386
.pdfМинистерство образования Российской Федерации Омский государственный университет
Фотолитографический метод создания тонкопленочных ВТСП структур
Лабораторный практикум (для студентов физического факультета)
специальность 010400 «Физика»
Издание |
Омск |
ОмГУ |
2004 |
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
2
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
3 |
4 |
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-
5 |
6 |
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.
2 |
2 |
|
1 |
1 |
|
4 |
4 |
|
3 |
3 |
|
5 |
||
5 |
||
2 |
2 |
|
1 |
1 |
|
2 |
2 |
|
1 |
1 |
|
|
2
1 |
а)
2
SiO2 |
1 Si
б)
Рис. 2. Этапы процесса фотолитографии а) негативный фоторезист; б) позитивный фоторезист
В зависимости от механизма протекающих в фоторезисте фо- тохимических реакций и особенностей изменения его свойств фото- резисты делят на негативные и позитивные. При облучении негатив- ного фоторезиста через фотошаблон в освещаемых участках фоторе- зиста протекают процессы, приводящие к потере их растворимости в соответствующих растворителях (проявителях), в результате чего после обработки в них удаляются только необлученные участки, расположенные под непрозрачными элементами фотошаблона. При
7 |
8 |
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
9 |
10 |
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-
11 |
12 |
ческом или электрохимическом осаждении на нее другого материала |
50х50 мм2, что позволяет расположить на нем от десятков до десят- |
обратная сторона подложки покрывается кислотоупорным лаком. |
ков тысяч элементов. |
На заключительной стадии процесса фотолитографии, как |
3. Высокая контрастность, которая обеспечивается большой |
правило, следует удаление использованного фоторезистивного рель- |
оптической плотностью непрозрачных участков и отсутствием вуали |
ефа с помощью растворителей: диоксана, диметилформалида, моно- |
на прозрачных участках. |
этаноламина, дихлорэтана и др., обычно с применением механиче- |
4. Высокая точность размеров элементов и расстояний между |
ского воздействия. |
ними. Первое из этих требований связано с необходимостью обеспе- |
|
чения точных размеров активных и пассивных структур интеграль- |
Фотошаблоны |
ных микросхем для уменьшения разброса их электрических пара- |
Фотошаблон – образец (шаблон), несущий информацию о |
метров. Второе требование обусловлено необходимостью последо- |
взаиморасположении и геометрических размерах элементов изготав- |
вательного совмещения нескольких фотошаблонов, входящих в один |
ливаемой микроэлектронной схемы. Фотошаблон называется пря- |
комплект, предназначенный для многослойных структур в микро- |
мым, если его рисунок является позитивным отображением ориги- |
схемах. |
нала, и обратным, если его рисунок является негативным отображе- |
5. Высокое качество оптически плотных участков. Фотошаб- |
нием оригинала. Фотошаблон может быть изготовлен из любого не- |
лоны не должны иметь на непрозрачных участках царапины, проко- |
прозрачного для ультрафиолетового излучения материала, в котором |
лы, пятна и т.д. Полное отсутствие дефектов, особенно в сложных и |
можно было бы реализовать (выполнить) прозрачные участки. Чаще |
больших по площади фотошаблонах, получить очень трудно. Поэто- |
всего в качестве фотошаблона применяют пластины из оптического |
му обычно принимают, что количество дефектных элементов рисун- |
стекла или кварца, на одной поверхности которых расположены не- |
ка не должно превышать 1%. |
прозрачные (оптически плотные) участки, получаемые фотолито- |
6. Плоскостность рабочей поверхности фотошаблона, которая |
графическим или иным способом. |
должна быть не хуже 0,5 мкм на длине 25 мм, чтобы избежать зазо- |
Технология изготовления фотошаблонов является одним из |
ров между слоем фоторезиста и шаблоном при контактной печати. |
наиболее сложных процессов в микроэлектронике. Это обусловлено |
7. Стабильность характеристик фотошаблонов и их износо- |
рядом специфических особенностей фотошаблонов и предъявляе- |
стойкость во времени. Частое прижатие фотошаблона к подложке, |
мыми к ним требованиями. Основные требования к фотошаблонам |
покрытой фоторезистом, при экспозиции контактным способом при- |
следующие: |
водит к его стиранию. Обычно эмульсионные фотошаблоны не вы- |
1. Высокая разрешающая способность, которая диктуется не- |
держивают более 20 операций контактной печати. В связи с этим |
обходимостью получения минимальных размеров элементов рисунка |
широко применяются фотошаблоны, использующие в качестве оп- |
– от единиц до десятых долей микрона. Поэтому разрешающая спо- |
тически плотного слоя не фотоэмульсии, а более износостойкие ме- |
собность фотошаблона должна быть порядка 1000 линий/мм. |
таллические покрытия (например, хром). Металлизированные фото- |
2. Достаточно большая площадь рабочего поля, необходимая |
шаблоны выдерживают более 1000 операций контактной печати. |
для размещения на нем большого количества элементов изображе- |
При изготовлении непрозрачного слоя фотошаблона могут |
ния. Рабочее поле фотошаблона обычно имеет размеры примерно |
быть использованы следующие материалы: |
|
1) серебряная эмульсия; |
13 |
14 |
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).
|
излучение |
|
2 |
1 |
дифракция |
|
рассеяние |
|
отражение |
3 |
|
Рис. 3. Оптические процессы в слое фоторезиста
15 |
16 |
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-
17 |
18 |
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.
19 |
20 |