7.3. Фотолитография

Упрощенная структурная схема ФЛГ процесса выглядит следующим образом. (Рис.7.4)

Нанесение фоторезиста - Экспонирование - Проявление рисунка -

- Снятие фоторезиста - Контроль

Рис.7.4

Базовой деталью является подложка, на поверхности или в объеме которой надлежит сформировать рельеф заданной конфигурации. Подложкой может служить фольга металлическая или сетка, из которой в процессах ФЛГ и которой в процессах ФЛГ и последующего травления изготавливаются трафареты для нанесения ИМС. Подложка может быть и диэлектрической с нанесенными на ее поверхность слоями того или иного материала, из которого методами, контактной маски, селективного травления или наращивания формируются пленочные компоненты.

После получения "фоторезистивной маски" заданной конфигурации следует обработка не защищенных фоторезистом участков подложки. Вид обработки зависит от назначения процесса ФЛГ.

Это чаще всего травление материала подложки либо химическое, электрохимическое и физическое наращивание материала. На заключительной стадии следует удаление использования "фоторезистивной маски", причем если при наращивании материала осаждается и на фоторезистивный слой, то вместе с последним удаляется и ненужная часть осажденного материала.

Рассмотрим назначение и сущность основных операций типового процесса ФЛГ. Подготовка поверхности подложки предшествует операции нанесения

фоторезиста и служит для обеспечения качества фоторезистивного покрытия, его адгезии к подложке и стойкости к воздействию агрессивных сред. Для подготовки поверхности подложки используются обычное обезжиривание, физико-химическая обработка, нанесение связующего подслоя и т.д.

Формирование фоторезистивного слоя на поверхности подложки является одной из основных операций в процессе ФЛГ. (Рис.7.5)

Методы нанесения фоторезистивных покрытий:

\ / \

Погружение в раствор Центрифугирование Распыление

Рис.7.5

Известны следующие основные технологические методы нанесения фоторезистивных покрытий на поверхность подложек погружение в раствор, центрифугирование и распыление (пульверизация).

Широкое применение получил в настоящее время метод центрифугирования. Сущность метода заключается в нанесении на подложку определенной дозы жидкого фоторезиста и получении необходимой толщины пленки за счет вращения ротора центрифуги с заданной скоростью. Толщина и равномерность пленки зависит от частоты вращения центрифуги. С целью выбора оптимальной скорости центрифугирования обычно используются эмпирической зависимостью числа дефектов (проколов) фоторезистивного слоя от частоты вращения центрифуги для слоев с различной вязкостью фоторезиста.

Недостатками метода являются:

-неустранимое краевое утолщение слоя;

-наличие значительных внутренних

напряжений в пленке;

-неудовлетворительная равномерность

получения слоя;

В связи с этим применяется метод нанесения фоторезиста распылением. Формирование пленки происходит из осажденных на подложку дискретных капель, которые, перекрываясь, образуют сплошной слой.

По сравнению с методом центрифугирования распыление фоторезиста имеет ряд преимуществ:

-возможность точного контроля толщины покрытия;

-отсутствие краевого утолщения;

-отсутствие внутренних напряжений и дефектов слоя;

-высокая адгезия пленки фоторезиста к подложке.

Формирование защитного рельефа происходит в процессе экспонирования, проявления и термической обработки фоторезистивного слоя. Основным условием качественного проведения экспонирования является оптимальная экспозиция, т.е. время выдержки фоторезистивного слоя под источником УФ облучения, при котором обеспечиваются качество и воспроизводимость результатов ФЛГ процесса (Рис.7.6).

Методы экспонирования

/ \

Контактный Проекционный

Рис.7.6.

В условиях серийного производства ИМС находит широкое применение контактный метод экспонирования, при котором фотошаблон находится в контакте с фоторезистивным слоем в процессе экспонирования. Перед экспонированием проекция рисунка фотошаблона должна быть точно совмещена с рабочим полем подложки будущей ИМС, а если последняя представлена более чем одним слоем, то с рисунком предшествующего слоя ИМС.

С этой целью в установке используются микроскоп, с помощью которого оператор визуально совмещает изображение защитного рельефа с изображением на фотошаблоне (ФШ). Для совмещения используют специальные отметки, нанесенные при изготовлении ФШ. После совмещения ФШ и подложку сближают до соприкосновения и производят экспонирование.

Т.к. метод имеет существенные недостатки:

быстрый износ ФШ (1520 циклов совмещений), непосредственный контакт с подложкой и др., начали применять проекционное экспонирование.

Принцип этого метода заключается в том, что изображение ФШ проецируется на подложку с фоторезистом (ФР) через специальный объектив с высокой разрешающей способностью. Операцию совмещения проводят через тот же объектив.

Метод устраняет недостатки контактного метода и имеет ряд преимуществ: повышение срока службы ФШ (т.к. нет контакта с подложкой), возможность применения ФШ с масштабом большим, чем 1:1.

