386

Министерство образования Российской Федерации Омский государственный университет

Фотолитографический метод создания тонкопленочных ВТСП структур

Лабораторный практикум (для студентов физического факультета)

специальность 010400 «Физика»

УДК 538.945 Ф81

Рекомендован к изданию учебно-методическим советом ОмГУ. Протокол № 1 от 28 апреля 2004 г.

Ф81 Фотолитографический метод создания тонкопленочных ВТСП структур: Лабораторный практикум (для студентов физи- ческого факультета) / Сост.: С.А. Сычев, Г.М. Серопян, И.С. По- зыгун, В.В. Семочкин. – Омск: Омск. гос. ун-т, 2004. – 27 с.

Материал соответствует Государственному образовательному стандарту по специальности 010400 «Физика». Даются представления

о фотолитографическом методе создания тонкопленочных структур с использованием метода сухого травления и, в частности, микро- структур из тонких ВТСП пленок для изготовления элементов сверх- проводящей криоэлектроники.

Может быть использован студентами других специальностей.

УДК 538.945

© Омский госуниверситет, 2004

Фотолитографический метод создания тонкопленочных ВТСП структур

Цель работы: создание тонкопленочных ВТСП микрострук- тур, в частности, сквид-геометрии методом фотолитографии и сухо- го травления.

Приборы и принадлежности: центрифуга для нанесения фото- резиста, фоторезист ФП 20Ф, источник ультрафиолетового излуче- ния, фотошаблон (маска), пипетка, термометр, барометр, вакуумный насос, ртутный манометр, ячейка травления, химические реагенты, сушильная печь, образцы тонких ВТСП пленок, микроскоп МИИ-4.

Процесс фотолитографии

Фотолитография – это совокупность фотохимических процес- сов, создающая на поверхности материала защитный слой требуемой

прочности от агрессивных воздействий и последующей операции селективного травления или осаждения, использующих этот защит- ный рельеф.

Сам процесс фотолитографии известен сравнительно давно, он заимствован из полиграфической промышленности. Фотолитография широко применяется в радиотехнической промышленности при из- готовлении печатных плат. Широкое применение фотолитографиче- ские методы получили и в электронной промышленности.

В настоящее время без фотолитографии невозможно себе представить получение полупроводниковых приборов и интеграль- ных микросхем.

К основным достоинствам фотолитографического процесса следует отнести:

1)возможность получения пленочных и объемных компонентов интегральных микросхем весьма малых размеров (до единиц и долей микрона) практически любой конфигурации;

2)универсальность метода: изготовление металлических масок для напыления пленок, селективное травление пленочных сло- ев, вытравливание “окон” в маскирующих пленках для локаль-

ной диффузии, эпитаксии и ионной имплантации, глубинное травление в полупроводниковых и диэлектрических подлож- ках и т.д.;

3)возможность применения групповой технологии (за одну опе- рацию и на одном виде оборудования – получение сотен и ты- сяч элементов интегральных микросхем и дискретных полу- проводниковых приборов).

Оптическая литография объединяет в себе такие области нау- ки, как оптика, механика и фотохимия. При любом типе печати, как контактной, так и проекционной, ухудшается резкость края (рис. 1).

Проецирование двумерного рисунка схемы ведет к уменьшению крутизны края, поэтому нужен специальный фоторезист, в котором

под воздействием синусоидально модулированной интенсивности пучка будет формироваться прямоугольная маска для последующего переноса изображения травлением или взрывной литографией.

Край щели

Контактная

печать

Печать с зазором

Проекционная

печать

Рис. 1. Профили распределения интенсивности в изображении для случаев контактной печати, печати с зазором

и проекционной литографии

Если две щели размещены на некотором расстоянии друг от друга, то неэкспонируемый участок частично экспонируется по сле- дующим причинам:

1)дифракция;

2)глубина фокуса объектива;

3)низкоконтрастный фоторезист;

4)стоячие волны (отражение от подложки);

5)преломление света в фоторезисте.

