2.2. Бесконтактная печать

Пространственное разделение фотошаблона и подложки существенно уменьшает количество дефектов, возникающих из-за контакта. Однако дифракция проходящего света уменьшает разрешающую способность и одновременно ухудшает четкость изображения. Степень этих негативных явлений зависит от величины зазора между фотошаблоном и пластиной, который может быть неодинаковым вдоль пластины.

При малых зазорах основным источником искажений являются неровности поверхности пластины (особенно в пластинах большого диаметра), при больших - эффекты дифракции, поэтому возможности этого метода экспонирования характеризуются разрешением порядка 7 мкм (рис. 14.2).

Рисунок 14.2 Геометрия бесконтактного способа печати. Q_D=50/W_M/)

2.3. Проекционная печать

Метод проекционной печати заключается в проектировании изображения фотошаблона на пластину, покрытию фоторезистом, с помощью системы линз с высокой разрешающей способностью. В этом случае шаблон может использоваться неограниченное число раз, исключая случаи его повреждения при эксплуатации, поэтому вполне оправдано применение очень высококачественных шаблонов. Глубина резкости оптической системы должна превышать - 10 мкм, т.е. диапазон, в котором обычно лежат отклонения пластин от идеальной плоскости, обусловленные высокотемпературной обработкой. Это ограничивает апертуру линз и, следовательно, разрешающую способность метода. Кроме того, затруднительно изготовить систему линз, одновременно удовлетворяющую условиям получения высококачественного (ограниченного явлением дифракции) изображения и равномерного освещения всей поверхности пластин, типовой размер которых в настоящее время составляет 10 см. Рассеяние света на оптическим элементах из стекла приводит к необходимости применения позитивных резистов. Обычные проекционные системы позволяют получать изображения с разрешением не менее 5 мкм. При увеличении диаметра пластин использование стационарных проекционных систем становится нецелесообразным.

В сканирующих (или пошаговых) проекционных системах изображение фотошаблона проектируется на определенную часть пластины. В этом случае за один раз Экспонируются гораздо меньшие площадки (порядка 1 см ), и затем экспонирование повторяется после перемещения изображения на соседнюю область пластины.

На рис. 14.3 указаны основные элементы проекционной системы: источник света, система линз, держатель фотошаблона, держатель пластин система совмещения.

Рисунок 14.3 Основные компоненты проекционной системы.

Обычно в фотолитографии используется ультрафиолетовый свет с длиной волны 330-400 нм. Более коротковолновое излучение не применяется, т.к. все известные комбинации фоторезистов, мощные источники света и оптические системы теряют свою эффективность на длинах волн короче 330 нм. Широкое распространение в проекционных системах получили дуговые ртутные лампы со спектром 330-400 нм, дуговые ксеноновортутные лампы и спектральные дейтеривые лампы для проведения литографии в глубокой ультрафиолетовой области.

Х арактеристики оптических систем, используемых в проекционной печати, ограничиваются главным образом явлениями дифракции. Это означает, что проектирование и изготовление оптических элементов должны проводиться таким образом, чтобы их параметры, характеризующие передачу изображения, определялись в основном дифракционными эффектами, связанными с ограниченными апертурами конденсатора и проекционной оптики, а не эффектами аберрации. Основные параметры линз, используемых в проекционных системах, указаны на рис. 14.4.

Параметр	Значение
Фокусное расстояние	f
Диаметр апертуры	D
Число Р	F=f/D
Числовая апертура	NA=nsin=D/2f
Разрешающая способность	1,22F=x
Глубина резкости	±F2=±a

Рисунок 14.4 Основные параметры проекционных линз

Приведем определения основных параметров, характеризующих многоэлементные системы изображения. Числовая апертура (NA) определяется соотношением NA=nsin, где n - коэффициент преломления в пространстве изображения (обычно равный единице), 2 - - максимальный угол при вершине конуса лучей, попадающих в точку изображения на оптической оси проекционной системы (рис. 5). Эффективное число (F) проекционной системы равно F=1/2NA. Можно показать, что F=(1+М)f , где f - значение параметра F для системы с бесконечно удаленным объектом, М - действующее увеличение.

Изображение очень маленькой световой точки, сформированной линзой, имеющей дифракционные искажения, состоит из чередующихся световых колец, окружающих центральное яркое пятно, носящее название диска Эри. Расстояние ω, на котором интенсивность светового диска уменьшается вдвое, определяется выражением ω=0,5/NA=1,0F. Этот параметр в первом приближении соответствует наименьшему размеру, который может быть получен на резистивной пленке с помощью системы, имеющей дифракционные искажения.

Продольная аберация (или ошибка)

a=±n/2(NA)²=±2nF² (14.1)

приводит к возникновению оптической разности пути (ОРП) величиной ±/4 в плоскости изображения. Значение ОРП ±/4 не очень сильно влияет на качество изображения, т.к. при этом теряется лишь 20% светового потока в области диска Эри без каких-либо существенных изменений его диаметра. Параметр а известен как глубина резкости. Для F/3-оптической системы ω=1,2 мкм и а =±7,3 мкм. Несмотря на полезность параметра а, в фотолитографии глубину резкости удобнее определять как диапазон, в котором возможно изменение положения плоскости изображения для получения нужного размера рисунка.

