![](/user_photo/_userpic.png)
Диплом_9282 / 2023ВКР928224Зикратова
.pdf![](/html/65446/253/html_JI2DLr5YT6.kZPl/htmlconvd-gIVX9u21x1.jpg)
1.4 Фоторезистивные материалы для длинноволновой фотолитографии (436–254 нм)
Ключевые компоненты для широко применяемого типа ФР: сенсибили-
затор – светочувствительная молекула, которая при поглощении света обра-
зует промежуточное соединение, активно реагирующее с полимерной частью с образованием растворимого (для положительного ФР) и малорастворимого
(для негативного ФР) в проявителе соединения; полимерная часть – молеку-
лы, имеющие большой удельный вес и разветвлённую структуру, за счет ко-
торой образует связи с гидрофобной поверхностью и от которых в основном зависят химическая и плазмохимическая стойкости; растворитель – связы-
вающее звено, обеспечивает среду для протекания основной реакции (если используется полярный растворитель, то стабилизирует неустойчивые реак-
ционноспособные частицы – ионы, снижает вязкость для увеличения под-
вижности других компонентов состава, тем самым повышая вероятность их встречи и образованию нужного соединения).
Основа ФР позитивного тона по формулам (1.10 и 1.11):
1) Под действием кванта энергии у молекулы НХД (нафтохинондиази-
да) постепенно обрывается связь с азотом и при реакции с водой образуется кислота – непредпочтительная реакция, т.к. снижает концентрацию кетена и замедляет ход реакции (1.10):
, |
(1.10) |
где R – радикал
2) Образовавшееся промежуточное соединение сенсибилизатора реаги-
рует со смолой (в данном случае с новолаком) по реакции (1.11):
21
![](/html/65446/253/html_JI2DLr5YT6.kZPl/htmlconvd-gIVX9u22x1.jpg)
(1.11)
Негативный ФР рассматривать не будем, так как он получил меньшую распространенность в производстве микроэлектроники из-за получаемой меньшей разрешающей способности (связано с крупными трёхмерными мо-
лекулярными конструкциями, получаемыми при освещении).
1.5 Материалы для коротковолновой фотолитографии – от DUV (от
248 нм) до EUV (121 нм–10 нм)
Фотополимерные составы, применяемые для обычной фотолитографии
(λ = 436–248 нм), как уже было отмечено ранее (в пункте 1.3.2) не могут быть использованы в коротковолновом диапазоне, поэтому применяют амплифи-
цированные фоторезисты.
Амплифицированные фоторезисты состоят из: молекул генерирующих кислоту (генераторы кислоты (PAG), содержат атомы галогенов) и полимер-
ной матрицы, имеющей в своем составе блокирующую группу, которая пре-
дотвращает поглощение энергии матрицей.
Протекание таких реакций можно охарактеризовать в две стадии:
1) Поглощение излучения светочувствительной молекулой (на примере трифенилсульфониевой соли фтора) с образованием кислоты (поставщик протона H+), являющейся катализатором для последующей реакции (1.12)[4]:
(1.12)
2) Взаимодействие протонов с полимерами при тепловом воздействии
(постэкспозиционная сушка обязательна, на примере полигидростиролад – распространённая полимерная основа):
22
![](/html/65446/253/html_JI2DLr5YT6.kZPl/htmlconvd-gIVX9u23x1.jpg)
При термическом нагревании связь между блокирующими группами и макромолекулами смолы гетеролитически разрывается (из формулы (1.13)),
происходит присоединение протона с образованием полигидростирола, рас-
творимость которого в щелочном проявителе существенно выше, чем с «на-
вешанной» гасящей группой (1.13):
(1.13)
Введение t–BOC повышенной концентрации снижает образование ки-
слоты, а адамантоэксиэтильные группы увеличивают эффективность [5] –
эффективность образования кислоты зависит от полимерной матрицы, самих атомов входящих в соединение полимерной матрицы и от гасителя.
В негативных ФР происходят аналогичные реакции за исключением стадии нагрева – происходит сшивание фрагментов молекул.
Для EUV–литографии, которая проводится на λ = 13,5 нм, существует проблема малоинтенсивных источников излучения, поэтому здесь возникает необходимость повышения чувствительности ФР.
Пути преодоления низкой чувствительности фоторезистов для EUV–
литографии (один из путей):
В генераторах кислоты (PAG) группы атомов заменяются атомами с высокими фотоэмиссионными характеристиками, например, галогенами – йодом или фтором (рисунок 1.8) – это связано с наличием особых электрон-
ных конфигураций, которые при возбуждении запросто отдают фотоэлектро-
ны с невысокими энергиями, являющиеся стимулом к протеканию реакции;
также дополнительное усиление достигается внедрением в состав атомов сурьмы, цинка, висмута, олова [5] – поглощающие способности к EUV–
излучению повышают.