Изображение неточечного источника в фокальной плоскости идеального объектива никогда не бывает истинной точкой, а распре- деляется в дифракционную картину диска Эйри. Таким образом, не- экспонируемый промежуток частично экспонируется дифрагиро- вавшим и отраженным от подложки излучением. Вследствие внут- реннего эффекта близости изолированные экспонируемые линии об- лучаются недостаточно и должны экспонироваться с большей дозой, что ведет к искажению изображений линий размером более 3 мкм или неэкспонируемых промежутков размером менее 3 мкм, или про- являться с потерей толщины фоторезиста в неэкспонируемых про- межутках.

Таким образом, задача фотолитографии заключается в том, чтобы обеспечить совмещение и воспроизвести в фоторезисте дву- мерный рисунок фотошаблона с точностью в пределах ±15% от но- минального размера его элементов и с 5%-ным допуском на требуе- мый наклон краев. Послойное совмещение приборных структур должно осуществляться с точностью не хуже ±25% от размера ми- нимального элемента.

Используемые в фотолитографии источники экспонирующего излучения бывают как точечными (лазеры), так и протяженными (ртутные и Xe дуговые лампы). Спектр излучения этих источников лежит в трех основных спектральных диапазонах:

–Дальний УФ от 100 до 200-300 нм;

–Средний УФ 300-360 нм;

–Ближний УФ от 360-450.

Существует 3 основных типа фотолитографических устройств:

1)контактная печать;

2)проекционные с преломляющей оптикой;

3)проекционные с отражательной оптикой.

При контактной печати шаблон, выполненный в масштабе 1:1,

находится в физическом контакте с подложкой или отдален от нее на несколько микрометров в случае печати с зазором. Главными недос- татками контактной печати являются повреждения шаблона и огра- ниченная совместимость.

В проекционных системах используются линзы или зеркала, позволяющие проецировать рисунок фотошаблона (масштаб 10:1, 5:1 или 1:1) на квадратное поле (20х20) или полоску (1,5 мм), кото- рая затем сканируется по пластине.

Контактная печать. В принципе сколь угодно высокое раз-

решение может быть получено при физическом контакте шаблона и подложки, а также методом прямого молекулярного осаждения. Од- нако на практике молекулярный контакт трудно осуществить, а шаб- лон после десятка проходов при совмещении и печати повреждается. Перемещения и шаблона, и пластины в процессе совмещения вызы- вают ошибки оператора и ограничивают точность совмещения при- мерно до ±1 мкм. На ранних этапах развития литографии контактная

печать служила основным методом для получения изображений с размерами 3–10 мкм. Поскольку для жидкостного травления важен не профиль изображения в резисте, а его ширина, уход размеров в пределах ±1 мкм при жидкостном проявлении совместим с отклоне- ниями ±1 мкм при печати.

При использовании соответствующего контактного шаблона или двухслойных резистов могут быть получены изображения раз- мером вплоть до 0,1 мкм. При использовании коротковолнового УФ-

излучения метод печати с зазором позволяет получать рисунки с шириной линии 1 мкм. Если зазор Z между шаблоном и пластиной превышает френелевский предел (±5%-ный допуск для интенсивно-

сти и 20%-ный допуск для ширины линии), предельное разрешение W составляет 1–2 мкм для зазора 5-10 мкм:

W 0,7λZ .

При дальнейшем увеличении зазора в изображении появляют- ся вторые и третьи дифракционные порядки и результирующий про- филь оказывается сужающимся книзу. Близко расположенные линии при контактной печати или печати с зазором расплываются из-за конструктивной интерференции между волнами, дифрагировавшими на соответствующих краях.

Использование более коротковолнового излучения в контакт- ной печати и печати с зазором позволяет работать с большими зазо- рами. Круглые отверстия воспроизводятся лучше, чем прямоуголь- ные фигуры, в которых наблюдается закругление углов вследствие внутреннего эффекта близости.

Благодаря дифракции дефекты в виде точечных проколов не воспроизводятся. Использование негативных фоторезистов в методе печати с зазором затруднено тем, что интенсивность дифрагировав-

шего на шаблоне света уменьшается при его распространении за шаблоном, и в резисте пропечатываются высокие порядки дифрак- ции.

Сущность процесса фотолитографии заключается в следую- щем (см. рис. 2).

