Лабораторная работа №2

Изучение, исследование и моделирование процесса контактной и проекционной фотолитографии при формировании конфигурации элементов электронно-оптических устройств. Цель работы:

Изучить процесс формирования конфигурации (рисунка) интегральных схем путем фотолитографической гравировки слоя, нанесенного на поверхность подложки, применяемыми для реализации данного процесса.

1.Введение

Фотолитографией в технологии микроэлектроники называют процесс получения микрорисунка слоев ИЭОТ требуемой конфигурации фотохимическим способом. Процесс литографии занимает особое место в технологии микроэлектроники, особенно в планарной технологии изготовления БИС и СБИС. Дальнейшее развитие технологии СБИС требует перехода к созданию тонкопленочных элементов микронных и субмикронных размеров, что немыслимо без совершенствования существующих и разработки новых методов литографии.

По роду воздействующих энергетических частиц на фоторезист следует различать оптические и неоптические методы литографии.

К первой группе относятся: контактная и проекционная фотолитография, а также голография.

К второй группе относятся электронно -, ионно-лучевая и рентгенолитография.

2. Контактная фотолитография

При контактной фотолитографии фотошаблон на установке совмещения и экспонирования с помощью специального приспособления плотно прижимают к пленке фоторезиста, после чего экспонируют пучком параллельных ультрафиолетовых лучей. Надо сказать, что широко распространенный в полупроводниковой промышленности метод контактной фотолитографии не может удовлетворять современным требованиям. Во-первых, множество промежуточных этапов передачи изображений: первичный фотооригинал – эталонный фотошаблон – полупроводниковая пластина – приводит к нарастанию плотности дефектов и снижению качества изображения. Во-вторых, контакт рабочего фотошаблона с полупроводниковой пластиной постепенно выводит из строя фотошаблон – дорогостоящий инструмент планарной технологии. И, наконец, в-третьих, предельные возможности контактной фотолитографии по разрешающей способности составляют 1,25- 0.8 мкм. Однако дифракция света в слое фоторезиста и в зазоре между пластиной и фотошаблоном снижает разрежающую способность, что является основным ограничивающим фактором фотолитографии при создании СБИС.

3. Проекционная фотолитография

Изображение фотошаблона проецируется на пластину через специальный объектив с высокой разрешающей способностью. Основное преимущество проекционной фотолитографии заключается прежде всего, в отсутствии механического контакта фотошаблона с пленкой фоторезиста. Проекционная фотолитография упрощает процесс совмещения, повышает его точность и снижает затрачиваемое время.

Проекционная фотолитография позволяет получать минимальную ширину линий 0.6-0.8 мкм и более высокий процент выхода годных. Существуют некоторые трудности в создании оптических систем, обеспечивающих равномерное освещение и однородное разрешение на большой площади. Кроме того, высокая стоимость установок (по сравнению с контактными) и необходимость высококвалифицированного обслуживания накладывает ограничения на широкое использование данного метода в промышленности. В настоящее время проекционная фотолитография применяется в основном при изготовлении сложных приборов, особенно с большой площадью (БИС, ЗУ, СБИС, микропроцессоров).

Существует три основных способов проекционной литографии:

- одновременная передача всех элементов, входящих в фотошаблон, на поверхность полупроводниковой пластины, покрытой слоем фоторезиста;

- поэлементный “шаговый ” перенос изображения на пластину, покрытую фоторезистом;

- вычерчивание изображения на пластине тонким лучом электронов, управляемым от ЭВМ.

Проекционные системы по принципу формирования изображения могут быть разделены на системы, одновременно формирующие изображение на всем поле; сканирующие системы (последовательное экспонирование).

Проекционные системы, формирующие изображение на всем поле, могут обеспечить высококачественное изображение только при наличии плоской подложки со светочувствительной пленкой (неплоскостность не должна превышать единиц микрометра по всей поверхности) и поэтому применяются ограниченно при формировании различных изображений на плоских стеклянных подложках, в частности для фотошаблонов ИС.

