7.3.Фоторезисты (фр), виды, требования к ним, методы нанесения

Основными параметрами фоторезистов являются свето­чувствительность, разрешающая способность, кислотостойкость, адгезия к подложке и технологичность.

СветочувствительностьS, 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 :

(7.3.1)

где Н - экспозиция Вт • с/см ; Е — энергооблученноеть, Вт/см²; t — длительность облучения, с,

Точную характеристику светочувствительности можно полу­чить, учитывая не только процесс экспонирования, но и прояв­ления. Так как проявитель химически взаимодействует с экспо­нированными и неэкспонированными участками слоя фоторе­зиста, процесс проявления оказывает прямое влияние на его светочувствительность. В прямой зависимости от процесса про­явления, а следовательно, и светочувствительности фоторезис­та находится качество формируемого в его слое при проявле­нии рисунка элементов.

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

Критерием светочувствительности негативных фоторезистов является образование после экспонирования и проявления на поверхности подложки локальных полимеризованных участ­ков — рельефа рисунка, т. е. полнота прохождения фотохимичес­кой реакции полимеризации (сшивки) молекул основы фо­торезиста.

Критерием светочувствительности позитивных фоторезистов является полнота разрушения и удаления (реакция фото­лиза) с поверхности подложки локальных участков слоя фото­резиста после экспонирования и проявления и образование рель­ефного рисунка.

Фоторезисты характеризуются также пороговой светочув­ствительностью S_n = 1/H₁, определяемой началом фотохими­ческой реакции.

Светочувствительность и пороговая светочувствительность фоторезиста зависят от толщины его слоя, а также состава и концентрации проявителя. Поэтому, говоря о значении светочув­ствительности и пороговой светочувствительности, учитывают конкретные условия проведения процесса фотолитографии. Определяют светочувствительность экспериментально, исследуя скорость проявления фоторезиста, которая зависит от степени его облучения.

Разрешающая способность - это один из самых важных параметров фоторезистов, характеризующий их способность к созданию рельефа рисунка с минимальными размерами эле­ментов. Разрешающая способность фоторезиста определяется числом линий равной ширины, разделенных промежутками такой же ширины и умещающихся в одном миллиметре.

Для определения разрешающей способности фоторезис­тов используют штриховые миры, представляющие собой стеклянные пластины с нанесенными на их поверхность штриха­ми шириной от одного до нескольких десятков микрометров. Разрешающую способность определяют проводя экспонирова­ние подложки, покрытой слоем фоторезиста, через штрихо­вую миру, которую используют в качестве фотошаблона. После проявления выделяется участок с различными штрихами наи­меньшей ширины, которые и характеризуют разрешающую способность данного фоторезиста.

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

При эпитаксиально-планарной технологии разрешающая спо­собность фотолитографии — это предельное количество линий в одном миллиметре, вытравленных в слое диоксида крем­ния толщиной 0,5 — 1,0 мкм через промежутки равной шири­ны. Разрешающая способность лучших современных фоторезис­тов достигает 1500 — 2000 линий/мм. Разрешающая способ­ность отечественных фоторезистов ФП-383 и ФП-РН-7 составляет 400 — 500 линий/мм, что позволяет получать контактной и проекционной фотолитографией рисунки элементов, соответ­ственно имеющие размеры 1,25 — 1,5 и 0,5 — 0,6 мкм.

Кислотоетойкостъ — это способность слоя 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 расстрав-ливание 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/х.,(где h - глубина травления; х - боковое подтравли­вание) .

Таким образом, чем меньше боковое подтравливание при заданной глубине травления, тем выше кислотостойкость фоторезиста. Боковое подтравливание характеризуется клином травления.

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. В большинстве случаев адгезию считают удовлетворительной, если слой фоторезиста

20x20 мкм² отрывается за 20 мин. Об адгезии фоторезиста к подложке можно судить по углу смачивания, т. е. состоянию поверхности подложки.

Стабильность свойств фоторезистов характеризуется их сроком службы при определенных условиях хранения и эксплу­атации и обеспечение ее является одной из важнейших проблем производства изделий микроэлектроники.БРАБОТКА ПОВЕРХНОСТИ ПОДЛОЖЕК

Качество процесса фотолитографии во многом определяется меха­ническим и физико-химическим состоянием поверхности подложек.

Механическое состояние поверхности подложек влияет на точность получения элементов рисун­ка, поэтому любые неровности, микробугорки, впадины, цара­пины и риски приводят к их искажению. Кроме того, при нане­сении слоя фоторезиста эти дефекты вызывают появление пу­зырьков или проколов в слое 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. Так как большинство фоторезистов содер­жит в своей основе полимеры, обладающие гидрофобными свойствами, то и поверхность подложек должна быть гидро­фобной.

Критерием оценки состояния поверхности подложки может служить краевой угол ее смачивания каплей деионизованной воды. Если капля воды растекается по поверхности подложки, т. е. ее угол смачивания менее 40 °, такую поверхность называ­ют гидрофильной. Поверхность, на которой капля воды не рас­текается и образует угол смачивания более 90 °, называют гидрофобной.

При фотолитографии необходимо, чтобы поверхность подложек была гидрофильна к фоторезисту и гидрофобна к травителю, тогда выт­равленный рисунок будет точно повторять рисунок фотошаблона.

Перед нанесением слоя фоторезиста или какой-либо плен­ки полупроводниковые подложки для удаления органических загрязнений обрабатывают в химических реактивах, а затем подвергают гидромеханической отмывке (Рисунок 7.3.1,а, б).