23
![](/html/65446/253/html_JI2DLr5YT6.kZPl/htmlconvd-gIVX9u24x1.jpg)
1
2
а) б)
Рисунок 1.8 – Влияние атомов на поглощающие способности: а) – замена функциональных групп, б) – спектры поглощения некоторых PAGов
На рисунке 1.8, (2а) приведены традиционно использующиеся генера-
торы кислоты для амплифицированных фоторезистов (пример (1.12) из пунк-
та 1.5).
1.6 Варианты нанесения фоторезистивных плёнок, применяемые в микроэлектронной промышленности
От способа нанесения во многом зависит качество и параметры ф/р
плёнки (её равномерность по поверхности, возможная получаемая толщина и дефекты).
1.6.1 Метод с использованием центробежной силы
Жидкий ФР распределяется по пластине за счёт центробежных сил,
действующих на компоненты состава (рисунок 1.9, а), когда закреплённая перепадом давлений пластина раскручивается в центрифуге. Подается фото-
резист дозированно специальным манипулятором.
24
![](/html/65446/253/html_JI2DLr5YT6.kZPl/htmlconvd-gIVX9u25x1.jpg)
Непокрытые области
|
|
резист |
|
|
|
|
лучи |
|
|
|
|
а) |
|
б) |
|
Рисунок 1.9 |
– Метод центрифугирования: а) – нанесение ФР центри- |
фугированием, б) – неудовлетворительное нанесение ФР
При таком нанесении ФР в плёнке могут возникать дефекты: лучи – межслойные разрывы протяжённостью от центра до края пластины, клино-
видные пустые участки. Эти все дефекты образуются из-за наличия в ФР микрочастиц разных размеров. Эти частицы представляют собой либо какие-
то загрязнения на этапах производства ФР либо результат слипания молекул состава между собой.
Если частицы по размеру почти как толщина плёнки, то при прилипа-
нии к поверхности пластины могут отгораживать участки от поступления ФР при нанесении и получается картина, приведенная на рисунке 1.9, (б) [6]. Ес-
ли частицы меньшего размера, то при нанесении под действием центробеж-
ной силы они уносятся от центра к краю пластины и разрывают поперечно плёнку, образуя лучеобразные дефекты, показанные на рисунке 1,9, (б).
Такие дефекты приводят к попаданию агрессивных растворов внутрь и их циркулированию, размыванию в толще плёнки из-за чего маска в даль-
нейшем утрачивает свои защитные свойства.
Во избежание этих дефектов перед применением ФР его фильтруют. В
спецификациях к ФР также указывают концентрации частиц определенного размера, которые были выявлены в составе – на эти данные тоже нужно об-
ращать внимание, ориентируясь на рабочую толщину плёнку.
25
![](/html/65446/253/html_JI2DLr5YT6.kZPl/htmlconvd-gIVX9u26x1.jpg)
1.6.2 Нанесение распылением (спрей-нанесение)
Под нагнетанием газа-носителя (это может быть азот, очищенный воз-
дух) диспергированный жидкий фоторезист распыляется из опрыскивающей системы на поверхность (рисунок 1.10).
Огромное преимущество этого метода по сравнению с самым распро-
страненным и хорошо отработанным методом центрифугирования – это воз-
можность равномерного покрытия глубоких профилей поверхности.
Рисунок 1.10 – Распыление ФР
На данный момент существует множество конструкторских решений
(форма и передвижение головки) для повышения равномерности наносимой пленки, например, дополнительное диспергирование ФР ультразвуком.
В данной главе были кратко рассмотрены основные сведения, касаю-
щиеся ФР – принцип действия, параметры и нанесение.
26
![](/html/65446/253/html_JI2DLr5YT6.kZPl/htmlconvd-gIVX9u27x1.jpg)
2 ОСНОВНЫЕ ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ УСТАНОВКИ
Во втором разделе перечисляются основные использованные установки
для получения экспериментальных данных, а также описываются аспекты их
применения.
2.1 Установка совмещения и экспонирования для проекционной фотолитографии Canon FPA-3000i4
В применяемой установке используется ультрафиолетовое излучение длиной волны λ = 365 нм (рисунок 2.1, а), испускаемое ртутной дуговой лам-
пой высокого вакуума. Выделение компоненты испускаемого спектра (i – ли-
нии) осуществляется монохроматором.
а) б)
Рисунок 2.1 – Проведение испытаний: а) – Canon FPA-3000i4; б) – Тест на дозу экспонирования и разрешающие способности ФР
Скрытое изображение в уменьшенном виде формировалось пропуска-
нием излучения от источника через ФШ и объектив и попадая в ф/р плёнку.
