем травлении растравливание и искажение рисунков элементов. Причиной плохой адгезии является некачественная подготовка поверхности подложек. Локальные неоднородности рельефа слоя ФР, имеющие вид капелек, обусловлены попаданием пылинок на подложки или присутствием посторонних частиц в фоторезисте. Микродефекты (проколы) слоя ФР связаны с теми же причинами, что и локальные неоднородности. Точность полученного в процессе фотолитографии топологиче- ского рисунка в первую очередь определяется процессом совмещения и экспонирования. Передача изображения с фотошаблона на под- ложку должна выполняться с точностью 10 % от минимального размера элемента. Поэтому процессы совмещения и экспонирования проводят одновременно на одной установке. Перед экспонировнаием слоя ФР фотошаблон следует правильно сориентировать относительно подложки и рисунка предыдущего слоя. Для полного формирования структуры ИМС необходим комплект ФШ со строго согласованными топологическими рисунками элементов. При первой фотолитографии, когда поверхность подложки еще не имеет рисунка, фотошаблон ори- ентируют относительно базового среза подложки. При последующих ФЛ, когда на подложках сформированы топологические слои, рисунок ФШ ориентируют относительно рисунка предыдущего слоя. Совме- щают рисунки ФШ и подложки по специальным знакам - фигурам со- 23 вмещения, предусмотренным в рисунке каждого топологического слоя. Существует два метода совмещения ФШ с подложками: - визуальный, при котором, выполняя совмещение, наблюдают за контрольными отметками в микроскоп; при этом точность совмещения составляет 0,25-1,0 мкм и зависит от возможностей установки; - автоматизированный фотоэлектрический, обеспечивающий точ- ность совмещения 0,1-0,3 мкм. Процедура совмещения осуществляется с помощью механизма со- вмещения микроизображений. Основными элементами этого механиз- ма являются предметный шаровой столик со сферическим основанием- гнездом, рамка для закрепления ФШ и устройства перемещения рамки и поворота предметного столика. Подложку размещают на предметном столике так, чтобы слой ФР был сверху и закрепляют ФШ в подвиж- ной рамке над поверхностью подложки. Между подложкой и ФШ должен быть зазор для свободного перемещения рамки при совмеще- нии знаков. После выполнения совмещения подложку прижимают к ФШ и экспонируют слой ФР. Обеспечить идеальный контакт и отсутствие локальных зазоров по большим площадям практически невозможно. Зазор при контактировании двух поверхностей носит случайный ха- рактер и обусловлен неплоскостностью подложки, изгибом подложки при термообработках, наличием нижележащего микрорельефа и др. Этот зазор может колебаться в диапазоне5-20 мкм. Наличие зазора ухудшает разрешающую способность контактной фотолитографии. Окончательное формирование в пленке ФР изображения элемен- тов схем происходит при его проявлении, когда в зависимости от ти- па ФР удаляются экспонированные или неэкспонированные участки. В результате на поверхности подложки остается защитная фоторези- стивная маска требуемой конфигурации. Проявителями для негативных ФР служат органические раствори- тели: толуол, бензол, трихлорэтилен и др. Позитивные ФР проявляются в слабых водных растворах щелочей: 0,3-0,6 %-ный раствор KOH; 1-2 %-ный раствор тринатрийфосфата и др. Для каждого резиста существуют оптимальные сочетания времен экспонирования и проявления, обеспечивающие наилуч- шую воспроизводимость размеров проявленных элементов рисун- ка (рис.2.11). Такие зависимости для позитивного фоторезиста ФП-383 приведены в [2]. 24 Рис.2.11. Зависимость между временами экспонирования и проявле- ния, обеспечивающими наилучшую воспроизводимость раз- меров проявленных элементов рисунка: 1,3 - области неустойчивых режимов; 2 - область устойчивых режимов. Увеличение экспозиции уменьшает время проявления, но приво- дит к изменению размеров проявленных элементов рисунка (в пози- тивных резистах размеры увеличиваются, в негативных уменьшаются). Увеличение времни проявления повышает пористость и растравлива- ние границ рисунка по контуру. Времена проявления и экспонирова- ния связаны между собой обратно пропорциональной зависимостью экс ФР пр t d k t 2 = , где k - технологический фактор. Если известно время проявления для одной толщины фоторезиста d ФР1 , то можно определить время проявления для другой толщины d ФР2 при заданном времени экспонирования: 2 1 2 2 1 2 ФР ФР пр пр d d t t = = При проявлении негативных ФР происходит набухание и затем растворение неэкспонированных участков. При этом набухают и рас- t экс , с d фр1 t пр , с d фр2 d фр2 > d