Рисунок 7.3.1. Схемы гидромеханической отмывки подложек цилиндри­ческой (а) и конической (б) щетками:

1 - форсунка, 2 - щетки, 3 - подложка

Для формирования полупроводниковых структур исполь­зуют пленки полупроводников (Si, Ge, GaAs), диэлектриков (оксида SiO₂ и нитрида Si₃N_7.3.1 кремния, примесно-силикатных стекол) и металлов (Al, V, W, Ti, Аи), а также силицидов и оксидов тугоплавких металлов.

Поверхность подложек с выращенными термическим окис­лением пленками SiO₂ сразу после образования пленки гидрофобна. Поэтому рекомендуется непосредственно после окис­ления, не превышая межоперационное время более 1 ч, пере­давать подложки на фотолитографию. Через несколько часов поверхность подложек с пленкой SiO₂ становится гидрофиль­ной, на ней адсорбируются молекулы воды из атмосферы, угол смачивания уменьшается до 20 - 30 ° и адгезия фоторезиста падает, что приводит к браку. Для придания поверхности таких подложек гидрофобных свойств их термообрабатывают при 700 — 800 ° С в сухом инертном газе или в вакууме.

Если слой фоторезиста наносят на пленку примесно-силикат-ного стекла, следует иметь в виду, что поверхность боросиликат-ного стекла гидрофобна и аналогична по поведению пленке SiO₂ а фосфоросиликатного стекла гидрофильна (угол смачи­вания не превышает 15 °). Гидрофобные свойства поверхности фосфоросиликатного стекла придают термообработкой при 100 — 500 °С в течение 1 ч в сухом инертном газе или в ваку­уме. Режим термообработки выбирают в зависимости от тех­нологии изготовления и конструкции микроэлектронного изделия. Гидрофобность силикатных стекол повышают также обработкой их в трихлорэтилене или ксилоле.

Характеристики поверхности пленок Al, V, W, Ti и Аu наносимых вакуумным распылением, зависят от режима про­ведения процесса и смачиваемости подложек. Перед фотоли­тографией пленки обязательно обезжиривают в растворителях.

Эффективным методом повышения адгезии фоторезиста к пленке является ее обработка в парах специальных веществ — адгезивов, придающих поверхности гидрофобные свойства. Наиболее распространенным адгезивом является гексаметил-дисилазан.

Нанесение слоя фоторезиста. Нанесенный на предваритель­но подготовленную поверхность подложек слой фоторезиста должен быть однородным по толщине по всему их полю, без проколов, царапин (т. е. быть сплошным) и иметь хорошую адгезию.

Наносят слой фоторезиста на подложки в обеспыленной сре­де, соблюдая технологические режимы. Используемый фото­резист должен соответствовать паспортным данным. Перед употреблением его необходимо профильтровать через специаль­ные фильтры, а в особо ответственных случаях (при производ­стве БИС) обработать на центрифуге при частоте вращения 10 - 20 тыс. об/мин в течение нескольких часов. Это делают для того, чтобы удалить из фоторезиста инородные микрочас­тицы размером менее 1 мкм, которые могут привести к бра­ку фоторезистивного слоя. Кроме того, необходимо проверить вязкость фоторезиста и довести ее до нормы.

Для нанесения слоя фоторезиста на подложки используют методы центрифугирования, пульверизации, электростатичес­кий, окунания и полива. Кроме того, применяют накатку пленки сухого фоторезиста.

Методом центрифугирования (Рисунок 7.3.2), наиболее широко используемым в полупроводниковой техно­логии, на несложном оборудовании наносят слои фоторезиста, толщина которых колеблется в пределах ± 10 %. При этом методе на подложку 2, которая устанавливается на столике 3 центрифуги и удерживается на нем вакуумным присосом, фоторезист подается капельницей-дозатором 1. Когда столик приводится во вращение, фоторезист растекается тонким слоем по поверхности подложки, а его излишки сбрасываются с нее и стекают по кожуху 4. При вращении центрифуги с большой частотой происходит испарение растворителя и вязкость фото­резиста быстро возрастает.

Рисунок 7.3.2 (cлева). Установка несения слоя фоторезиста центрифугирова­нием:

1 — дозатор (капельница), 2 — подложка, 3 - столик, 4 - кожух для сбора избытка фо­торезиста, 5 - вакуумные уп­лотнители, 6 - электродвига­тель, 7 - трубопровод к ва­куумному насосу

Рисунок 7.3.3(справа). Зависимость толщины слоя фото­резиста от частоты вращения центрифуги при различных коэффициентах его вяз­кости:

1 - v 0,05 см/с, 2 - v = 0,04 см/с, 3 - v = 0,02 см/с

Наносимые центрифугированием слои фоторезиста могут иметь дефекты в виде "комет", образующиеся, если на поверх­ности подложек имелись остаточные загрязнения или фоторезист был плохо отфильтрован. Такие дефекты выглядят, как направ­ленные от центра локальные утолщения или разрывы слоя фоторезиста.

Полуавтомат для нанесения слоя фоторезиста центрифуги­рованием состоит из блоков центрифуг и дозаторов, блока управления, а также блока подачи и приема подложек и выпол­нен в виду двух треков. В блоке центрифуг имеется электро­двигатель малой инерционности, частота вращения которого контролируется специальным электронным блоком. Подложки удерживаются на столиках центрифуг вакуумным присосом, создаваемым системой вакуумной откачки. Блок дозаторов укреплен на задней стенке полуавтомата. Дозирование фоторе­зиста ведется с помощью электроиневмоклапанов, а подача осуществляется под давлением азота. Блок управления обес­печивает согласование работы всех блоков полуавтомата.