На поверхность материала 1 (полупроводник, диэлектрик, ме- талл или сверхпроводник) наносят тонкий слой фоторезиста 2. Фо- торезисты – это светочувствительные вещества, которые устойчивы к агрессивным химическим, электрохимическим и другим воздейст-

виям и предназначены для создания защитного рельефа требуемой конфигурации от этих воздействий. При создании защитного релье- фа фоторезист освещают через фотошаблон – кварцевую пластину 3, на одной поверхности которой предварительно создан контраст- ный рисунок, состоящий из прозрачных 4 и непрозрачных 5 участ- ков. Под действием света в освещаемых участках фоторезистивного слоя протекают фотохимические реакции, в результате которых эти участки изменяют свои свойства.

этом на подложке образуется защитный рельеф, повторяющий нега- тивное изображение фотошаблона.

В позитивных фоторезистах под действием света в освещае- мых участках протекают фотохимические реакции, приводящие, на- оборот, к усилению их растворимости в соответствующих проявите- лях, в результате чего после обработки в них удаляются (вымывают- ся) только облученные участки фоторезиста и защитный рельеф по- вторяет позитивное изображение фотошаблона.

Собственно процесс фотолитографии на этом, как правило, за- канчивается. Последующее использование защитного рельефа в за- висимости от типа изделия, подлежащего обработке, заключается в

травлении материала подложки на незащищенных фоторезистом участках или в наращивании того или иного материала на этих уча- стках, например, в электрохимическом осаждении металла на эти участки.

Рассмотрим подробнее сущность основных процессов фотоли- тографии.

Подготовка поверхности подложки перед напылением пленок предшествует операции нанесения фоторезиста и включает в себя ряд последовательных промывок. Их цель – удаление загрязнений,

обезжиривание и обеспечение качества фоторезистивного покрытия и хорошей адгезии фоторезиста к подложке. Промывка подложек производится в жидких органических растворителях или в их парах. Для промывки используются следующие растворители: трихлорэти- лен, толуол, четыреххлористый углерод, ацетон, этиловый спирт и др. В современных процессах подложка с напыленной пленкой сразу подвергается фотолитографии.

Следующая операция – формирование фоторезистивного слоя

– включает в себя нанесение слоя фоторезиста на поверхность под- ложки с пленкой и сушку этого слоя. Формирование фоторезистив- ного слоя является одной из основных операций процесса фотолито- графии, так как разрешающая способность и кислотостойкость фо- торезистивного покрытия зависят от его толщины и адгезии к под- ложке и, следовательно, от условий нанесения фоторезиста на по-

верхность подложки: центрифугирование, пульверизация (распыле- ние жидкого фоторезиста сжатым газом), погружение (окунание) образца в раствор фоторезиста и полив подложки жидким фоторези- стом.

Широкое применение в настоящее время получил метод цен- трифугирования. При нанесении слоя фоторезиста этим методом подложку закрепляют в центре диска, который вращается с угловой скоростью (2–15)∙103 об/мин. и в процессе его вращения на подлож- ку из пипетки наносят несколько капель фоторезиста.

Процесс растекания фоторезиста на плоском вращающемся диске происходит под действием центробежных сил и сил сопротив- ления, обусловленных вязкостью фоторезиста. Изучение процесса

растекания жидкости на вращающемся диске методом скоростной фотосъемки показало, что при центрифугировании раствор фоторе- зиста образует на подложке растекающийся поток, который может быть разбит на две области: тонкий пограничный слой, где силы вяз- кости уравновешиваются центробежными силами, и область «внеш- него потока», где можно не учитывать влияние вязкости. При цен- трифугировании «внешний поток» сбрасывается с подложки центро- бежными силами, и на поверхности остается только пограничный слой, толщина которого

h = A3ηω ,

где А – коэффициент пропорциональности; η – вязкость фоторезиста; ω – угловая скорость вращения диска.

Из этой формулы следует, что толщина слоя фоторезиста зави- сит от угловой скорости и от вязкости фоторезиста, но не зависит от радиуса подложки. Экспериментальные данные подтверждают это. Поэтому толщину слоя наносимого фоторезиста можно регулиро- вать, меняя угловую скорость вращения подложки.

Недостатками метода центрифугирования является неустра-

нимое краевое утолщение слоя и наличие значительных внутренних напряжений в пленке, обусловленных действием центробежных сил.