фр1 10 30 50 10 20 30 25 творяются и экспонированные участки, но в значительно меньшей степени. Поэтому для получения четкого рисунка подбирают такой проявитель, который бы минимально воздействовал на экспонирован- ные участки. При недостаточной экспозиции облученные участки бу- дут растворяться почти также, как и необлученные, что приведет к очень некачественному рисунку. Механизм проявления позитивных ФР заключается в образовании при химической реакции растворимых в воде солей, которые вымываются при прявлении. В отличие от нега- тивных ФР в позитивных ФР отсутствует набухание, что повышает их разрешающую способность. После проявления подложки промывают и сушат при повы- шенных температурах. Температура сушки составляет: для негативных ФР - 200-220 о С при времени выдержки 1 ч; для позитивных ФР - 200- 240 о С - 0,5 ч. В процессе сушки в негативных ФР происходит оконча- тельная полимеризация проявленных участков. Вследствие этого по- вышается стойкость слоя ФР к действию травителей и улучшается его адгезия к подложке. После сушки подложки подвергают контролю под микроскопом. При контроле обнаруживаются: посторонние включения, пылинки, микрочастицы, которые создают участки, обладающие повышенной растворимостью. Эти дефекты, как правило, незаметные во время на- несения резиста, выявляются при проявлении, поскольку обладают повышенной растворимостью. В результате растворения они создают поры (проколы) в слое ФР. Плотность зависит не только от чистоты и качества резиста, запыленности окружающей среды, но и от толщины наносимого ФР. С уменьшением толщины плотность дефектов D уве- личивается: 3 4 , 1 - = ФР d D , где D - деф/см 2 ; d - мкм. Задубливание является финишной операцией нанесения фоторези- стивной маски, поэтому после нее следует окончательный визуальный контроль перед травлением. Основные виды выявляемых дефектов сводятся к следующим: - некачественное удаление резиста (вызывается низкой адгезией из-за плохой подготовки поверхности); - плохо проявленный рисунок (вызывается некачественным фото- резистом, нарушениями температуры первой сушки и режимов экспо- нироания); 26 - двойной край или большой клин по краю рельефа (вызывается неоптимальными режимами экспонирования и проявления, большим зазором между подложкой и фотошаблоном при экспонировании); - неровный (“рваный”) край рельефа (в основном из-за загрязнен- ного фотошаблона и несоблюдения режимов экспонирования); - проколы (из-за запыленности среды и фоторезиста, перепроявле- ния, уменьшения толщины, нарушения режимов экспонирования); - остатки фоторезиста в проявленных окнах (из-за недопроявления или нарушения режимов экспонирования); - изменение размеров рисунка (из-за ошибки в экспозиции, либо нарушения режимов проявления). Контактная ФЛ заканчивается операцией травления технологиче- ского слоя и последующим удалением фоторезистивной маски. Для удаления фоторезистов можно применять множество жидких раство- рителей или использовать газофазные процессы с возбужденным ки- слородом (сжигание в кислородной плазме). Позитивные ФР легко удаляются в органических растворителях. Негативные ФР лучше уда- ляются при окислении. При жидкостном методе подложки кипятят в органических растворителях (диметилформамиде и др.). При этом слой ФР набухает и удаляется. Чем больше задублен ФР, тем он проч- нее, тем сложнее его растворить. Эффективное удаление ФР можно проводить в среде кислорода при высоких (до 700 о С) температурах, если это позволяет структура подложки. Освещение подложки ультрафиолетовыми лучами позволя- ет резко снизить температуру обработки. Формирование топологии рисунка на технологическом слое (ме- таллизация, диэлектрическая пленка) является конечной задачей фото- литографии. Это осуществляется химическим жидкостным либо “су- хим” (ионно-плазменным) методами. Химическое жидкостное трав- ление основано на растворении в химических реагентах незащи- щенных фоторезистивной маской участков технологического слоя и состоит из следующих стадий: диффузии и адсорбции молекул тра- вителя к поверхности подложки; химической реакции; десорбции про- дуктов реакции и удаления их в раствор. Скорость травления зависит от наиболее медленной стадии и, кроме того, определяется составом травителя и его температурой. Используемые химические травители должны обладать селективностью (избирательностью), т.е. способ- ностью активно растворять основной технологический слой, не взаи- модействуя с фоторезистом и другими нижележащими слоями. Про- цесс химического жидкостного травления, как правило, изотро- пен, т.