Полуавтомат предназначен для одновременного нанесения слоя фоторезиста по двум трекам, на которые загружаются стандартные кассеты с 25 подложками. После нанесения фото­резиста подложки поступают в разгрузочную кассету или прохо­дят по треку на сушку в конвейерную печь.

Достоинствами методами центрифугирования являются его простота, отработанность и удовлетворительная производитель­ность оборудования, а также возможность нанесения тонких слоев фоторезиста с небольшим разбросом по толщине. Недос­татки этого метода — трудность нанесения толстых слоев фото­резиста (более 3 мкм), необходимость тщательного контроля его коэффициента вязкости и режимов работы центрифуги.

Метод пульверизации (Рисунок 7.3.4), являющийся весьма перспективным, основан 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. При этом тол­щина слоя фоторезиста составляет от 0,3 до 20 мкм с точностью не хуже 5 %.

Достоинствами метода пульверизации являются: возмож­ность изменения толщины слоя фоторезиста в широких преде­лах: однородность слоев по толщине; отсутствие утолщений по краям подложек; нанесение фоторезиста на профилирован­ные подложки (в малейшие углубления и отверстия): сравнительно малый расход фоторезиста; высокая производитель­ность и автоматизация процесса; хорошая адгезия слоя к под­ложкам (лучшая, чем при центрифугировании).

Недостатки этого метода состоят в том, что при его исполь­зовании необходимо специально подбирать растворители, так как слой фоторезиста не должен стекать по подложкам. Кроме того, следует тщательно очищать фоторезист и используемый для пульверизации газ.

Основными элементами установки для нанесения слоя фоторезиста .пульверизацией являются форсунка-пульверизатор и стол, на котором закрепляют подложки. Для равномерного покрытия подложек слоем фоторезиста стол и форсунка переме­щаются в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Рисунок 7.3.4. Нанесение слоя фоторезиста пульверизацией:

1 — область разрежения, 2 — сопло, 3 — форсунка, 4 — регули­рующая игла, 5 — распыляющий газ, 6 - подача фоторезиста

При электростатическом методе (Рисунок 7.3.5) спой фоторезиста наносят на подложки в электрическом поле напряженностью 1—5 кВ/см. Для создания такого поля между подложкой 3 и специальным кольцевым электродом 2 подают постоянное напряжение 20 кВ. При впрыскивании фоторезиста форсункой 1 в пространство между электродом и подложкой капельки фоторезиста диаметром в несколько микрометров заряжаются, летят под действием электрического поля к под­ложке на ней.

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

Методы окуна­ния и полива явля­ются 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. Следует отме­тить, что при этом методе неизбежны утолщения слоя фоторезиста по краям.

Окунание и полив 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.

Общим недостатком нанесения жидких фоторезистов является трудность получения сплошных слоев заданной толщины.

Накатка пленки сухого фоторезиста значительно упрощает процесс и обеспечивает получение равно­мерного покрытия на подложках большой площади. Пленочный фоторезист представляет собой трехслойную ленту, в которой слой фоторезиста заключен между двумя полимерными пленка­ми: одна (более прочная) является несущей, а другая — защитной.

Предварительно защитную пленку удаляют, а фоторезист вместе с несущей пленкой накатывают валиком на подложки, нагретые до 100 °С. Под действием температуры и давления фоторезист приклеивается к подложке. При этом его адгезия к подложке выше, чем к несущей пленке, которую затем сни­мают.

Рисунок 7.3.5. Нанесение фоторезиста в электростатическом поле:

1 - форсунка, 2 - кольцевой элек­трод, 3 — подложка, 4 — столик

Недостатки этого метода - большая толщина (10 — 20 мкм) и низкая разрешающая способность слоя сухого фоторезиста. Поэтому накатку пленки сухого фоторезиста используют толь­ко при больших размерах элементов ИМС.

Сушка слоя фоторезиста. Для окончательного удаления растворителя из слоя фоторезиста его просушивают. При этом уплотняется молекулярная структура слоя, уменьшаются внут­ренние напряжения и повышается адгезия к подложке. Непол­ное удаление растворителя из слоя фоторезиста снижает его кислотостойкость. Для удаления растворителя подложки нагре­вают до температуры, примерно равной 100 °С. Время сушки выбирают оптимальным для конкретных типов фоторезистов.

Температура и время сушки значительно влияют на такие важные параметры фоторезистов, как время их экспонирования и точность передачи размеров элементов после проявления. Большое значение при сушке имеет механизм подвода теплоты. Существует три метода сушки фоторезиста: конвекционный, инфракрасный и в СВЧ-поле.

При конвективной сушке подложки выдер­живают в термокамере при 90 — 100 °С в течение 15 — 30 мин. Недостаток этого метода — низкое качество фоторезистового слоя.

При инфракрасной сушке источником теп­лоты является сама полупроводниковая подложка, поглощаю­щая ИК-излучение от специальной лампы или спирали накали­вания. Окружающая среда (очищенный и осушенный инертный газ или воздух) при этом сохраняет благодаря непрерывной продувке примерно комнатную температуру. Так как "фронт сушки" перемещается от подложки к поверхности слоя фото­резиста, качество сушки по сравнению с конвективной сущест­венно выше, а время сокращается до 5 - 10 мин.