На установке выполнялась работа:
1) Перенос изображений шаблона на технологические слои (SiO2, Si*,
Al)
2) Экспонирование тестовых структур на ф/р плёнки при различных дозах для определения в дальнейшем оптимальных параметров и разрешаю-
щих способностей ФР (приведено на рисунке 2.1, б)
27
![](/html/65446/253/html_JI2DLr5YT6.kZPl/htmlconvd-gIVX9u28x1.jpg)
2.2 Устройство измерения толщин плёнок Filmetrics F50A
Измеритель откалиброван под кремниевую пластину (рисунок 3.2), то есть заранее известен суммарный коэффициент отражения для кремниевой подложки. Выбирался в программе приблизительный показатель преломле-
ния измеряемого состава плёнки, затем снимался спектр интенсивности от-
раженного излучения подложки с плёнкой. На этой основе вычислялась тол-
щина плёнки в программе.
Рисунок 3.2 – Установка Filmetrics F50A
На установке Filmetrics F50A измерялись толщины плёнок для:
1) Исследования стойкости к проявителю (измерялись до и после 60 се-
кунд нахождения в проявителе)
2) Исследования равномерности нанесения плёнок по поверхностям пластин
2.3 Сканирующий электронный микроскоп Tescan Mira 3
Для осмотра поверхностей образцов применялся электронный микро-
скоп, показанный на рисунке 2.3. В качестве источника электронов на этом микроскопе используется автоэмиссионный катод Шоттки, а энергия пер-
вичного электронного пучка, попадающего на поверхность образца, состав-
ляла 10 кэВ.
28
![](/html/65446/253/html_JI2DLr5YT6.kZPl/htmlconvd-gIVX9u29x1.jpg)
|
Детектор SE |
|
Столик |
|
Детектор BSE |
а) |
б) |
Рисунок 2.3 – Электронный микроскоп Tescan Mira 3: а) – общий вид; б) – камера микроскопа
Все изображения получены в топографическом контрасте (фиксирова-
лись вторичные электроны детектором SE (рисунок 2.3, б))
Работа на электронном микроскопе подразумевала:
1. Сопоставлялись размеры и формы вытравленных элементов с топо-
логическим чертежом после ПХТ и ЖТ слоев из SiO2, Si*, Al через ф/р маски испытуемых ФР.
2. Смотрели на отображения тестовых структур, полученных при раз-
личных дозах экспонирования, и подбирали оптимальные значения экспози-
ционных доз для рабочих толщин пленок (около 1,45 мкм) ФР и разрешаю-
щие способности ФР (должны быть не хуже 0,6 мкм).
Работа на микроскопе проводилась при давлении в камере p = 10-2 Па.
По окончании осмотра образца в камеру закачивался азот для выравнивания давлений.
Таким образом, данное оборудование было использовано для исследо-
вания параметров фоторезистов.
29
3 ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ФОТОРЕЗИСТОВ
В этой части были экспериментально установлены параметры (поря-
док нанесения, химическая стойкость к травильным растворам и проявите-
лям, разрешающие способности и экспозиционные дозы) позитивных фото-
резистов RD–2700 25cp и DSAM–3020 для определения их пригодности в технологическом процессе в качестве замены фоторезиста SPR350–1,2. Дан-
ные о фоторезисте SPR350–1,2 взяты из ранее составленного отчёта, его ис-
пытания проводились в моё отсутствие.
3.1 Снятие зависимостей толщин фоторезистивных плёнок от частоты вращения центрифуги
Нанесение экспериментируемых фоторезистов на кремниевые пласти-
ны проводилось на центрифуге в треке DNS. Режимы термических обработок фоторезистов таковы:
TSB = 90 0C (сушка фоторезиста после нанесения ф/р плёнки tSB = 90 се-
кунд) – проводили для частичного выпаривания растворителя, чтобы скры-
тые фотошаблоном участки ФР не расплывались, держали форму, а также для сцепления макромолекул ФР с поверхностью пластины. Выпаривать весь растворитель не стоит, так как его присутствие в ф/р пленке обеспечивает подвижную среду для протекания основной реакции – реакции с изменением растворимости. Важно соблюдать баланс.
TPEB = 110 0С (сушка перед проявлением, tPEB = 90 секунд) - выполняли для снижения разбавленности ФР растворителем, если не сделать этого, то даже неэкспонированные участки интенсивнее прореагировали бы с прояви-
телем, произошли бы растравы и такая маска оказалась бы негодной.
Результаты нанесения ФР на пластины кремния были сведены в табли-
цу 3.1.
30