3. Методы литографии

3.1. Фотолитография

Фотолитография (ФЛ) – это сложный технологический процесс, основанный на использовании необратимых фотохимических явлений, происходящих в нанесенном на подложки слое фоторезиста при его обработке ультрафиолетовым излучением через маску (фотошаблон).

Фотошаблоны являются основными инструментами фотолитогра­фии, с их помощью производится локальное облучение фотослоя в со­ответствии с топологией микросхемы. Фотошаблон для изготовления структур микросхем - плоскопараллельная пластина (или гибкая пленка) из прозрачного для актиничного излучения материала с на­несенным на ее рабочую поверхность непрозрачным пленочным рисун­ком, соответствующим топологии одного из слоев структуры микрос­хемы и многократно повторенным со строго определенным шагом в пределах рабочей области пластины (или пленки).

Для основы фотошаблонов применяют оптическое боросиликатное стекло или полимерные пленки, которые хорошо обрабатываются и не изменяют свойств под действием излучения. Для выполнения рисунка применяют галоидно-серебряную фотографическую эмульсию (эмульси­онные фотошаблоны), металлы (металлизированные фотошаблоны) и по­лупрозрачные для видимого света оксиды или другие материалы.

При проекционной литографии (рис.3.1,б) изображение с фотошаблона пере­носится (проецируется) на полупроводниковую подложку с помощью оптических систем - проекционных объективов. Разрешающая способ­ность проекционной фотолитографии 0,6-0,8 мкм. Достоинство проек­ционной литографии по сравнению с контактной состоит прежде всего в том, что исключается контакт фотошаблона и полупроводниковой подложки, приводящей к образованию в них дефектов, кроме того, обеспечивается более низкая плотность дефектов в формируемой мас­ке фоторезиста.

Технологический процесс фотолитографии можно разделить на три стадии:

- формирование фоторезистивного слоя (обработка подложек для их очистки и повышения адгезионной способности, нанесение фоторезиста и его сушка);

- формирование защитного рельефа в слое фоторезиста (совмещение, экспонирование, проявление и сушка слоя фоторезиста, т.е. его задубливание);

- создание рельефного изображения на подложке (травление технологического слоя – пленки SiO₂, Si₃N₄, металла, удаление слоя фоторезиста, контроль).

Оптические эффекты при фотолитографии. При переносе изобра­жения с фотошаблона на слой фоторезиста дифракция на краях маски фотошаблона вызывает искажение элементов рисунка, формируемого на слое фоторезиста. Свет, обладая волновой природой, претерпевает дифракционное перераспределение на освещаемом объекте. В качестве такого объекта при контактной фотолитографии выступает фотошаблон. При проекционной фотолитографии следует также учитывать искажения светового фронта, возникающие при передаче изображения через проекционный объектив.

Схема переноса изображения при контактной фотолитографии по­казана на рис. 3.1,а. Одним из факторов, ограничивающих разрешаю­щую способность, является дифракция актиничного излучения при прохождении его через светлые участки (окна) в маскирующем слое фоторезиста.

Рис.3.1. Схема экспонирования в оптической фотолитографии: а) – контактный способ; б) – проекционный способ; 1 – источник света; 2 – конденсор; 3 – фотошаблон; 4 – подложка с фоторезистом; 5 – светофильтр; 6 – проекционный объектив

Перераспределение интенсивности I актиничного излу­чения на поверхности фоторезиста после прохождения через фотошаб­лон с рисунком в виде периодической решетки с прозрачными и неп­розрачными участками равной ширины b и при зазоре между шаблоном и подложкой z в условиях освещения параллель­ным пучком света ограничивает минимальный размер элемента рисунка

b_min = 1,5[(z + h/2)]^1/2,

где  - длина волны актиничного излучения; h - толщина слоя фото­резиста.