В электронной промышленности широко используются ус­тановки ИК-сушки УИС-1 и конвейерные печи с инфракрас­ными нагревателями. Система измерения и стабилизации тем­пературы в них основана на определении температуры эталон­ных подложек, закрепленных на рамке внутри рабочей камеры, для продувки которой служат вентиляторы. Источниками теп­лоты являются лампы ИК-излучения. Время и температура сушки поддерживаются автоматически.

При СВЧ-сушке подложки нагреваются, погло­щая электромагнитную энергию СВЧ-поля. Такая сушка про­изводится в печах мощностью 200 — 400 Вт при рабочей час­тоте 2,45 ГГц. Время сушки — несколько секунд. Достоинством этого метода является высокая производительность, а недос­татками — сложность оборудования и необходимость тщатель­ного экранирования рабочего объема во избежание облучения оператора, а также неравномерность сушки слоя фоторезиста на различных по электрическим характеристикам участках под­ложек. Поэтому сушке в СВЧ-поле подвергают только однород­ные подложки.

При любом методе сушки ее режимы (время, температура) дол­жны исключать появление структурных изменений в слое фоторезиста. Высушенный слой необходимо экспонировать не позднее чем через 10 ч. Сушку подложек следует выполнять в тщательно обеспыленной среде 10-го и 1-го классов чистоты. Контролируют качество сушки визуаль­но или под микроскопом.

Основные виды и причины брака. При нанесении слоя фото­резиста могут появиться различные виды брака.

Плохая адгезия фоторезиста к подложке вызывает при последующем травлении растравливание и искажение рисун­ков элементов. Причиной плохой адгезии является некачест­венная подготовка поверхности подложек.

Локальные неоднородности рельефа слоя фоторезиста, имеющие вид капелек, обусловлены попаданием пылинок на подложки или присутствием посторонних частиц в фоторе­зисте.

Микродефекты (проколы) слоя фоторезиста связаны с теми же причинам, что и локальные неоднородности рельефа.

Неоднородности рельефа слоя фоторезиста в виде радиаль-но расходящихся длинных лучей вызываются нарушением режи­ма центрифугирования в процессе нанесения слоя (вибрацией столика при вращении).

Неоднородность толщины слоя фоторезиста на подложках и разброс ее на разных подложках являются результатами перекоса столика, уменьшения частоты его вращения и увели­чения времени разгона центрифуги. Отклонение толщины слоя фоторезиста от заданной может быть также связано с изменением вязкости фоторезиста.

Точность полученного в процессе фотолитографии топологичес­кого рисунка в первую очередь определяется прецизионностью процес­са совмещения.

Передача изображения с фотошаблона на подложку должна выполняться с точностью до десятых долей минимального раз­мера элемента, что обычно составляет 0,1 — 0,5 мкм. Поэтому процессы совмещения и экспонирования проводят на одном рабочем месте одновременно на одной установке, не допуская даже малой вибрации фотошаблона и подложки.

Совмещение и экспонирование являются наиболее ответственными операциями процесса фотолитографии.

Перед экспонированием слоя фоторезиста фотошаблон следует правильно сориентировать относительно подложки у рисунка предыдущего слоя. Для полного формирования струю туры полупроводникового прибора или ИМС необходим комплект фотошаблонов со строго согласованными топологическими рисунками элементов.

При первой фотолитографии, когда поверхность подложек еще однородна, фотошаблон ориентируют относительно базового среза подложки. При последующих фотолитографиях, когда на подложках сформированы топологические слои, рису­нок фотошаблона ориентируют относительно рисунка предыду­щего слоя.

Совмещают рисунки фотошаблона и подложки в два эта па. На первом этапе с помощью реперных модулей — "пустых кристаллов" выполняют грубое совмещение в пределах всего поля подложки. На втором этапе с помощью микроскопа в пределах единичного модуля по специальным знакам - фигу­рам совмещения, предусмотренным в рисунке каждого тополо­гического слоя, выполняют точное совмещение. Форму фигур совмещения (кресты, круги, квадраты) выбирают в зависи­мости от типа используемого при фотолитографии фоторезис­та (Рисунок 7.3.6,а - в).

Рисунок 7.3.6. Фигуры совмещения на фотошаблонах (I) и подложках после второй (II) и четвертой (III) фотолитографии:

а - концентрические окружности, б — вложенные квадраты, в - биссекторные знаки

Сложность операции совмещения состоит в том, что прихо­дится с высокой точностью совмещать элементы малых разме­ров на большой площади. Для этого увеличение микроскопа должно быть не менее 200 раз. Современные установки обеспе­чивают точность совмещения 0,25 — 1 мкм. Точность совме­щения последовательных рисунков зависит от следующих факторов:

точности совмещения фотошаблонов в комплекте;

точности воспроизведения форм и размеров элементов рисунков в процессе фотолитографии;

качества подложек и слоев фоторезиста;

совершенства механизма совмещения установки;

разрешающей способности микроскопа;

соблюдения температурного режима.

Существует два метода совмещения фотошаблонов с под­ложками:

визуальный, при котором, выполняя совмещение, наблю­дают за контрольными отметками в микроскоп; при этом точность совмещения составляет 0,25 — 1 мкм и зависит от возможностей установки;

автоматизированный фотоэлектрический с помощью фото­электронного микроскопа, обеспечивающий точность совме­щения 0,1 — 0,3 мкм.