Качество оптического изображения проекционной печати может также характеризоваться функцией модуляции передачи (ФМП), которая представляет собой зависимость степени модуляции интенсивности света в плоскости рисунка от пространственной частоты решетки, используемой в качестве источника изображения (решетка состоит из чередующихся прямоугольных линий, ширина которых равна расстоянию между линиями). На практике кривая ФМП соответствует синусоидальному распределению интенсивности света в плоскости предмета (рис. 14.5). Распределение характеризуется частотой (измеряемой числом пар линий на миллиметр) и модуляцией М₀=J_max-J_min/J_max+J_min

где J_max, J_min - локальные максимумы и минимумы интенсивности.

Рисунок 14.5 Функция модуляции передачи (ФМП) и модуляция интенсивности (M_i) в плоскости рисунка при изображении решетки с пространственной частотой 333 пара линий/мм (ширина линий 1,5 мкм, расстояние между линиями 1,5 мкм). а - функция ФМП; б - изменение интенсивности в плоскости рисунка (M_i).

Отношение J_max/J_min называется контрастностью С. Величина модуляции M_i(v) в плоскости изображения может быть измерена с помощью фотодетектора очень малых размеров, перемещающегося поперек изображения решетки. Значение ФМП для данной частоты V определяется соотношением ФМП (V)= M_i(v)/M₀. Для оптических систем с дифракционными ограничениями величина ФМП может быть также вычислена по формуле:

(14.2)

где V- пространственная частота решетки; V₀ - оптическая частота отсечки системы, зависящая от числовой апертуры NA и длины волны  в соответствии и с соотношением V₀=2NA/.

Оптические системы формирования изображения проекционных установок в зависимости от типа используемого источника излучения разделяются на когерентные и некогерентные. Если фотошаблон (или решетка) освещаются слабо расходящимся световым потоком от точечного источника, то изображение в проекционной установке является когерентным или почти когерентным, т.к. в плоскости изображения (пластины) свет, дифрагированный решеткой, когерентен по амплитуде. Информации о пространственной частоте решетки можно получить, используя только дифрагированный световой поток. Направление первого дифракционного пика определяется из формулы:

n(a+в)sin=N (14.3)

а пространственная частота равна

V=(a+в)^-1=nsin/ (14.4)

для N=1. Для получения изображения необходимо, чтобы =, где  зависит от числовой апертуры проекционной оптики (NA=nsin). Поэтому максимальная частота решетки, которая может быть передана когерентной проекционной системой, равна

где V_c-частота отсечки. В случае проекционной системы, в которой решетка освещается лучами от всех участков протяженного некогерентного источника света, каждый отдельный луч подвергается дифракции решеткой и формирует своё изображение в плоскости пластины. Т.к. определенных фазовых соотношений между различными лучами света от протяженного источника не существует, их изображения в плоскости пластины складываются некогерентно.

Для лучей, падающих на решетку под углом I, направление первого дифракционного максимума удовлетворяет соотношению

n(a+в)(sinI+sin)= (14.6)

Для получения изобоажения необходимо, чтобы I, a. Поэтому

(14.7)

Следовательно, V_max(некогерентн.)=2V_max(когерентн.).

Величина ФМП для некогерентного источника монотонно уменьшается, начиная со значения при V= до нуля при частоте отсечки V_c=1/F. ФМП для когерентного источника остается равной единице вплоть до частоты отсечки V_c=1/2F, где она резко падает до нуля. С математической точки зрения величина ФМП в некогерентной системе является весовой функцией, которая позволяет оценивать интенсивность отдельных составляющих в спектре изображения. Если известны спектр изображаемого объекта и кривая ФМП, то некогерентное изображение может быть восстановлено. Когерентные системы труднее поддаются интерпретации, поскольку они чувствительны как к фазе отдельных составляющих спектра изображения, так и к их амплитудам. Т.к. величина ФМП не содержит информации о фазе, в этом случае изображение не может быть восстановлено, исходя из ФМП.

Обычно считаемся, что минимальная величина ФМП должна быть равна 60% для проработки минимальных деталей при использовании позитивного резиста.

Если некогерентная величина ФМП (V) определяется на основе измерении или вычислений, то распределение интенсивности в плоскости изображения может быть получено, исходя из распределения интенсивности в плоскости объекта (шаблона). Для этого необходимо использовать следующею последовательность преобразований.

Пространственно-частотное распределение объекта изображения I₀(V) получается из соответствующего распределения интенсивности I₀(х) с помощью преобразования Фурье F_Т:

J₀(V)=F_TJ₀(x) (14.8)

На практике используется дискретное преобразование Фурье, подразумевающее периодичность разлагаемой функции. Пространственно-частотное распределение для изображении определяется формулой

J_i(V)=F(V)J₀(x) (14.9)

а изменение интенсивности J_i(x) - инверсным фурьепреобразованием пространственно-частотного распределения.

(14.10)

Произведение распределения интенсивности (Вт/см²) на время экспозиции (с) дает величину распределения плотности падающей энергии (Дж/см²) или дозы по поверхности пленки фоторезиста.

В большинстве систем проекционной печати источник света значительно меньше объектива. В этом случае формирование изображения следует считать квазикогерентным.

Для контактной печати или бесконтактной печати с небольшим зазором используется хорошо коллимированное когерентное излучение. В случае некогерентного излучения изображение на поверхности пластины будет размыто полутенями. На практике источники света деколлимируются на несколько градусов, чтобы устранить интенсивные дифракционные явления, возникающие при очень малых размерах коллиматора.