е. имеет одинаковую скорость во всех направлениях. Участ- 27 ки подложки, незащищенные пленкой ФР, травятся не только вглубь, но и в стороны, т.е. происходит так называемое боковое подтравлива- ние, что приводит к изменению линейных размеров элементов рисун- ка. При плохой адгезии слоя ФР травитель может проникать под него на значительное расстояние и в этом случае боковое подтравливание становится недопустимо большим. При хорошей адгезии фронт боко- вого травления (клин травления) имеет форму дуги. Изменение разме- ров элементов рисунка не должно превышать допусков, указанных в технических условиях. 2.4. Оптические эффекты при фотолитографии При переносе изображения с фотошаблона на слой ФР ди- фракция на краях маски ФШ вызывает искажение элементов ри- сунка, формируемого на слое фоторезиста. Между ФШ и подложкой даже при контакте всегда имеется некоторый зазор h, обусловленный их взаимной неплоскостностью. Необходимо также принимать в рас- чет толщину слоя ФР, так при воспроизведении элементов малых раз- меров она соизмерима с ними. Фактически зазор между ФШ и под- ложкой может достигать 20 мкм. Дифракция излучения при прохожде- нии его через фотошаблон с рисунком в виде периодической решетки с прозрачными и непрозрачными участками равной ширины b приво- дит к перераспределению интенсивности излучения I на поверхности фоторезиста (рис.2.12). Из-за дифракции на краях непрозрачных участков шаблона осве- щенность фоторезиста оказывается неравномерной, причем свет про- никает и в область геометрической тени. Неравномерность освещенно- сти приводит к тому, что после проявления элементы в слое фоторези- ста имеют нерезкий контур - появляется вуаль. В теории дифракции выделены три случая дифракционного пере- распределения излучения. Вид дифракционной картины зависит от величины волного параметра P : b h P × = l Случай Френеля ( ) 1 << P реализуется, когда размеры элементов b достаточно велики и мал зазор h (плотный контакт) или мала l. Рас- пределение интенсивности излучения на плоскости подложки будет аналогично рис.2.12. 28 Рис.2.12. Схема переноса изображения при контактной ФЛ (а) и перераспределение интенсивности излучения на поверхности ФР (б): 1 - поток УФ-излучения; 2 - фотошаблон; 3 - рисунок в маскирующем слое ФШ; 4 - слой фоторезиста; 5 - подложка; I, II - зоны идеальной и фактической передачи изображения Переходной случай ( ) 1 » P . Колебания интенсивности охватыва- ют всю область, соответствующую изображению прозрачного участка, а также наблюдаются и в области непрозрачных участков. В зависимо- сти от величины P в середине дифракционной картины может быть как максимум, так и минимум интенсивности. Дифракция Фраунгофера реализуется при малых размерах элемен- тов или большом зазоре между ФШ и подложкой ( ) 1 >> P . Этот слу- чай соответствует проекционной фотолитографии. Против середины прозрачного участка щели находится основной максимум интенсивно- сти, который тем сильнее размазан, чем уже щель (рис.2.13). Расстоя- ние от центра дифракционной картины до первого минимума растет с уменьшением b. Центральный максимум I при этом расширяется и уменьшается в высоте. При b= l первый максимум уходит в бесконеч- ность. a) б) h b I 29 Рис.2.13. Дифракционное перераспределение интенсивности излучения для узкой и широкой щели Поскольку распределение энергии излучения, падающего на плен- ку ФР, равно распределению интенсивности излучения, умноженному на время экспонирования, то край изображения на ФР определяется краями дифракционной картины в положении, где энергия экспониро- вания равна пороговому значению энергии для резиста. Это вызывает изменения размеров элементов изображения на резисте. Другим фактором, ограничивающим разрешающую способ- ность контактной ФЛ, является расходимость пучка излучения в системе экспонирования и многократное его отражение от поверх- ностей ФШ и слоя ФР. При наличии зазора h между ФШ и подлож- кой наблюдается по сравнению с размером на ФШ увеличение светлых (экспонируемых) областей, пропорциональное углу расходимости a пучка излучения и равное ha 2 , т.