При контактной фотолитографии операцию совмещения выполняют с помощью специального механизма совмещения микроизображений (Рисунок 7.3.7), основными элементами которого являются предметный шаровой столик 1 со сферическим осно­ванием - гнездом 2, рамка 16 для закрепления фотошаблона 15 и устройство перемещения рамки и поворота предметного столика.

Предварительно подложку размещают на предметном сто­лике так, чтобы слой фоторезиста был сверху, и закрепляют фотошаблон в подвижной рамке над поверхностью подложки 14. Между подложкой и фотошаблоном должен быть зазор для свободного перемещения рамки. Для совмещения рисунков на фотошаблоне и подложке передвигают рамку с фотошаблоном в двух взаимно перпендикулярных направлениях в плоскости подложки и поворачивают предметный столик с подложкой вокруг вертикальной оси.

Современные установки совмещения и экспонирования представляют собой сложные оптико-механические комплексы. Точность совмещения и производительность зависят от выбран­ного метода совмещения - визуального или фотоэлектричес­кого.

В отечественных установках контактного совмещения и экспонирования (ЭМ-576, ЭМ-5006) используется принцип контактной печати с наложением фотошаблона на подложку. При идеальной плоскостности фотошаблона и подложки пере­дача изображения осуществляется с минимальными искажени­ями при большой производительности.

После выполнения совмещения (Рисунок 7.3.8, а) подложку прижимают к фотошаблону и экспонируют слой фоторезиста (Рисунок 7.3.8, б). Основной целью экспонирования является высо­коточное воспроизведение слоем фоторезиста всех элементов топологии полупроводниковых приборов или ИМС. Правиль­ность экспонирования влияет на качество переноса изображе­ния с фотошаблона на слой фоторезиста.

Рисунок 7.3.7. Механизм совмещения микро­изображений фото­шаблона и подлож­ки при контактной фотолитографии:

1,2 — предметный столик и его гнездо, 3 - направляю­щие, 4 — микроза­зор, 5 — штифт, 6 — регулировочный винт, 7, 10 - ди­афрагмы, 8, 11 -камеры, 9 - фикса­тор, 12, 13 -трубо­проводы, 14 — под­ложка, 15 — фото­шаблон, 16 — рамка

Процесс экспонирования зависит от качества фотошаблона, свойств фоторезиста и подложки, оптических явлений, происходящих в системе подложка — фотошаблон и точности их совмещения.

При контактном экспонировании ультрафиолетовое излу­чение проходит через фотошаблон и попадает на слой фоторёзиста. Следовательно, передача элементов рисунка на слое фото­резиста зависит от оптической плотности темных и светлых участков рисунка фотошаблона, резкости и ровности их краев и коэффициента отражения металлизированного слоя фото­шаблона.

Рисунок 7.3.8. Схемы совмещения (а) и экспонирования (б) :

1 - предметный столик, 2 - подложка, 3 - слой фоторезиста, 4 - фото­шаблон, 5 — микроскоп, 6 — затвор, 7 - конденсор, 8 - источник света; z - зазор между фотошаблоном и подложкой

Важной частью установки совмещения и экспонирования является микроскоп. Отечественные установки оснащены дву­польным микроскопом с увеличением до 300 раз, в который одновременно можно наблюдать изображение двух модулей в разных точках подложки. Этот микроскоп позволяет плавно изменять увеличение сменой объективов.

Как уже отмечалось, совмещение и экспонирование выпол­няют на одной установке (Рисунок 7.3.9), при этом подложка 9 с помощью подающей кассеты 1 перемещается по конвейеру 2 в устройство совмещения 3, где точно ориентируется относитель­но фотошаблона 4 при наблюдении в микроскоп 5. После сов­мещения микроскоп автоматически отводится в сторону, на его место устанавливается осветитель 6 и проводится экспони­рование. Затем подложка подается в приемную кассету 8 и по конвейеру 7 перемещается на операцию проявления.

Осветитель состоит из источника света, оптического уст­ройства для создания равномерного светового потока и зат­вора-дозатора актиничного излучения.

Рисунок 7.3.9. Установка совмещения и контактного экспонирования:

1, 8 — подающая и приемная кассеты, 2, 7 — конвейеры, 3 - уст­ройство совмещения, 4 — фотошаблон, 5 — микроскоп, 6 — осве­титель, 9 — подложки

В качестве источника света обычно применяют ртутно-кварцевую лампу высокого давления ДРШ-350 или ДРШ-500, создающую мощный световой поток. Излучение такой лампы лежит в основном в ультрафиолетовой области спектра (330 — 440 нм).

Оптическое устройство создает поток параллельных лучей, равномерно освещающих подложку. Разброс освещенности в пределах рабочего поля подложки не должен превышать 5 %. ' При работе на установке необходимо принимать меры по за­щите глаз от прямого попадания ультрафиолетового излучения.

Система затвор—дозатор обеспечивает точность дозы при экспонировании не хуже 5 %.

Режимы проявления слоя фоторезиста зависят от времени экспонирования. Необходимую экспозицию устанавливают, учитывая тип и светочувствительность фоторезиста, а также толщину его слоя. Оптимальную дозу излучения, обеспечиваю­щую наилучшую четкость изображения, получаемого после проявления, определяют экспериментально.

