Термообработка проявленных слоев

Термообработка проводится для удаления остатков проявителя, воды, повышения химической стойкости и адгезии фотомаски к подложке. У негативных фоторезистов сушка сопровождается термополимеризацией, у позитивных – разрушением молекул и частичной сшивкой полимерных составляющих. Сушку проводят при температуре 120 – 180 ^оС.

Кислотоустойчивость резиста повышается при задубливании, сопровождающемся полной полимеризацией. Задубливание проводят путем облучения интенсивным ультрафиолетовым светом или путем термической обработки при температуре 200 – 220 ^оС. Чаще применяют второй метод.

15.7. Физические основы электронно-лучевой, рентгено-лучевой, ионно-лучевой и синхротронной микролитографии Электронно-лучевая литография

Электронолитография основана на непосредственном создании или проекционном переносе изображения с помощью пучка электронов. Электронная литография, благодаря малой длине волны ускоренных электронов, отличается практически отсутствием дифракции и, как следствие, высокой разрешающей способностью. Длина волны электрона (нм) определяется соотношением:

 = h/(2meU)^1/2 ~ 1,24/U^1/2,(15.34)

где m, e- масса и заряд электрона;U- ускоряющее напряжение, В.

При ускоряющих напряжениях от 10²до 10⁴В длина волны электрона меняется от 0,1 до 0,001 нм. Практически электронолитография позволяет получать минимальные размеры элементов: 0,2-1 мкм. Предельный размер элемента 0,05 мкм. Системы электронной литографии обладают также высокой глубиной резкости, что снижает требования к плоскостности подложек. Экспонирование выполняется в вакуумных установках, что обеспечивает чистоту процесса и высокую автоматизацию. Передача топологии по алгоритму, заложенному в память ЭВМ, позволяет выполнять экспонирование без применения шаблонов.

В электронной литографии в основном используются два метода экспонирования резиста электронным пучком:

- последовательное экспонирование, при котором экспозиция производится остро сфокусированным электронным лучом, перемещаемым по заданной программе;

- проекционное экспонирование с использованием шаблонов и широкого пучка электронов, при котором облучается сразу вся подложка или ее участок размерами несколько миллиметров.

При последовательном экспонировании применяют три способа формирования электронного луча различного сечения: круглого с гауссовым распределением плотности тока (рис.15.6, а); круглого или квадратного неизменной площади с равномерным распределением плотности тока (рис.15.6, б); прямоугольного переменных (регулируемых) размеров с равномерным распределением плотности тока (рис.15.6, в). Размеры сечения электронного луча могут быть от 0,1 до 10 – 20 мкм.

Рис.15.6. Лучи круглого сечения с гауссовым распределением плотности тока (а), неизменной формы и площади (б) и прямоугольного сечения регулируемых размеров (в) с равномерным распределением плотности тока

В электронно-оптическую систему (рис.15.7), откачиваемую вакуумной системой 7, входят источник электронного луча – электронная пушка 1, диафрагма 2, электромагнитные линзы 3 и 6 (рис.15.8), а также электростатическая 4 и электромагнитная 5 системы отклонения луча.

Электронная пушка 1 служит для создания пучка ускоренных электронов, обладающих энергией, достаточной для воздействия на слой резиста, и состоит из нагреваемого катода, изготовляемого из вольфрама или гексаборида лантана LaB₆, и электродов, формирующих электронный луч и ускоряющих электроны. Применение вольфрама и гексаборида лантана обусловлено их высокой эмиссионной способностью и достаточными сроками службы.

Диафрагма 2 с квадратным отверстием, расположенная вблизи линзы 3, определяет форму сечения электронного луча.

«Включение» и «выключение» (блокирование) электронного луча осуществляется с помощью параллельных отклоняющих пластин 4: при подаче на них напряжения луч отклоняется в сторону от оси оптической системы.

Для сканирования (построчного перемещения) электронного луча по подложке служат две пары электромагнитных обмоток 5, создающих магнитное поле, перпендикулярное лучу (на рис.15.7 показана лишь одна пара обмоток 5, создающих магнитное поле, силовые линии которого параллельны плоскости рисунка).

Для перемещения подложки служит прецизионная, управляемая ЭВМ система 11, положение которой контролируется прецизионным датчиком 12 (лазерным интерферометром) с точностью около 0,1 мкм.

Для совмещения подложки с электронным лучом служат метки совмещения (кресты или прямоугольные полоски), нанесенные на подложку перед электронографией, положение которых определяют датчиком 14 отраженных или вторичных электронов.

Количество отраженных или вторичных электронов зависит от материала тонкопленочного покрытия и рельефа подложки. Датчик отраженных или вторичных электронов, расположенный вблизи подложки, представляет собой включенный в обратном направлении полупроводниковый диод, обратный ток которого возрастает при облучении электронами.

Рис.15.7. Установка электронно-лучевой литографии последовательного экспонирования: 1 – электронная пушка; 2 – квадратная диафрагма; 3 – линза конденсора; 4 – отклоняющие пластины гашения луча; 5 – отклоняющие обмотки; 6 – проекционная линза; 7 – вакуумная система; 8 – электронный луч; 9 – подложка; 10 – вторичные электроны; 11 – система перемещений подложки; 12 – прецизионный датчик перемещений; 13 – устройство ввода информации; 14 – датчик вторичных электронов; 15 – система управления; 16 – диафрагма

При пересечении электронным лучом края метки совмещения на выходе датчика появляется сигнал, который обрабатывается ЭВМ, входящей в систему управления 15. Система управления подает на систему перемещений 11 сигналы, управляющие ее движением.