Обычно фоторезисты чувствительны в области длин волн пример­но 0,4 мкм. При толщине его слоя около 1 мкм и зазоре z = 0 (жесткий контакт) минимальный размер переносимого элемента b_min~0,7 мкм. Разрешающую способность можно увеличить, уменьшив толщину слоя фоторезиста. В реальных условиях зазор z значитель­но отличается от нуля, что приводит к более сложной зависимости разрешающей способности. Так, на дифракционное перераспределение интенсивности излучения существенно влияет размер переносимого элемента.

Дифракционные эффекты. В теории дифракции выделены три слу­чая дифракционного перераспределения актиничного излучения при прохождении его через отверстие в экране. Основным критерием яв­ляется волновой параметр

P = (z)^1/2/D,

где z - расстояние до плоскости наблюдения (в нашем случае - за­зор между фотошаблоном и подложкой); D - размер элемента на фото­шаблоне.

Рассмотрим три случая дифракционного перераспределения ин­тенсивности излучения в зависимости от значения волнового пара­метра Р.

Случай Френеля (Р<1) реализуется, когда размеры D топологи­ческих элементов достаточно велики и мал зазор z фотошаблон - подложка (плотный контакт) или мала длина волны актиничного излу­чения (коротковолновое излучение – ультрафиолетовое, рентгеновское). При этом дифракционное пере­распределение занимает малую пограничную область (рис.3.2,а), а искажения интенсивности засветки и формы элемента минимальны.

Переходный случай (Р~1) характеризуется тем, что дифракцион­ная картина занимает всю область засветки и искажения формы эле­мента могут достигать максимальных значений (рис.4.2,б).

Случай Фраунгофера (Р>1) реализуется при малых размерах эле­ментов или большом зазоре между фотошаблоном и подложкой. Макси­мальное искажение интенсивности засветки сопровождается тем, что ее максимум всегда лежит в центре. Можно подобрать такие условия экспонирования, при которых элементы переносятся с небольшими ис­кажениями размеров при фиксированном зазоре - фотолитография на зазоре (рис.4.2,в) При этом зазор и расходимость пучка света от источника актиничного излучения должны быть строго фиксированы.

Эффекты геометрической оптики. Основной фактор, ограничиваю­щий разрешающую способность контактной фотолитографии, обусловлен расходимостью пучка актиничного излучения в системе экспонирова­ния и многократными отражениями от поверхностей фотошаблона и слоя фоторезиста.

Рис.3.2. Дифракционное перераспределение интенсивности акти­ничного излучения в зависимости от значения волнового пара­метра Р: а - случай Френеля, б - переходный случай, в - слу­чай Фраунгофера: 1 - экран (шаблон), 2 - область засветки, 3 - пограничная область

Изменение размера переносимого элемента при расходимости пучка актиничного излучения при экспонировании показано на рис.3.3. При наличии зазора z между фотошаблоном и подложкой наб­людается по сравнению с фотошаблоном увеличение светлых (экспони­руемых) областей D до D1, пропорциональное углу расходимости a пучка актиничного излучения и равно6е 2za. Применение специальных конденсорных систем освещения позволяет строго контролировать угол расходимости.

Рис.3.3. Изменение размера пере­носимого элемента при расходи­мости пучка актиничного излуче­ния в системе экспонирования и зазоре между фотошаблоном и под­ложкой: 1 - поток актиничного излучения, 2 - фотошаблон, 3 - слой фоторезиста, 4 - подложка

Пучок света, прошедший через окно в фотошаблоне под углом, отличающимся от прямого по отношению к поверхности слоя фоторе­зиста, многократно отражается в системе фотошаблон - слой фоторе­зиста (рис.3.4).

Рис.3.4. Многократные отражения в системе фотошаблон - слой фо­торезиста: 1 - расходящийся пу­чок актиничного излучения, 2 - область паразитной засветки, 4 - слой фоторезиста, 5 - подложка

Для уменьшения влияния этого явления на хромовый маскирующий слой фотошаблона наносят специальные оптические низкоотражающие покрытия в виде пленок оксидов хрома, имеющие соответствующую ин­терференционную окраску. Коэффициент отражения используемого в качестве маскирующего покрытия фотошаблонов слоя хрома для акти­ничного излучения с длиной волны  = 436 нм примерно равен 0,65 - 0,75, а низкоотражающих покрытий составляет 0,05 - 0,08. Это рез­ко снижает паразитную засветку и увеличивает прецизионность при переносе изображения.

