литография / 1_2_Основные этапы микролитографии

времени экспонирования экспозиция в точке В может оказаться недостаточной и в освещенной области изображения сохранятся валики неудаленного при проявлении фоторезиста.

На практике для оценки разрешения контактной фотолитографии используют растры с одинаковыми прозрачными и непрозрачными полосами, при этом полагают, что

wmin 3/2 z h/2

где wmin - ширина полосы растра,

z - микрозазор между фотошаблоном и поверхностью фоторезиста h - толщина фоторезиста

В случае жесткого контакта единственным "спейсером" между фотошаблоном и заготовкой является фоторезист (считается, что на значительной части рабочей зоны z = 0) и

поэтому разрешение определяется выражением

wmin 3/2 h/2

В ряде случаев экономически целесообразно проводить экспонирование при гарантированном микрозазоре, величина которого может доходить до 50 и даже 100 мкм, что значительно превышает толщину фоторезиста. В первом случае обеспечивается разрешение в 7

мкм, а во втором - 10 мкм, что хорошо согласуется с вариантом формулы

wmin 3/2 z

ивполне достаточно, например, для тонкопленочных приборов

Впрецизионной кремниевой технологии данное выражение также применимо, но с меньшим коэффициентом

wmin 0,7 z

Приведенные формулы пригодны для укрупненной оценки возможностей фотолитографических систем контактного типа, в них явно угадываются параметры,

определяющие дифракционные эффекты: длина волны , зазор z , размер окна в фотошаблоне

w.

По принципу действия установки совмещения и экспонирования (УСЭ) контактного типа аналогичны рассмотренным в предыдущем реферате установкам размножения рабочих фотошаблонов. Вместе с тем УСЭ должны отвечать ряду дополнительных требований.

Прежде всего, при многократном репродуцировании изображений фотошаблонов на полупроводниковую подложку необходимо точно (в пределах 0,5... 1 мкм и менее) совмещать изображение очередного фотошаблона с изображением на подложке.

Необходимо учитывать, что погрешности формы полупроводниковых подложек

(разнотолщинность, клиновидность, неплоскостность) выше, чем у стеклянных заготовок фотошаблонов. Кроме того, на подложки наносятся технологические слои и пленки, они подвергаются высокотемпературным операциям—окислению, эпитаксии, диффузии. Все это

ведет к короблению подложек и резкому увеличению их неплоскостности, что сильно затрудняет обеспечение равномерного контакта подложки с шаблоном при экспонировании.

В связи с этим, в установку совмещения и контактного экспонирования введены ряд дополнительных механизмов. К ним относятся:

1)узел автоматической загрузки-выгрузки и предварительной ориентации подложек;

2)механизмы подготовки совмещения (выравнивания поверхностей фотошаблона и подложки, создания микрозазора);

3)манипулятор

4)микроскоп совмещения

Механизмы подготовки совмещения предназначены для параллельного выравнивания поверхностей подложки и фотошаблона и создания микрозазора между ними. Эти операции необходимы для качественного выполнения совмещения подложки и фотошаблона,

выполняемого с помощью микроскопа.

Для увеличения разрешающей способности микроскопа увеличивают апертуру его объектива, однако при этим существенно уменьшается глубина резкости, обратно пропорциональная квадрату апертуры: T 0,65/ A2 , где Т- глубина резкости в мкм, А –

числовая апертура.

Так, для получения разрешающей способности W = 1 мкм необходима апертура А = 0,3 , при этом глубина резкости Т=7 мкм. Соответственно для W = 0,6 мкм А=0,5 и Т 2...3 мкм. В

результате даже небольшие отклонения по толщине подложек или их клиновидность могут оказаться соизмеримыми с глубиной резкости микроскопа, составляющей в большинстве случаев 5...20 мкм. При увеличении микрозазора оператор нечетко видит при совмещении рисунки фотошаблона и подложки. При уменьшении микрозазора возрастает вероятность контакта в отдельных зонах, и в результате резко увеличивается износ фотошаблона и повреждение фоторезиста на подложке. В связи с этим необходимо обеспечить постоянство микрозазора независимо от разнотолщинности и клиновидности подложек.