Рис. 15.8. Электромагнитная линза: 1 – пучок электронов; 2 – электронно-оптическая ось; 3 – магнитопровод; 4 – обмотка электромагнита

Последовательное экспонирование выполняют растровым или электронным сканированием электронного луча по поверхности подложки. При растровом сканировании (рис. 15.9, а) луч построчно «обегает» всю поверхность обрабатываемого участка подложки: автоматически «выключаясь» и «включаясь» в соответствии с заданным рисунком. При векторном сканировании (рис.15.9,б) электронный луч перемещается только по экспонируемым участкам.

Рис.15.9. Растровое (а) и векторное (б) сканирование

Системы с векторным сканированием более производительны, так как не расходуется время на перемещение луча по неэкспонируемым участкам подложки (часто составляющим до 80 - 90% обрабатываемой площади), однако они более сложны по устройству. Разрешающая способность системы последовательного экспонирования 0,2 - 0,5 мкм, размеры обрабатываемого поля до 6х6 мм, длительность экспонирования одного рабочего поля 1 - 5 с.

В проекционной электронолитографии применяют два метода – с сохранением масштаба шаблона (рис.15.10) и с уменьшением (редукцией). В качестве шаблонов используют шаблон-фотокатод либо шаблон из фольги.

Рис.15.10. Установка проекционной электронолитографии с шаблоном-фотокатодом: 1 – фокусирующий соленоид; 2 – корректирующий соленоид; 3 – кварцевая подложка маски фотокатода; 4 – входное окно; 5 – непрозрачный для ультрафиолетового излучения рисунок; 6 – слой палладия; 7 – электронорезист; 8 – загрузочный шлюз; 9 – подложка; 10 – детектор–преобразователь рентгеновского излучения; 11 – световод; 12 – патрубок вакуумной камеры; 13 – шлюз для выгрузки подложек

Шаблон-фотокатод представляет собой кварцевую пластину 3 с непрозрачным рисунком 5, поверх которого нанесен слой 6, служащий фотокатодом-излучателем электронов при засветке. При освещении шаблона ультрафиолетовым излучением кварцевой лампы фотокатод на прозрачных участках испускает электроны, которые ускоряются создаваемым между шаблоном и подложкой постоянным электрическим напряжением 20 – 25 кВ. Слабо расходящиеся или дополнительно фокусируемые внешней магнитной системой 1 и 2 профилированные электронные потоки экспонируют электронорезист 7, покрывающий поверхность подложки 9. Подложки подаются внутрь камеры и удаляются из нее через входной 8 и выходной 13 вакуумные шлюзы. Для эффективной и длительной работы фотокатодов в камере непрерывно поддерживается вакуум на уровне 610^-3 Па.

Основные сложности процесса проекционной литографии заключаются в изготовлении фотокатода-маски и совмещения ее изображения с предварительным рисунком на подложке. Для изготовления фотокатода на кварцевую подложку наносят титановую пленку, которую затем окисляют, получая диоксид титана TiO₂, покрывают ее слоем резиста и экспонируют на электронно-зондовой установке. Используя оставшиеся участки резиста как защитную маску, ионным травлением удаляют незащищенные участкиTiO₂до кварцевой подложки. Затем на всю поверхность напыляют в вакууме слой палладия толщиной 4 – 5 нм.

Ультрафиолетовое излучение с длиной волны 25 – 37 нм эффективно поглощается пленкой TiO₂, а там, где диоксид титана отсутствует, вызывает генерацию фотоэлектронов из слоя палладия.

Совмещение рисунка фотокатода и подложки проводят с использованием дополнительных формируемых на них заранее маркерных знаков. Эти знаки могут иметь вид перекрестий и периодических линий, располагаемых перпендикулярно друг другу, что позволяет выполнять совмещение по двум взаимно перпендикулярным направлениям. Если электронный поток с маркерного знака на фотокатоде бомбардирует поверхность маркерного знака на подложке, то из материала последнего (обычно тантала) генерируется характеристическое рентгеновское излучение. Максимум интенсивности этого излучения соответствует полному совмещению. Рентгеновское излучение детектируется приемниками-преобразователями с обратной стороны подложки, преобразуется в световое и по световодам поступает на ФЭУ. Обычно в период совмещения фотокатод закрывают заслонкой, а излучение электронов происходит в это время только с маркерных знаков катода.

С помощью наружных электромагнитных линз электронные потоки, несущие изображение катода, можно сфокусировать и тем самым редуцировать размеры схемы. В установках с редуцированием 1:10 можно получить элементы с минимальным размером 0,05 мкм. Глубина фокуса магнитных линз составляет 50-100 мкм, поэтому взаимное положение катода и подложки незначительно влияет на результаты обработки.

В качестве позитивного электронорезиста применяют полиметилметакрилат (ПММА), имеющий высокую разрешающую способность (до нескольких нанометров) и чувствительность (около 510^-5 Кл/см²).Применяют ПММА с молекулярными массами от 10⁴до 10⁶. С ростом молекулярной массы чувствительность и разрешающая способность ПММА ухудшаются, но стойкость к травящим средам повышается. Достижимая при электронолитографии разрешающая способность ПММА составляет 0,1 – 0,3 мкм.

Более высокой чувствительностью (до 10^-6Кл/см²) обладают полиолефиносульфоны (сополимеры двуокиси серы с олефинами), в частности полибутенсульфон (ПБС), имеющий разрешающую способность около 0,5 мкм.

Негативные электронорезисты имеют высокую чувствительность (10^-7– 10^-6Кл/см²), однако разрешающая способность их низкая (около 0,5 мкм), так как при облучении электронами происходит сшивка и увеличение размеров молекул полимера. В качестве негативных электронорезистов применяют сополимеры глицидилметакрилата с соединениями винилового и акрилового рядов, сополимеры бутадиена и изопрена.