Качество изображения оценивают визуально по наиболее мелким элементам топологии или специальным контрольным знакам-элементам, предусмотренным в нем. Поскольку зазор между шаблоном и подложкой, а также освещенность распре­делены по рабочему полю неравномерно и носят случайный характер, качество изображения контролируют на разных участ­ках подложки.

Наличие зазора между фотошаблоном и подложкой вызы­вает дифракционные явления, что приводит к искажению формы и размеров элементов и обусловлено проникновением света в область геометрической тени. Чтобы уменьшить влияние диф­ракции при экспонировании, необходимо фотошаблон плотно прижимать к подложке для исключения зазора между ними или сведения его к минимуму.

Важным оптическим эффектом при экспонировании явля­ется прохождение ультрафиолетового излучения через пленку фоторезиста. Световой поток, проходя через слой фоторезиста, рассеивается в нем, а достигая подложки, отражается от нее и возвращается обратно в слой фоторезиста. Дойдя до поверх­ности фотошаблона, световой поток отражается под углом от его металлизированных непрозрачных участков и через про­зрачные участки попадает в слой фоторезиста на подложке.

Эти отражения светового потока приводят к нежелательно­му дополнительному экспонированию участков слоя фоторезис­та, находящегося под непрозрачными участками фотошаблона. Интенсивность отраженного потока света зависит от коэффици­ентов отражения подложки и фотошаблона. Для снижения эффекта отражения при контактной фотолитографии исполь­зуют цветные оксидные фотошаблоны, имеющие малый коэф­фициент отражения.

Обработка подложек. Заключительным этапом процесса фотолитографии является фор­мирование топологии рельефного рисунка на подложках в технологи­ческом слое (маскирующей, изолирующей, защитной диэлектрической или проводящей металлической пленке) травлением с последующими удалением слоя фоторезиста и очисткой подложек. Эти операции осу­ществляют химическим жидкостным или плазменным "сухим" трав­лением.

В связи с тем что процессы травления являются завершаю­щими в формировании элементов полупроводниковых прибо­ров и ИМС, они оказывают решающее влияние на электрические параметры этих изделий и выход годных и должны обеспечи­вать:

минимальные погрешности размеров элементов рисунка и наименьшее количество дефектов;

полное удаление материала на участках, не защищенных слоем фоторезиста, а также продуктов реакции;

возможность управления режимами обработки.

Химическое жидкостное травление основано на растворении в хи­мических реагентах не защищенных фоторезистивной маской участ­ков технологического слоя и состоит из следующих стадий: диффузии и адсорбции молекул травителя к поверхности подложки; химической реакции; десорбции продуктов реакции и удаления их в раствор.

Скорость травления зависит от наиболее медленной стадии и, кроме того, определяется составом травителя, его темпера­турой, а также структурой технологического слоя.

Используемые химические травители должны обладать следующими свойствами:

селективностью (избирательностью), т. е. способностью активно растворять основной технологический слой, не взаи­модействуя с фоторезистивной маской и другими нижележащи­ми слоями;

не образовывать продуктов реакции, способствующих от­слаиванию фоторезиста по контуру элементов рисунка и подтравливанию;

допускать возможность подбора оптимальной для данных условий скорости травления, обеспечивающей минимальную плотность дефектов полученного рисунка.

Процесс химического жидкостного травления, как правило, изотропен, т. е. имеет одинаковую скорость во всех направлени­ях. Участки подложки, не защищенные пленкой фоторезиста, травятся не только вглубь, но и в стороны, т. е. происходит так называемое боковое подтравливание, что приводит к изме­нению линейных размеров элементов рисунка. По боковому подтравливанию судят о качестве процесса травления и форми­рованию клина травления. Изменение размеров элементов рисунка не должно превышать допусков, указанных в ТУ.

При плохой адгезии слоя фоторезиста травитель может проникать под него на значительное расстояние и в этом случае боковое подтравливание l становится недопустимо большим. При хорошей адгезии фронт бокового травления (клин трав­ления) имеет форму дуги (Рисунок 7.3.10, а). Клин травления зависит от скорости процесса, адгезии защитной маски фоторезиста к подложке, толщины вытравливаемого слоя h и смачиваемости его поверхности травителем.

В состав любого травителя, как правило, входят следующие компоненты:

окислитель — для образования оксидов на поверхности технологического слоя;

растворитель — для растворения и удаления образовавших­ся оксидов;

замедлитель и ускоритель реакции.

Результатом процесса травления является полное стравли­вание материала на участках, не защищенных фоторезистом. Результат травления зависит от качества сформированного за­щитного рельефа фоторезиста, его адгезии, геометрических размеров элементов на фотошаблоне, клина травления. Кроме того, процесс травления, геометрические размеры получаемых после травления элементов рисунка и клин травления определяются

Рисунок 7.3.10. Профили элементов рельефного рисунка после травле­ния:

а — жидкостного, б - ионно-химического, в, г - плазмохимического; 1 — слой фоторезиста, 2 - технологический слой

типом травителя, температурой травления и толщиной травящегося материала.

Травление технологических слоев. Наиболее широко в про­цессах химического травления при фотолитографической обра­ботке используют травители, представляющие собой слабые кислотные растворы. В производстве полупроводниковых приборов и ИМС большую часть фотолитографических процес­сов проводят на слое диоксида и нитрида кремния.