Принципиальная схема УСЭ контактного типа

Механизмы выравнивания рабочих поверхностей подложки и фотошаблона должны обеспечить поворот подложки относительно любой из осей, проходящих через ее центр, с

последующей фиксацией этого положения.

Наиболее распространенным является механизм, представленный на рис2, состоящий из полусферического подпятника, в который подается сжатый воздух для взвешивания сегмента на воздушной подушке. При достижении плотного контакта подложки с фотошаблоном сжатый воздух перекрывается, а подключение гнезда к вакууму обеспечивает фиксацию сегмента.

Механизмы создания микрозазора должны обеспечить постоянство требуемого

микрозазпра между подложкой и фотошаблоном независимо от разнотолщинности подложек. С

этой целью подложкодержатели выполняются самоустанавливающимися по высоте, а величина

электродвигателя 1, который через пару шестерен 7 и 8 вращает кулачок 2. Косой срез кулачка набегает на ролик штока 3, а тот через пружину 4 воздействует на чашку 5. После окончания

выравнивания поверхностей сферический сегмент фиксируется подключением чашки 5 к

вакууму. Дальнейшее вращение кулачка 2 позволяет опустить подложкодержатель вниз для создания между подложкой и фотошаблоном микрозазора для совмещения. На кулачке выполнено восемь разновысоких площадок, позволяющих регулировать величину микрозазора от нуля до 50 мкм. Это позволяет проводить не только контактное, но и теневое экспонирование с гарантированным микрозазором.

Манипулятор обеспечивает перемещение подложки по ортогональным осям и ее поворот при совмещении с фотошаблоном.

Блок экспонирования УСЭ контактного тина во многом аналогичен осветителю установки тиражирования фотошаблонов. В качестве источника используется ртутно-кварцевая лампа ,

излучение которой с помощью рефлектора направляется па зеркало и в блок линзовых растров

. Следующие зеркало направляет расходящиеся пучки излучения на конденсор, преобразующий его в параллельный (в пределах угла коллимации) поток актиничного излучения. На корпусе блока экспонирования крепится микроскоп установки.

В микроскопах УСЭ расстояние между осями объективов регулируется. Возможна также замена объективов микроскопа, позволяющая применять различные увеличения.

Схема и принцип действия двупольного микроскопа

Микроскоп установки выполнен по двухпольной схеме и включает две самостоятельные оптические ветви,

изображении из которых поступает в одно поле зрения.

Каждая ветвь содержит осветительную систему 1,2,3 и 7,9,10 а также объективы 4, 8.

Изображение от объективов передается через полупрозрачные зеркала 3 и 7 и систему линз в наклонный тубус, а затем в окуляры бинокулярной насадки 11. При последовательном включении двух источников света 1 и 10 в поле зрения окуляра четко видно изображение,

поступающее от соответствующего объектива.

В микроскопах УСЭ расстояние между осями объективов регулируется. Возможна также замена объективов микроскопа.

8.2. Проекционные установки совмещения и экспонирования

Проекционная фотолитография исключает контакт фотошаблона с подложкой - при экспонировании они находятся на значительном расстоянии друг от друга, а изображение проецируется в плоскость фоторезиста оптическим объективом. Однако оптические явления,

прежде всего - дифракционные, и в данном случае искажают профиль распределения интенсивности изображения (рис. 2, б). Соотношения значений интенсивности в центре изображения. Как и в предыдущем случае, это определяет возможность получения рельефа с требуемым наклоном края профиля.

В установках проекционной фотолитографии изображение шаблона проецируется оптической системой на рабочую поверхность подложки в масштабе 1 : 1 или с уменьшением. Контакт подложки с фотошаблоном и его износ при этом исключаются, что позволяет снизить дефектность топологических слоев БИС и СБИС и повысить выход годных структур ИС не менее чем в 2-3 раза.

Основными параметрами установок проекционной фотолитогра-

фии являются: размер минимального элемента, рабочее поле экспонирования, диаметр обрабатываемых подложек.