В проекционных сканирующих системах получение микроизображений осуществляется путем последовательного формирования изображения, построения его по частям некоторым ограниченным полем, что обеспечивает более высокую разрешающую способность и соответствующую каждому участку экспонирования фокусировку изображения. Формирование изображения этими методами может осуществляться без масштаба и с некоторым уменьшением. Наибольшее распространение получили масштабы 1:4; 1:5; 1:10; 1:15.

Сканирование изображения может вестись непрерывно, без остановок и в прерывистом режиме, когда в момент экспонирования никаких перемещений не происходит. Сканирование может проводиться как по одной координате, т.е. с разверткой только в одном направлении щелью или полосой, равной поперечному размеру поля изображения, так и по двум координатам.

Наибольшее распространение получил стартстопный метод со сканированием по двум координатам, являющийся в настоящее время один из наиболее прогрессивных методов формирования микроизображения непосредственно на подложке. Метод заключается в последовательном экспонировании отдельных полей изображения, соответствующих ИС (модулям), причем операция мультипликации изображений по всему полю проводится с использованием объекта, увеличенного в 5…15 раз (оптимальный масштаб 10…1), что позволяет повысить точность формирования изображения.

Используют стартстопный проекционный метод с перемещением по одной координате и с масштабом изображения 1:1. Здесь объект представляет собой не отдельное увеличенное изображение ИС, как в предыдущем случае, а ее предварительно мультиплицированное и приведенное к масштабу 1:1 изображение. Перемещаться могут либо объектив между неподвижно размещенными относительно друг друга предметом и подложкой с изображением, либо предмет и подложка при неподвижном объективе. При наличии кривизны подложек необходима фокусировка, разрешающая способность метода не менее 2 мкм.

Для устранения ограничений, накладываемых кривизной пластин, используют системы для проекционного пошагового переноса изображения в масштабе 1:1 с разверткой по двум координатам. Недостатком их является изготовление предварительно мультиплицированного объекта (эталонного ФШ), снижающего точность совмещения изображений различных слоев.

Достоинством рассматриваемых систем являются:

- отсутствие хроматических аберраций, а, следовательно, высокое качество изображения и возможность использовать свет с различной длиной волны, включая короткий ультрафиолетовый диапазон с 200…300 нм, где создание линзовых систем затруднено из-за отсутствия необходимых стекол;

- меньшее рассеивание света, что является одним из определяющих факторов, влияющих на качество изображения современных оптических систем для фотолитографии.

Такие системы позволяют получать размеры элементов до 2 мкм на полях 100x100 мм при искажениях (дисторсии) ± 0.25 мкм, а при переходе на более коротковолновое излучение 200…250 нм разрешением подобных систем может быть, увеличено до 1 мкм.

На качество изображения при проекционном методе формирования микроизображений влияют характеристики:

- источника излучения (спектральный состав, длительность импульса, апертура, степень когерентности);

- осветительной системы (равномерность освещенности, степень и форма заполнения зрачка);

- объекта (размеры, взаиморасположение, форма элементов, контраст);

- объектива (аберрации, апертура, светорассеяние);

- светочувствительного материала (спектральная чувствительность, толщина и ее равномерность, разрешающая способность, коэффициент отражения пленки, вид и форма характеристической кривой, контраст);

- среды и условий работы системы (температурные условия, турбулентность среды вибрации);

Эти факторы необходимо учитывать при оценке возможностей метода, разработке оборудования и технологических процессов.

К установкам проекционной литографии предъявляются следующие технические требования:

- высокая разрешающая способность при возможно больших рабочих полях изображения объектива;

- качество изображения в пределах рабочего поля объектива должно приближаться в принципе к безаберрационному (волновые аберрации не превышающие 0.25);

- высокая точность совмещения последовательно проецируемых на пластину изображений (не хуже 0.2-0.5 мкм);

- высокая производительность установок (не мене 30 пластин в час) с высокой степенью автоматизации.