Для травления пленок диоксида крем-ния SiO₂ применяют плавиковую кислоту и травители на ее основе. Процесс происходит по следующей реакции:

SiO₂ +4HF => SiF₄ + 2Н₂О

Для улучшения качества рельефного рисунка в слое SiO₂ применяют так называемый "буферный" травитель с замедля­ющими добавками фторида аммония NH₄F. В этом случае процесс происходит по следующей реакции:

SiO₂ + 4HF + 2NH₄F => (NH₄)₂ SiF₆ + 2H₂O

В типовой состав буферного травителя входят: 2 ч. 48 %-ной плавиковой кислоты, 7 ч. 40 %-ного водного фтористого аммо­ния и 1 ч. воды. Увеличение концентрации кислоты в травителе повышает скорость травления пленки SiO₂, но при этом ухудшается качество вытравленного рельефа. При увеличении кон­центрации фтористого аммония уменьшается скорость травле­ния и улучшается качество рельефного рисунка. Оптимальная температура травителя 20 ^OС. Повышение температуры травителя увеличивает скорость травления, но ухудшает качество рельефа.

Для травления пленок нитрида крем­ния Si₃N₄ используют травитель на основе ортофосфорной кислоты Н₃РО₄ с добавками фосфорного ангидрида Р₂О₅. Оптимальная температура травителя до 180 — 200 °С. Так как при травлении при высоких температурах резко снижаются за­щитные свойства фоторезиста, пленку Si₃N₄ защищают тонким слоем SiO₂ (~ 0,2 мкм). В этом случае травление сначала про­водят в буферном травителе, а затем приступают к травлению нитрида кремния, используя пленку диоксида кремния в ка­честве защитной маски.

Окончание процесса травления устанавливают в момент перехода вытравленной поверхности из гидрофильного состоя­ния в гидрофобное, т. е. когда обнажившийся кремний перес­тает смачиваться травителем.

При травлении пленок диоксида и нитрида кремния возмож­ны различные виды брака, обусловленные следующими причи­нами. Так, растравливание, характерным признаком которого является появление интерференционных кругов под слоем фоторезиста вокруг вскрытых окон, вызывается нарушением межоперационного времени хранения подложек, плохой ад­гезией фоторезиста к их поверхности, нарушением режимов проявления и задубливания, завышенным временем травления, некачественным травителем.

Причинами отслаивания пленки фоторезиста при травлении могут быть его плохая адгезия к поверхности и нарушение режима задубливания, увеличение межоперационного времени хранения подложек.

Окрашивание кремния во вскрытых окнах происходит из-за его сильного легирования и высокой поверхностной кон­центрации примеси, попадания окислителей (например, HNO₃) в травитель, большого разброса толщины вытравливаемой плен­ки оксида. При этом на участках, где пленка оксида имеет тол­щину более 100 нм, наблюдается наибольшее окрашивание. Тонкая (60 — 70 нм) пленка оксида, остающаяся в окнах, не окрашивается, поэтому невидима, но может существенно влиять на параметры последующих диффузионных слоев. При­чинами нестравливания таких пленок могут быть недостаточное время травления, а также неравномерное травление окон в разных точках площади подложек.

При изготовлении металлизированной разводки и фор­мирования контактных площадок фотолитографию проводят по слою металла (алюминия, золота, молибдена, тантала, ни­хрома и др.) •

Для травления пленок алюминия приме­няют как кислотные, так и щелочные травители. Однако из-за плохой адгезии фоторезиста к пленке алюминия вследствие значительного изменения его угла смачивания (от 20 до 80 °) травитель выбирают в соответствии с типом применяемого при фотолитографии фоторезиста. Так, для травления масок нега­тивных фоторезистов используют 20 %-ный раствор КОН или NaOH. При температуре 60 — 90 ° С травление происходит с выделением пузырьков водорода, что вызывает неровности контура рельефа до 0,5 — 1 мкм. Процесс протекает по следую­щей реакции:

2Аl + 2NaOH + 6Н₂ О -> 2Na [Аl(ОН)₄] + ЗН₂

При использовании в качестве масок позитивных фоторезис­тов для травления алюминия используют травители на основе ортофосфорной кислоты. Процесс протекает по следующей реакции:

2Аl + 6Н₃РО₄ -> 2Аl(Н₂РО₄)₃ + 3H₂

Более часто применяют травитель, состоящий из смеси ортофосфорной, азотной, уксусной кислот и воды.

Травление в кислотных травителях идет при температуре около 40 "С и сопровождается бурным газовыделением, что также приводит к неровностям контура рельефа.

Наилучшее качество травления получают, используя тра­витель на основе хромового ангидрида Сг₂О₃, фторида аммо­ния NH₄F и воды. При комнатной температуре скорость трав­ления составляет 0,7 мкм/мин. Кроме того, применяют трави­тель, состоящий из хромового ангидрида Сг₂О₃, фторида ам­мония NH₄F, ацетата кадмия Cd(CH₃COOH)₂, водораствори­мого крахмала и воды. При использовании этого травителя не требуется нагрев, отсутствует газовыделение и неровность контура рельефа не превышает 0,3 мкм.

При травлении пленок алюминия возможен такой брак, как изменение (уменьшение) линейных размеров элементов, что может быть вызвано следующими причинами: применением некачественного фоторезиста; нарушением режима его задубливания или плохой адгезией к алюминию; увеличением меж­операционного времени хранения; неправильным соотношением компонентов в травителе; превышением температуры и вре­мени травления; изменением размеров элементов рисунка после проявления.

До обработки партии подложек проводят травление конт­рольной подложки. При несоответствии размеров элементов рисунка заданным необходимо прежде всего проверить режим задубливания, качество проявленного рельефа, температуру и состав травителя.

