15.6. Физико-химические основы процессов нанесения, экспонирования, проявления Подготовка поверхности подложки

От механического состояния поверхности подложки зависит точность получения рисунка. Неровности поверхности подложки (бугорки, впадины, канавки) вызывают искажение рисунка, а также являются причиной появления разрывов в пленке фоторезиста.

Необходимое качество поверхности подложек обеспечивается на начальных стадиях их изготовления механической обработкой: резкой слитков на пластины, шлифовкой и полировкой пластин, в результате которой их поверхность доводится до зеркального блеска и приобретает идеальную плоскостность и плоскопараллельность.

Физико-химическое состояние поверхности подложек влияет на ее смачиваемость и адгезию фоторезиста. Поэтому на рабочих поверхностях подложек не должно быть инородных частиц, а также адсорбированных атомов и ионов жидкостей и газов.

Качество передачи рисунка на подложку зависит в основном от адгезии фотослоя к подложке и от способности травителя проникать под этот слой по границам окон. Адгезия фотослоя увеличивается с повышением смачивания поверхности подложки фоторезистом. Проникновение травителя под фотослой, приводящее к растравливанию подложки, в свою очередь зависит от смачивания поверхности подложки травителем или водой. Критерием смачиваемости является краевой угол смачивания поверхности твердого тела жидкостью. Оптимально подготовленной к фотолитографии поверхностью является поверхность, которая хорошо смачивается фоторезистом и плохо смачивается водой, т.е. для которой выполняется условие

θ_ф  0^о, θ_в  180^о. (15.31)

Эти условия не противоречат друг другу для большинства фоторезистов, так как они, будучи сами гидрофобными, хорошо смачивают гидрофобные, а не гидрофильные поверхности.

Таким образом, подготовленная к нанесению фоторезиста поверхность должна быть не только очищена от загрязнений, но также должна быть гидрофобной.

Нанесение слоя фоторезиста

Нанесенный на предварительно подготовленную поверхность подложек слой фоторезиста должен быть однородным по толщине, без проколов, царапин и иметь хорошую адгезию.

Для нанесения слоя фоторезиста применяют следующие методы: центрифугирование, пульверизацию, окунание, полив и др.

Метод центрифугированияприменяется для круглых подложек (рис. 15.5). Подложки располагаются на диске центрифуги и удерживаются при вращении вакуумным прижимом. Несколько капель фоторезиста наносят на подложку и мгновенно включают центрифугу, так как вязкость фоторезиста очень быстро меняется в результате испарения растворителей. При включении центрифуги фоторезист растекается по поверхности подложки под действием центробежной силы. Слой фоторезиста толщинойhна границе с подложкой формируется за счет уравновешивания этой силы и силы сопротивления, зависящей от когезии молекул фоторезиста:

, (15.32)

где а– постоянная центрифуги, мин^1/2·мкм;с– содержание сухого вещества в фоторезисте, вес.%;ω– угловая скорость вращения центрифуги, мин^-1.

Для подбора толщины слоя изменяют вязкость фоторезиста. Тонкая регулировка толщины достигается подбором угловой скорости вращения центрифуги ω, которая обычно находится в диапазоне 2000 – 10000 об/мин. В процессе центрифугирования на краю пластины возникает валик фоторезиста, толщина которого

(15.33)

Здесь σ– поверхностное натяжение фоторезиста;R– радиус пластины-подложки;d– плотность фоторезиста.

Рис.15.5. Схема процесса нанесения фоторезиста центрифугированием: 1 – дозатор фоторезиста (капельница); 2 – слой фоторезиста; 3 – подложка; 4 – диск центрифуги; 5 – сборник фоторезиста

Для каждой концентрации фоторезиста существует критическая скорость вращения центрифуги, соответствующая равновесию центробежной и когезионной сил. При превышении этой скорости уменьшения толщины слоя фоторезиста не происходит.

Недостатки метода: невозможность получения равномерных слоев толщиной более 2 – 3 мкм, наличие краевого утолщения, загрязнения слоев из-за захвата пылинок из воздуха при вращении центрифуги, необходимость тщательного контроля и корректировки вязкости фоторезиста из-за испарения растворителей. В пленках, высыхающих при действии центробежных сил, возникают внутренние напряжения. Процесс плохо поддается автоматизации.

Метод пульверизацииоснован на нанесении слоя фоторезиста в виде аэрозоля с помощью форсунки, действующей под давлением сжатого воздуха или инертного газа. Подложки располагаются на расстоянии в несколько сантиметров от форсунки, и фоторезист, осаждаясь в виде капель, покрывает их сплошным слоем. Метод пульверизации позволяет в автоматическом режиме вести групповую обработку подложек.

Достоинства метода: возможность изменения толщины фоторезиста в широких пределах; однородность слоев по толщине; отсутствие утолщений по краям подложек; нанесение фоторезиста на профилированные подложки; сравнительно малый расход фоторезиста; высокая производительность; хорошая адгезия к подложкам (лучшая, чем для центрифугирования).

Методы окунания и поливаявляются простейшими среди всех методов нанесения слоя фоторезиста.

При окунании подложки погружают на несколько секунд в ванну с фоторезистом, а затем с постоянной скоростью вытягивают из нее в вертикальном положении специальными подъемными устройствами и сушат, установив вертикально или наклонно.

Полив фоторезиста на горизонтально расположенные подложки обеспечивает лучшую по сравнению с окунанием однородность слоя по толщине. При этом методе неизбежны утолщения слоя по краям.

Данные методы применяют для нанесения слоя фоторезиста на подложки больших размеров, а также его толстых слоев (до 20 мкм) на обе стороны подложек. Недостаток этих методов – неоднородность слоя фоторезиста по толщине.

При электростатическом методеслой фоторезиста наносят на подложки в электрическом поле напряженностью 1 – 5 кВ/см. Для создания такого поля между подложкой и специальным кольцевым электродом подают постоянное напряжение до 20 кВ. При впрыскивании фоторезиста форсункой в пространство между электродом и подложкой капельки фоторезиста в несколько микрометров заряжаются, летят под действием электрического поля к подложке.

Этот метод имеет высокую производительность и позволяет наносить слой фоторезиста на подложки большой площади. Недостаток – трудность стабилизации процесса и сложность оборудования.