В связи с этим в последние в последние годы начинает находить

практическое применение метод пульверизации фоторезиста. Досто- инством этого метода является отсутствие утолщений по краям пла- стины, минимум внутренних напряжений и дефектов в слое (отсут- ствие центробежных сил), высокая адгезия пленки фоторезиста на профилированные поверхности, высокая производительность и воз- можность автоматизации процесса.

Метод погружения особенно удобен в случае формирования двусторонних фоторезистивных покрытий. Однако поперечное сече- ние покрытия, нанесенного погружением, имеет форму клина. По-

скольку толщина покрытия пропорциональна скорости вытягивания подложки из раствора фоторезиста, то более медленное вытягивание дает более тонкое и, как правило, более однородное покрытие. Один из способов ослабления «эффекта клина» заключается в том, что подложку окунают в раствор фоторезиста дважды, и при этом перед вторым погружением подложку поворачивают на 180°. Этот способ

очень прост в конструктивном оформлении и успешно применяется при производстве печатных плат.

После нанесения фоторезиста его подвергают сушке, во время которой происходит испарение растворителя и пленкообразование. Для получения высококачественной пленки сушку фоторезиста осу- ществляют в два этапа. Сначала фоторезист в течение 10–15 минут подсушивают при комнатной температуре. При этом происходит по- степенное удаление растворителя и ориентированная укладка мак- ромолекул полимера. Последняя является обязательным условием адгезии слоя к подложке. Затем производится сушка при повышен- ных температурах (до 100°С) в течение 20–30 минут. Обычно время

и температура сушки для определенного фоторезиста подбираются экспериментально. После формирования фоторезистивного слоя на

поверхности подложки осуществляют формирование защитного рельефа, которое происходит в процессе экспонирования, проявле- ния и термической обработки (задубливания) фоторезистивного слоя.

Перед экспонированием рисунок фотошаблона должен быть точно совмещен с рабочим полем подложки. После совмещения фо-

тошаблон и подложка с фоторезистом приводятся в соприкоснове-

ние и производится операция экспонирования ультрафиолетовым излучением. Основным условием качественного экспонирования является оптимальная экспозиция. Обычно экспозицию подбирают опытным путем так, что получается наиболее качественное воспро- изведение рисунка на защитном рельефе.

После экспонирования производят проявление изображения. При этом растворимые части фоторезистивного слоя вымываются. Для негативного фоторезиста ими будут необлученные участки, а для позитивного – облученные. Проявляющие растворители подби- раются в зависимости от природы фоторезиста. В результате такой

обработки на поверхности подложки образуется защитный рельеф требуемой конфигурации.

Защитный рельеф на поверхности подложки сначала подсуши- вается при комнатной температуре, а затем производится термооб- работка защитного рельефа при повышенных температурах (150– 200°). Процессы полимеризации, происходящие в нем в это время, повышают адгезию и кислотоустойчивость. Эта операция называется дублением. Увеличение температуры и времени углубляет процесс дубления, т.е. фоторезистивный слой приобретает лучшие защитные свойства. Однако это ведет к трудоемкой операции – последующему снятию слоя. Поэтому в зависимости от конкретных условий время и температуру дубления ограничивают величинами, достаточными для получения только оптимальной защиты. Типичный режим дуб- ления составляет 20–30 мин. при 130–150°С и только для длительно- го травления в сильных реагентах режим дубления негативных фо- торезистов повышают до 30–60 мин. при 200°С.

После вышеописанного процесса получения «фоторезистивной маски» заданной конфигурации следует обработка участков подлож- ки, которые не защищены слоем фоторезиста. Эта обработка заклю- чается чаще всего в химическом травлении материала подложки ли- бо в химическом, электрохимическом или физическом наращивании материала. При химическом травлении подложек, а также при хими-

2)обработанный ионами резист;

3)диазидные полимеры;

4)оксид железа;

5)германий на стекле;

6)хром на стекле;

7)отожженный полиакрилонитрил;

8)оксид европия.

Фоторезисты

Фоторезисты являются светочувствительными сложными ком- позициями (составами) органических веществ, состоящими из поли- мерной основы и различных добавок. В качестве полимерной основы используются: поливиниловый спирт, полиэфиры, полиамиды, фе- нолформальдегидные и эпоксидные смолы, поливинилацетат, каучу- ки и др. Добавки обеспечивают в первую очередь повышение свето- чувствительности полимеров, а также такие важные качества, как кислотостойкость, вязкость, смачивание и другие.