Применение в качестве маскирующего слоя фотошаблона пленки оксида железа также повышает разрешающую способность, так как ее коэффициент отражения примерно равен 0,25-0,3.

Интерференционные эффекты. Слой фоторезиста на подложке мож­но рассматривать как однородный оптический слой на отражающей по­верхности. Известно, что такие слои в зависимости от толщины при освещении белым светом имеют характерную интерференционную окрас­ку, обусловленную интерференционным погасанием определенных длин волн.

Актиничное излучение, используемое в проекционной фотолитог­рафии, близко по спектральному составу к монохроматическому. При экспонировании фоторезиста пучком монохроматического света в его слое возникает стоячая волна (рис.3.5), обусловленная взаимодействием (ин­терференцией) падающей волны и отраженной от границы раздела фо­торезист - подложка.

Если фоторезист нанесен на слой диэлектрика, это явление мо­жет быть более сложным, так как отражение волны излучения проис­ходит на границе диэлектрик - подложка. Взаимодействуя, падающая и отраженная волны приводят к перераспределению интенсивности засветки в слое фоторезиста, что вызывает как бы послойное усиле­ние и ослабление экспонирования. Причем, как уже отмечалось, эта картина будет изменяться в зависимости от толщины и оптических характеристик слоя фоторезиста и диэлектрика.

Рис.3.5. Стоячая волна в слое фоторезиста: 1 – слой фоторезиста; 2 – отражаю­щая подложка; 3, 4 – падающая и отраженная волны актиничного излучения; 5 – распределение дозы актиничного излучения по слою позитивного фоторезиста; 6 – клин проявления фоторезиста

Для получения воспроизводимых результатов при проекционной фотолитографии особенно важно, чтобы слои фоторезиста и диэлект­риков было высокооднородными по толщине.

В современной проекционной фотолитографии используются опти­ческие системы, работающие в условиях дифракционных ограничений. Это означает, что конструкция и технология изготовления проекци­онных объективов настолько совершенны, что их характеристики (разрешающая способность, точность воспроизведения размеров эле­ментов) в основном определяются дифракционными эффектами, обус­ловленными значениями апертур, а не аберрациями.

Важнейшим параметром, характеризующим фотолитографические характеристики проекционного объектива, является числовая апертура NA = nsin (где n – коэффициент преломления среды в пространстве изображения; в воздухе n1;  - половина максимального угла расходимости лучей, приходящих в точку изображения на оптической оси проекционной системы).

Для устранения хроматических аберраций используют мощный источник монохроматического актиничного света, в качестве которого может служить ртутная лампа сверхвысокого давления ДРШ-350 или ДРШ-500 (буквы обозначают Д – дуговая, Р – ртутная, Ш – шаровая, а цифры указывают номинальную электрическую мощность). Создают монохроматическое излучение с помощью специальных монохроматических полосовых фильтров и избирательно отражающих зеркал.

В условиях монохроматического и когерентного освещения разрешающая способность проекционной системы b_min = /(2NA), где  - длина волны актиничного излучения. Из этой формулы видно, что чем меньше длина волны актиничного излучения и больше числовая апертура объектива, тем выше его разрешающая способность, т.е. меньше размер передаваемого элемента изображения.

Существует еще один параметр проекционной системы – ее глубина резкости. Для компенсации аберраций оптической системы, искривления поверхности полупроводниковых подложек и изменения толщины слоя фоторехзиста на их поверхности из-за сформированного технологического рельефа необходима глубина резкости  = /[2(NA)²]. Из этой формулы видно, что чем больше числовая апертура, а это необходимо для увеличения разрешающей способности проекционной системы, тем меньше ее глубина резкости.