Они непосредственно зависят от оптических характеристик проекционной системы, важнейшим элементом которой является объектив. Он должен сочетать высокую разрешающую способность и

большое рабочее поле, иметь минимальные аберрации и обеспечивать по всему рабочему полю постоянный масштаб увеличения и разрешение.

УСЭ проекционного типа

В установках проекционной фотолитографии изображение шаблона проецируется оптической системой на рабочую поверхность подложки в масштабе 1 : 1 или с уменьшением.

Контакт подложки с фотошаблоном и его износ при этом исключаются, что позволяет снизить дефектность топологических слоев БИС и СБИС и повысить выход годных структур ИС не менее чем в 2-3 раза.

Основными параметрами установок проекционной фотолитографии являются: размер минимального элемента, рабочее поле экспонирования, диаметр обрабатываемых подложек.

Они непосредственно зависят от оптических характеристик проекционной системы,

важнейшим элементом которой является объектив. Он должен сочетать высокую разрешающую способность и большое рабочее поле, иметь минимальные аберрации и обеспечивать по всему рабочему полю постоянный масштаб увеличения и разрешение.

Установка проекционного помодульного экспонирования (stepper).

Основными узлами установки проекционного помодульного экспонирования являются:

1) Координатный стол, выполненный на базе линейного шагового двигателя (ЛШД),

позволяющего значительно упростить кинематическую схему и повысить быстродействие и точность системы позиционирования подложки. Принцип действия ЛШД основан на непосредственном преобразовании электромагнитной энергии в поступательное перемещение индуктора, размещенного на магнитовоздушной подвеске над плоской плитой статора.

2)Координатная измерительная система, контролирующая положение координатного стола с подложкой относительно проекционного объектива. Для этого производится преобразование механических перемещений стола в электрические сигналы, которые используются для управления приводом стола.

3)Система совмещения установки выполнена на базе фотоэлектрического микроскопа

(ФЭМ), контролирующего положение знаков совмещения полупроводниковой подложки относительно оптической оси проекционного объектива.

4) Система автофокусировки. Необходимость применения такой системы и требования к ней определяются оптическими свойствами объективов. Связано это с тем, что глубина резкости высокоразрешающих проекционных объективов значительно меньше неплоскостности полупроводниковых подложек, особенно прошедших термическую обработку и на каждом шаге мультипликации необходимо производить точное размещение экспонируемой зоны подложки в пределах глубины резкости объектива.

Важнейшим элементом проекционной системы является объектив. Он должен сочетать высокую разрешающую способность и большое рабочее поле, иметь минимальные аберрации и обеспечивать по всему рабочему полю постоянный масштаб увеличения и разрешение.

Создание объективов, удовлетворяющих этому комплексу требований, является технически сложной, дорогостоящей и трудоемкой задачей. Кроме того, высокоразрешающие объективы имеют весьма малую глубину резкости, лежащую в диапазоне 3...10 мкм, что соизмеримо с неплоскостностью подложек.

Всвязи с этим в установках с масштабом проецирования 1 : 1 применяют высокоразреша-ющие объективы с небольшим рабочим полем, в пределах которого погрешности репродуцирования минимальны. Экспонирование всей поверхности подложки в таких установках проводят методом мультиплицирования. Созданы также установки с масштабом изображения 1 : 1, в которых используется часть рабочего поля объектива, а полное изображение фотошаблона репродуцируется на подложку при их совместном сканировании относительно этой рабочей зоны объектива.

Вустановках с переносом на подложку уменьшенного изображения топологии шаблона (М 5:1, 10:1) применяется только метод шаговой мультипликации изображения.

Необходимость применения системы автофокусировки и требования к ней также определяются оптическими свойствами объективов. Глубина резкости высокоразрешающих проекционных объективов определяется длиной волны ультрафиолетового излучения и

числовой апертурой объектива А:

2 A2

Для типовых значений =0,436 мкм и А=0,25...0,28 глубина резкости составляет =2,8...3,5

мкм, а неплоскостность полупроводниковых подложек, особенно прошедших высокотемпературную обработку, значительно превышает эти значения. В связи с этим на

каждом шаге мультипликации производится точное размещение экспонируемой зоны подложки в пределах глубины резкости объектива. Для этого обычно используется оптический датчик фокусировки.