Для определения пригодности фоторезистов в технологии из- готовления полупроводниковых приборов и интегральных микро- схем используют три основных критерия: светочувствительность, разрешающую способность и кислотостойкость.

Светочувствительность фоторезиста – это величина, обрат- ная количеству поглощенной световой энергии, необходимой для получения в данном слое фоторезиста определенного фотохимиче- ского эффекта, который состоит в потере (в негативном фоторезисте) или приобретении (в позитивном фоторезисте) растворимости облу- ченных участков фоторезиста:

S = E1×t = H1 ,

где Е – интенсивность облучения слоя фоторезиста толщиной h, в котором произошел требуемый фотохимический эффект; t – время выдержки; H – экспозиция.

Физический смысл этого критерия состоит в том, что, чем

меньше требуется экспозиция для изменения растворимости слоя на глубину h, тем более светочувствителен фоторезист.

Большинство фоторезистов обладают светочувствительностью к ультрафиолетовой области спектра, лежащей в диапазоне от 300 до 500 нм. Поэтому они экспонируются (освещаются) ультрафиолето- выми лучами от таких искусственных источников, у которых макси-

мумы спектра излучения близки к максимумам спектров поглощения фоторезистов.

Под разрешающей способностью фоторезиста понимают максимально возможное число раздельно передаваемых одинаковых линий защитного рельефа на 1 мм поверхности подложки:

R = 10002l ,

где R – разрешающая способность, линий/мм; l – ширина раздель- но передаваемой линии, мкм.

Иногда разрешающую способность определяют наименьшей шириной линии или наименьшим расстоянием между ними в микро- нах. Следует различать разрешающую способность фоторезиста и процесса фотолитографии. Разрешающая способность процесса фо- толитографии всегда ниже разрешающей способности фоторезиста. Это объясняется следующим (рис. 3).

Рис. 3. Оптические процессы в слое фоторезиста

При экспонировании (освещении) имеет место паразитное об- лучение слоя 1 фоторезиста за счет дифракции света на краю непро- зрачного элемента 2 (участка) фотошаблона, диффузного рассеяния

вслое 1 и частичного отражения от подложки 3. В результате этого происходит засвечивание незначительной части слоя, лежащей под непрозрачным элементом около границы прозрачный–непрозрачный элементы. В случае негативного фоторезиста участок, расположен- ный непосредственно под непрозрачным элементом 2 фотошаблона, засвеченный паразитным облучением незначительной интенсивно- сти, легко удаляется при проявлении. После проявления остается лишь участок, непосредственно прилегающий к подложке, удержи- ваемый силами адгезии.

Таким образом, на границе защитного рельефа образуется «ореол» (рис. 4), который снижает разрешающую способность про- цесса фотолитографии при использовании негативного фоторезиста.

При тех же условиях экспонирования при использовании по- зитивного фоторезиста «ореол» практически не возникает. Поэтому

вэтом случае разрешающая способность процесса фотолитографии будет выше. Кроме того, разрешающая способность самих позитив- ных фоторезистов выше, чем негативных.

1

ореол

3

Рис. 4. Возникновение ореола при использовании

негативного фоторезиста

Разрешающая способность процесса фотолитографии также снижается из-за бокового подтравливания (на некоторую величину х) под слоем фоторезиста на границах защитного рельефа при трав- лении материала подложки (рис. 5). Очевидно, чем выше толщина слоя негативного фоторезиста, тем больше «ореол» при проявлении.

Толстые слои фоторезиста хуже удерживаются на подложке по срав- нению с тонкими, что увеличивает боковое подтравливание. Поэто- му с увеличением толщины фоторезистивного покрытия падает раз- решающая способность процесса фотолитографии. Обычно исполь- зуют слой фоторезиста толщиной 0,3÷1 мкм.

фоторезист

x

h

подложка

Рис. 5. Возникновение бокового подтравливания

материала подложки

Разрешающая способность фоторезистов находится в интерва- ле 50÷500 линий/мм, а процесса фотолитографии в 1,5÷2 раза ниже.