Неправильная фокусировка может существенно влиять на качество передачи изображения проекционным методом. Поэтому проекционные установки снабжают высокоточными устройствами автофокусировки с точностью установки фокусного расстояния не хуже  0,2 мкм.

Правильная фокусировка, а также точная доза экспозиции – обязательные условия прецизионного переноса изображения на слой фоторезиста при проекционной фотолитографии.

Таким образом, видно, что необходим компромисс между разрешающей способностью, глубиной резкости, полем изображения и выбором числовой апертуры объектива.

Одним из способов получения наиболее высокой разрешающей способности проекционных систем при постоянной числовой апертуре является уменьшение длины волны актиничного излучения. Обычно в проекционных системах используют монохроматическое излучение с длиной волны от 400 до 440 нм. С одной стороны, при создании объективов, предназначенных для работы при более коротковолновом излучении, возникают значительные трудности, обусловленные возрастанием коэффициентов поглощения оптических стекол. С другой стороны, разрешающая способность проекционных оптических систем при уменьшении длины волны излучения повышается, так как более коротким длинам волны излучения повышается, так как более коротким длинам волн соответствуют меньшие аберрационные искажения.

Реальные результаты при использовании проекционных систем во многом определяются технологическими факторами, к которым в первую очередь необходимо отнести толщину слоя фоторезиста, равномерность его нанесения по рабочему полю полупроводниковых подложек и их плоскостность.

Фоторезисты - это светочувствительные материалы с изменяю­щейся под действием света растворимостью, устойчивые к воздейс­твию травителей и применяемые для переноса изображения на подлож­ку.

Фоторезисты, у которых растворимость освещенного (экспониро­ванного) участка уменьшается, называют негативными, а раствори­мость которых после облучения возрастает - позитивными.

Фоторезисты являются многокомпонентными мономерно-полимерны­ми материалами, в состав которых входят: светочувствительные (по­ливинилциннаматы - в негативные фоторезисты и нафтохинондиазиды - в позитивные) и пленкообразующие (чаще всего это различные фенол­формальдегидные смолы, резольные и новолачные смолы) вещества, а также растворители (кетоны, ароматические углеводороды, спирты, диоксан, циклогексан, диметилформамид и др.).

В процессе фотолитографии фоторезисты выполняют две функции: с одной стороны, являясь светочувствительными материалами, они позволяют создавать рельеф рисунка элементов, а с другой, обладая резистивными свойствами, защищают технологический слой при трав­лении.

В основе создания рельефа в пленке негативных фоторезистов лежит использование фотохимической реакции - фотополимеризации, а в пленке позитивных фоторезистов - реакции фотолиза.

При фотополимеризации происходит поперечная сшивка молекул полимера, в результате чего они укрупняются. После экспонирования под действием актиничного излучения изменяется структура молекул полимера, они становятся трехмерными и их химическая стойкость увеличивается.

При фотолизе в фоторезисте под действием актиничного излуче­ния у молекул полимера происходит обрыв слабых связей и образуются молекулы менее сложной структуры. Получающийся в результате фото­лиза полимер обладает пониженной химической стойкостью.

Негативные фоторезисты под действием актиничного излучения образуют защищенные участки рельефа. После термообработки - за­дубливания - в результате реакции фотополимеризации освещенные при экспонировании участки не растворяются в проявителе и остают­ся на поверхности подложки. При этом рельеф представляет собой негативное изображение элементов фотошаблона.

В качестве негативных фоторезистов применяют составы на ос­нове сложного эфира поливинилового спирта

[- CH₂ - CH -]ⁿ

|

OH

и коричной кислоты

C₆H₅ - CH = CH - COOH.

Эти составы называют поливинилциннаматами (ПВЦ) и их формула име­ет вид

R₁ - [O - R₂]_n,

где R₁ - макромолекула поливинилового спирта, содержащая большое количество атомов; R₂ - светочувствительные циннамоильные группы, представляющие собой продукты коричной кислоты.