Иногда пленки алюминия при травлении окисляются и тем­неют их отдельные участки, что можно объяснить электрохи­мическими процессами, происходящими в системе Al — Si — р-n-переход — травитель. Для устранения этого явления обрат­ную и боковые стороны подложек покрывают фоторезистом, чтобы изолировать их от травителя.

Остатки невытравленного алюминия в виде перемычек могут привести к замыканию параллельных проводников одно­го уровня. Причинами этого могут быть: некачественное прояв­ление (недопроявление) слоя фоторезиста; нарушение режимов его задубливания (заплывание фоторезиста при повышенной температуре задубливания); дефекты в фотошаблоне. После­дующим дотравливанием, как правило, не удается ликвиди­ровать эти перемычки. Поэтому такой брак можно устранить только повторной фотолитографией.

Для травления пленок золота приме­няют смесь концентрированных соляной НС1 и азотной NHO₃ кислот в соотношении 3 : 1 (царскую водку), а также трави­тель, состоящий из йодистого калия KI, иода I₂ и воды в соот­ношении 4:1 : 1.

Для травления пленок серебра исполь­зуют травитель, в который входят нитрат железа Fe (NO₃)₂, раствор йодистого калия KI и иода I₂ в воде.

Для травления пленок молибдена при­меняют состав из ферроцианида калия, серной и азотной кислот либо смесь ортофосфорной, азотной и уксусной кислот.

Для травления пленок тантала исполь­зуют смесь нитрата железа, концентрированной плавиковой и азотной кислот, а пленки нихрома травят в соля­ной кислоте.

В полупроводниковых ИМС высокой степени интеграции электрические соединения часто выполняют в виде многослой­ной металлизации — двойных проводящих cлое в (например, молибден — золото, титан - алюминий). В этом случае рельеф вытравливают с помощью селективных тра-вителей последовательно в двух различных составах: в первом вытравливают пленку верхнего слоя, а во втором — нижнего.

Так, для получения рельефа в двухслойной системе молиб­ден — золото_; в которой нижний молибденный слой имеет толщину 0,2 мкм, а верхний — слой золота — 0,4 мкм, подложки последовательно обрабатывают в травителях для золота и молибдена. В травитель для золота входят этиленгликоль, йодистый калий, иод и вода, а в травитель для молибдена -этиленгликоль, азотная кислота и хлорное железо.

Основными параметрами режима травления, от которых зависят как его скорость, так и воспроизводимость размеров получаемых рель­ефов, являются время травления, температура и концентрация травителя. Так, с повышением концентрации травильной смеси и Температуры скорость травления растет. Увеличение времени травления приводит к боковому подтравливанию рисунка, причиной которого может быть также рост температуры травителя.

Удаление слоя фоторезиста. Для удаления фоторезистивной маски подложки обрабатывают в горячих органических растворителях (диметилформамиде, метилэтилкетоне, моноэтаноламине и др.) . При этом слой фоторезиста разбухает и вымы­вается. Скорость и чистота удаления фоторезиста зависят от степени его, задубливания при второй термообработке.

При высоких температурах задубливания (более 140 -150 °С) в слое фоторезиста происходят термореактивные пре­вращения, в результате которых он теряет способность раство­ряться в органических растворителях. В этом случае подложки два-три раза кипятят по 5 — 10 мин в концентрированной сер­ной, азотной кислоте или смеси Каро (серная кислота и пере­кись водорода). Слой фоторезиста при этом разлагается и раст­воряется в кислоте, а затем его окончательно удаляют в орга­ническом растворителе. Кислотное удаление фоторезиста нель­зя применять при фотолитографии по металлу.

Некоторые фоторезисты хорошо удаляются в водных раст­ворах поверхностно-активных веществ, например кипячением 5 — 10 мин в 30 %-ном растворе синтанола.

Интенсивность удаления слоя фоторезиста можно увели­чить ультразвуковым воздействием. Для этого ванночку с подложками, заполненную реагентом, помещают в ультразвуковую ванну с деионизованной водой. Время обработки при этом уменьшается в 10 - 20 раз.

Для удаления позитивных фоторезистов, температура суш­ки которых не превышает 95 °С, подложки предварительно облучают ультрафиолетовым светом. При этом ортонафтохинондиазиды превращаются в инденкарбоновые кислоты, которые легко удаляются в органических растворителях.

После химического удаления слоя фоторезиста подложки тщательно очищают от его остатков, которые могут отрицатель­но сказаться на таких последующих технологических операциях, как диффузия, окисление, нанесение металлизации и др. Кроме того, необходимо качественно очищать поверхность подложек от загрязнений, вносимых при фотолитографии.

Химическую обработку проводят на установках, входящих в комплекс универсального оборудования, предназначенного для очистки подложек перед первым окислением, травления оксидных металлических и полупроводниковых пленок, а также удаления слоя фоторезиста и последующей гидромеха­нической отмывки подложек деионизованной водой. Все эти операции проводят во фторопластовых ваннах, снабженных нагревателями и эжекторами для откачки реагентов после окончания технологического процесса.

Несмотря на широкое использование, химические жид­костные методы обработки (травление технологических слоев и удаление фоторезиста) имеют ряд недостатков, основными из которых являются невысокая разрешающая способность и изотропность процессов травления, трудность их автомати­зации и- появление загрязнений на поверхности подложек, что ограничивает возможности фотолитографии.