Кислотостойкость. Фоторезисты должны обладать высокой устойчивостью к воздействию кислот и щелочей, так как в процессе травления защитный рельеф значительное время (до нескольких ми- нут) контактирует с кислотами и щелочами. Стойкость фоторезиста

к химическим воздействиям зависит как от химического состава его полимерной основы, так и от толщины и состояния фоторезистивно- го покрытия. Нестойкость фоторезиста определяют по следующим признакам: 1) частичное разрушение пленки; 2) отслаивание пленки от подложки; 3) локальное растравливание; 4) боковое подтравлива- ние на границах защитного рельефа. Первые два вида нарушения

пленки фоторезиста при химической обработке свидетельствуют о полной его непригодности для изготовления микросхем и могут служить критериями забраковывания всей партии приготовленного фоторезиста. Два других вида нестойкости слоя фоторезиста (ло-

кальное растравливание и боковое подтравливание) допустимы в определенных пределах. Локальное растравливание обусловлено по- явлением различного рода дефектов в слое фоторезиста: сквозные поры (проколы), пыль, пустоты и др. В результате появления таких дефектов пленка фоторезиста локально пропускает травители на за- щитных участках рельефа. Причиной появления дефектов в слое

может быть возникновение механических напряжений и проколов в процессах нанесения слоя, сушки, экспонирования и проявления, причем, чем тоньше слой, тем вероятнее возникновение подобных дефектов. Степень локального растравливания и пористости слоя

фоторезиста выявляют микроскопическим анализом поверхности пластины после процесса травления. При этом дефектность опреде- ляется числом дефектов на единицу площади. Такой параметр, как кислотопроницаемость, численно равен площади, приходящейся на один дефект.

Величина бокового подтравливания х зависит не только от глубины травления h, но и от адгезии слоя фоторезиста к подложке.

Поэтому кислотостойкость фоторезистов часто оценивают фактором травления

Kтр = hx .

Очевидно, что, чем лучше адгезия фоторезистивного слоя к подложке, тем меньше х и h и, следовательно, выше кислотостой- кость. Адгезия фоторезиста зависит от его физико-химических

свойств и условий проведения операций процесса фотолитографии (нанесение, сушка, экспонирование, термообработка и т.д.).

Выбор фоторезистов определяется вышерассмотренными кри- териями, окончательный же выбор фоторезиста определяют приме- няемые травители, материал подложки, подлежащий травлению, а также требования, предъявляемые к изделию. При этом следует учи- тывать, что позитивные фоторезисты обладают высокой разрешаю-

щей способностью и позволяют получать четкие границы защитного рельефа. Негативные фоторезисты предпочтительно используются в процессах, связанных с глубоким травлением металлов.

Примером позитивного фоторезиста является фоторезист ФП-383, который представляет собой раствор светочувствительных продуктов новолачной смолы в диоксане. Внешний вид ФП-383 – вязкая прозрачная жидкость оранжевого цвета. Разрешающая спо- собность – 400 линий/мм. Кислотопроницаемость пленки фоторези- ста толщиной 1 мкм характеризуется плотностью дефектов в пленке и равна 0,6 мм2. ФП-383 применяют при изготовлении полупровод- никовых приборов и интегральных микросхем.

Примером негативного фоторезиста является фоторезист ФН-11, который представляет собой раствор циклокаучука, фото- сшивающего агента в смеси ксилола с толуолом. Его внешний вид – прозрачная жидкость светло-коричневого цвета. Разрешающая спо- собность фоторезиста при толщине пленки 2,5 мкм равна 100 ли- ний/мм. ФН-11 применяют в процессах фотолитографии металлов: меди, стали, хрома, анодированного алюминия и др.

Метод сухого травления

В данной работе применяется метод радикального газового травления, основанный на гетерогенных химических реакциях с ис- пользованием стабильных кластеров типа (HCl·n(H2O))m. Для упро- щения операции травления используются кластеры (HCl·6H2O)m с заданным соотношением HCl и H2O, полученные путем напуска в вакуумированную камеру паров азеотропного раствора соляной ки- слоты.

Как видно из рис. 6, скорость травления существенно зависит от температуры в камере, что дает возможность тонкой регулировки процесса травления.