Молекулы ПВЦ представляют собой длинные спирали, состоящие из десятков тысяч атомов (молекулярная масса до 200 тыс.ед). При поглощении фотонов в результате фотохимической реакции фотополи­меризации происходит разрыв слабой двойной связи - С = С - цинна­моильной группы и образовавшиеся свободные связи сшивают молекулы полимера в химически стойкую трехмерную структуру.

Позитивные фоторезисты, наоборот, передают один к одному ри­сунок фотошаблона, т.е. рельеф повторяет конфигурацию его непроз­рачных элементов. Актиничное излучение так изменяет свойства по­зитивного фоторезиста, что при обработке в проявителе экспониро­ванные участки слоя разрушаются и вымываются. В позитивных фото­резистах при освещении происходит распад молекул полимера и уменьшается их химическая стойкость.

В качестве позитивных фоторезистов используют смеси нафтохи­нондиазидов (НХД) с фенолформальдегидными смолами (новолачными или резольными) в органических растворителях. Светочувствительной основой такого фоторезиста является НХД, а смола играет роль кис­лотостойкого полимера. При экспонировании в результате фотохими­ческой реакции фотолиза гидрофобные (гидрофобность - неспособ­ность вещества смачиваться водой) производные НХД разрушаются и становятся гидрофильными (гидрофильность - способность вещества смачиваться водой), приобретая способность растворяться в слабых водных растворах щелочей, которые и являются проявителем для по­зитивных фоторезистов.

Растворителями позитивных фотрезистов являются спирты, кето­ны, ароматические углеводороды, диоксан, ксилол или их смеси.

Основные параметры фоторезистов: светочувствительность, разрешающая способность, кислотостойкость, адгезия к подложке и тех­нологичность.

Светочувствительность S, см²/(Втс), - это величина, обрат­ная экспозиции, т.е. количеству световой энергии, необходимой для облучения фоторезиста, чтобы перевести его в нерастворимое (нега­тивный) или растворимое (позитивный) состояние:

S = 1/H = 1/(Et),

где H - экспозиция Втс/см²; E - энергооблученность, Вт/см²; t - длительность облучения, с.

Критерием светочувствительности фоторезиста служит четкость рельефа рисунка в его слое после проведения процессов экспониро­вания и проявления. При этом рельеф рисунка должен иметь четко очерченную границу между областями удаленного и оставшегося на поверхности подложки слоя фоторезиста.

Фоторезисты характеризуются пороговой светочувствительностью S_п = 1/Н, определяемый началом фотохимической реакции.

Разрешающая способность фоторезиста определяется числом ли­ний равной ширины, разделенных промежутками такой же ширины и умещающихся в одном миллиметре.

Следует различать разрешающую способность фоторезиста и раз­решающую способность процесса фотолитографии, которая зависит от режимов травления. На практике необходимо ориентироваться на раз­решающую способность фотолитографического процесса.

Разрешающая способность лучших современных фоторезистов дос­тигает 1500-2000 линий/мм.

Кислотостойкость - это способность фоторезиста защищать по­верхность подложки от воздействия кислотного травителя. Критерием кислотостойкости является время, в течение которого фоторезист выдерживает действие травителя до момента появления таких дефек­тов, как частичное разрушение, отслаивание от подложки, локальное точечное растравливание слоя или подтравливание его на границе с подложкой.

Стойкость фоторезиста к химическим воздействиям зависит не только от состава, но и от толщины и состояния его слоя. Поэтому кислотостойкость оценивают фактором травления К =h/x, (где h - глубина травления; х - боковое подтравливание). Таким образом, чем меньше боковое подтравливание при заданной глубине, тем выше кислотостойкость фоторезиста.

Адгезия - это способность слоя фоторезиста препятствовать проникновению травителя к подложке по периметру создаваемого рельефа рисунка элементов. Критерием адгезии является время отры­ва слоя фоторезиста заданных размеров от подложки в ламинарном потоке проявителя.

3.2. Электронная литография

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

 = h/(2meU)^1/2 ~ 1,24/U^1/2, (1.20)

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

А при ускоряющих напряжениях от 10² до 10⁴ В 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.