е. a h b b 2 min + = . Уменьшить это изменение можно путем использования специальных конденсорных линз, позволяющих получать параллельный пучок излучения с углом a, близким к нулю. Другим нежелательным эффектом, связанным с прохождением света через окно в ФШ под углом, отличающимся от прямого по от- ношению к поверхности слоя ФР, является многократное отражение в системе ФШ-слой ФР. Это вызывает паразитное экспонирование до- полнительной области и приводит к изменению размеров элементов. Для уменьшения влияния этого явления на хромовый маскирующий слой наносят специальные оптические низкоотражающие покрытия в виде пленок оксидов хрома. Коэффициент отражения слоя хрома для излучения с l=436 нм равен 0,65-0,75, а для низкоотражающих покры- тий он равен 0,05-0,08. Это резко снижает паразитную засветку. При- менение в качестве маскирующего слоя фотошаблона на основе оксида I 2 1 30 железа также повышает разрешающую способность, так как его коэф- фициент отражения примерно равен 0,25-0,3. Поскольку слой ФР является прозрачным и оптически однород- ным и лежит на отражающей поверхности, то при освещении его све- том наблюдаются интерференционные эффекты. Это вызывает за- светку слоя ФР по толщине. Этот эффект зависит от толщины ФР. Таким образом, учитывая, что при фотолитографии большую роль играют дифракционные и интерференционные явления, для увеличения ее разрешающей способности необходимо, чтобы тол- щина слоя ФР и длина волны света были минимальны. Кроме то- го, при контактной ФЛ следует использовать ФШ с маскирующим слоем, обладающим малой отражающей способностью, а зазор ме- жду ними и подложками должен быть минимален. Качество оптического изображения проекционной ФЛ определяет- ся разрешающей способностью объектива, т.е. возможностью объек- тива разрешать последовательность прозрачных (a) и непрозрачных (b) полос (дифракционную решетку). Дифракционная решетка характери- зуется пространственной частотой b a + = 1 n Вследствие дифракционных искажений пространственная модуля- ция оптического излучения приобретает синусоидальный характер с максимальной I max и минимальной I min интенсивностями света (см.рис.2.12). Объектив характеризуется модуляционной передаточной функцией (МПФ), которая определяется как min max min max I I I I МПФ + - = Объектив может передавать изображение до определенной часто- ты. Максимальная частота решетки, которая может быть передана ко- герентной передаточной системой, равна l n NA = max , для некоге- рентной l n NA 2 max = Модуляционная передаточная функция для когерентной системы остается равной 1 вплоть до нормированной частоты 5 , 0 / max = n n ( n max для некогерентной системы), затем МПФ резко падает до 0 (рис.2.14а). 31 Рис. 2.14. МПФ в зависимости от нормированной частоты решет- ки: а - когерентная; б - некогерентная; в - частично-когерентная системы Когерентная оптическая система создает изображение дифракци- онной решетки в равной степени до тех пор, пока шаг решетки не ста- нет равным максимальной частоте когерентной системы. В этом слу- чае изображение получить нельзя. Для некогерентной системы МПФ монотонно уменьшается до ну- ля при нормированной частоте 1 / max = n n (рис.2.14 б). Кроме того, она может быть рассчитана по формуле ïþ ï ý ü ïî ï í ì ú ú û ù ê ê ë é ÷÷ ø ö çç è æ - - = 2 / 1 2 max max max 1 arccos 2 n n n n n n p МПФ Для того, чтобы получить в резисте систему равных линий и про- межутков шириной 1 мкм, необходимо, чтобы значение МПФ объек- тива на соответствующей частоте было не менее 0,6. Модуляция в 60 % соответствует I max =80 % и I min =20 % интенсивности света, пропу- щенного элементами объектива. При МПФ=0,6 допускается 20%-ное недоэкспонирование резиста. Из рис.2.14 следует, что с помощью пол- ностью некогерентных систем можно создавать изображение дифрак- ционной решетки с шагом, в два раза меньшим, чем при использова- нии когерентных систем (МПФ=0,6). Однако с увеличением простран- ственной частоты контраст изображения монотонно уменьшается. По этой причине в оптических экспонирующих устройствах используют МПФ 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 n / n max а б в 32 частично когерентное освещение (рис.2.14 в). Это позволяет повысить разрешение изображения и одновременно избежать образования “ко- лец изображения”, что обычно имеет место при использовании коге- рентного освещения. Таким образом, надо сделать выбор между уменьшением минимального размера элемента и повышением резко- сти изображения. Кроме МПФ объектива нужно учитывать МПФ самого резиста. При формировании субмикронных размеров объектив с любой МПФ не позволит выйти за пределы того технологического минимума, кото- рый определяется МПФ резиста. Ввели понятие критической МПФ резиста (КМПФ). Минимально воспроизводимый размер объектива и резиста опре- деляется следующим условием: МПФ объектива должно быть больше КМПФ резиста. Большинство резистов имеют КМПФ порядка 0,6 и тогда при МПФ объектива, равной 0,8, можно получить разрешение порядка 1 мкм. Если МПФ объектива равна 0,6, то потребуются высококонтраст- ные резисты. |