ФШ необходим практически для проведения любого процесса ФЛГ. Он мо

жет быть изготовлен из любого непрозрачного для УФ излучения материала,

в котором можно было бы создать прозрачные участки в соответствии с

конфигурацией требуемого рисунка слоя ИМС.

Технология изготовления ФШ является одним из наиболее сложных процессов в микроэлектронике, и такие технико-экономические показатели в

производстве ИМС, как процент выхода годных изделий, производительность, стоимость, сроки от разработки до перехода к серийному производству, во многом определяются качеством ФШ, трудоемкостью и стоимостью их проектирования и изготовления.

В настоящее время наиболее распространенными методами изготовления

ФШ являются фотомеханический и линзо-растровый (Рис.7.7), сущность ко

торых заключается в изготовлении фотооригинала, т.е. увеличенного во

много раз изображения будущего ФШ, с последующим его уменьшением с по

мощью прецизионных фотооптических систем.

Методы изготовления ФШ

/ \

Фотомеханический Линзорастровый

Рис.7.7

Фотомеханический метод хорошо освоен промышленностью и представляет

собой многоступенчатое уменьшение изображения фотооригинала с использованием механического фотоповторителя для мультипликации распечатывания единичного изображения фотооригинала на площади ФШ. Мультипликация (фотоповторение) необходима, т.к. обычно подложка ИМС имеет ряд симметрично расположенных идентичных изображений фотооригинала.

Полученный ФШ является эталоном. Он служит для изготовления контактной фотопечати рабочих копий, используемых в серийном производстве ИМС. Возможности метода зависят от качества оптики и точности работы механического фотоповторителя.

ФШ, получаемые этим методом, имеют разрешающую способность до 3 мкм при неровности края 0,51мкм и точности обработки шага при мультиплицировании в пределах 13 мкм (мультипликацию производят на последней стадии фотоуменьшения).

Линзорастровый метод изготовления ФШ осуществляет одноступенчатое

уменьшение с оптической мультипликацией изображения фотооригинала. Для

получения мультиплицированного изображения используют линзорастровую

оптику. По такой технологии получают ФШ с разрешающей способностью порядка 1015 мкм. Достоинство этого метода с предыдущим использование

менее сложного и дорогостоящего оборудования (стоимость комплекта обо

рудования в 5 раз ниже). Производительность этого метода выше: изготовление комплекта совмещаемых ФШ из 5 6 шт. При многоступенчатом фото

механическом варианте занимает 2 3 недели, а при одноступенчатом

2 3 дня.

Основными операциями изготовления ФШ являются:

вычерчивание топологического чертежа;

изготовление оригинала ФШ.

Каждый из полученных чертежей является исходным документом для изготовления соответствующего фотооргинала. Изготовление последнего начинают с выбора масштаба по отношению к ФШ. Масштаб устанавливают с учетом требуемой точности в выполнении линейных размеров элементов ИМС.

Для изготовления оригинала применяют способ скрайбирования с использованием оптического стекла (пленки), предварительно покрытого непрозрачным слоем. Этот способ состоит в вычерчивании резцом тонких линий контуров с последующим удалением непрозрачного покрытия внутри контура.

Кроме того, используют двухслойные органические пленки, верхний слой

которых окрашен в определенный цвет (например, красный). С помощью резца

удаляют часть верхнего слоя в соответствии с чертежом. Оставшаяся часть

верхнего слоя представляет собой рисунок фотооригинала.

Эти способы являются ручными и имеют ряд недостатков: низкую производительность и большую вероятность получения ошибок, что сдерживает выпуск сложных ИМС в условиях серийного производства.

Более прогрессивными методами являются полуавтоматический метод, т.е.

кодирование координат рисунка слоя, введение их в ЭВМ, которая управляет резцом координатографа.

7.4 Методы получения рисунка микросхем.

Для получения заданного рисунка (рельефа) ИМС применяют ряд методов

(Рис.7.8).

Методы получения рисунка ИМС

/ \ \

Металлической Контактной Селективного

свободной маски маски травления

Рис.7.8

Выбор метода определяется видом производства ИМС (единичное, серийное, массовое).

Получение рисунка методом свободной маски заключается в использовании маски трафарета , изготовленной, как правило, из металлической пластины, имеющей щели и отверстия согласно топологии слоя, который нужно нанести на подложку.

Контактная маска в отличии от свободной не имеет микро зазора между

подложкой ИМС и маской в процессе напыления, т.к. является неотъемлемой

частью подложки. Маску изготавливают из тонкой пленки непосредственно

на поверхности подложки.

Получение рисунка тонкопленочной ИМС методом селективного травления

подразумевает травление тонкопленочных структур, предварительно нанесенных на всю поверхность подложки.

При изготовлении свободных масок наибольшее распространение получи

ли методы фотохимической обработки. На рис.7.9 изображена схема фотохимического способа изготовления ионометалических свободных масок.