18. Обработка материалов [26].
Особенности обработки материалов п/п: 1) монокристаллы обладают изотропными свойствами и требуют при механической обработке ориентации по кристаллографическим плоскостям, обозначаемым индексами Миллера (100, 110, 111). Слитки ориентируют по кристаллографической плоскости 111, обеспечивая этим равномерность скорости травления, травления, ровный фронт вплавления и диффузии; 2) пластины режут из слитка, шлифуют и полируют для: получения заданной толщины, параллельности плоскостей (2÷3мкм на 30÷40мм), получения гладких поверхностей 13÷14 класса чистоты (без царапин, углублений, неровностей, обеспечения высокой точности фронтов диффузии или вплавления в пределах единиц и долей мкм при создании электронно-дырочных переходов; 3) при шлифовании применяется абразивная суспензия между шлифовальниками и изделием ( Т:Ж = 1:3, Т – твёрдая фаза, Ж – жидкость), суспензия – дист. Н2О и абразив (микропорошки М10 – карбид кремния и М5 – электрокорунд); 4) при полировке применяются алмазные пасты на основе алмазных микропорошков САМ3 и САМ1 (САМ3 – на батистовом полировальнике, САМ1 – на велюровых, замшевых и фетровых полировальниках); 5) прошивка отверстий и полостей различной конфигурации проводится на ультразвуковых установках – рабочий инструмент действует на абразивные частицы суспензии, придавая им энергию за счёт кавитации.
19. Химические процессы фотолитографии [25, 26].
Операции фотолитографии рассмотрены выше при описании технологического процесса производства п/п приборов.
Схема агрегата для фотолитографии(ФЛГ) – агрегат ФЛГ 4415.
Каждая установка (всего 12) агрегата – стол со скафандром - оснащена соответствующим оборудованием и оснасткой. Установки могут быть отдельно (не в составе агрегата). Установки соединяются шлюзами и затворами, которые позволяют транспортировать п/п пластины из скафандра в скафандр без соприкосновения с атмосферой помещения. В скафандрах – контролируемая атмосфера – очищенный воздух или азот. Элементы управления и контроля снаружи или внутри скафандра. Операции в каждой установке: 1 установка – обезжиривание п/п пластин в органических растворителях, сушат в сушильной камере и охлаждают до комнатной температуры; 2 установка содержит дозатор фоторезиста (ФР) и 2 центрифуги – методом центрифугирования на п/п пластины наносят слой ФР; 3 установка – ФР сушат горячим очищенным воздухом заданной температуры (для нагрева есть печь), пластины вращают для равномерной сушки; 4 установка – совмещают п/п пластины со слоем ФР с фотошаблоном (ФШ) и экспонируют УФ-светом; 5 установка – фоторезист проявляют в парах органических растворителей; 6 установка – микрометром МИМ-4 контролируют качество обработки ; 7 установка – травят п/п пластину в местах, не защищённых ФР; 8 установка – удаляют слой ФР; 6 установка – выполняют окончательный визуальный контроль. Как видно из описания схемы агрегата в установках 1, 5, 7, 8 проводятся химические обработки, химические реактивы (трихлорэтилен, деионизованная вода, воздух, N2, ФР, смесиHF+H4F+H2O+ 98%-аяH2SO4) подаются через трубопроводы, установки оборудованы сливами, а также сбросами избыточного давления. Производительность агрегата – 20 пластин в час, размеры пластин:d= 22÷32мм, толщина 0,15÷0,3мм.
Фоторезисты (ФР)– светочувствительные, устойчивые к воздействию кислотных и щелочных травителей, назначение которых заключается в образовании на поверхности п/п пластины тонкой защитной плёнки нужной конфигурации, получающейся в результате светового воздействия на отдельные участки плёнки. После проявления плёнки ФР часть её (нужного рисунка) остаётся на поверхности п/п пластины и служит маской при последующих технологических операциях.
Механизм работы ФР-та: световое излучение, падающее на плёнку ФР создаёт в ней активные центры. Активация может быть прямой и сенсибилизирующей. При прямой активации молекулы ФР диссоциируют или объединяются с другими молекулами. При сенсибилизирующей активации молекулы в реакции не участвуют, но передают свою энергию другим молекулам.
К фотохимическим реакциям способны следующие вещества: с неустойчивой связью С-N(диазосоединения – диазокетоны, диазосульфонаты и хинондиазиды); полимеризующие (ненасыщенные альдегиды и кетоны – производные коричневой кислоты); с неустойчивой связьюO-N(нитронафталиновые сульфокислоты и ароматические нитроальдегиды). В п/п производстве наиболее широкое применение находят: поливиниловый спирт (ПВС), полиэфиры, полиамиды, поливинилацетали и др. Кроме того, к группе светочувствительных соединений, используемых в п/п производстве, относятся вещества, которые под действием светового излучения разрывают свои связи и переходят в нерастворимое состояние (кетоны, альдегиды, сульфоны диазосоединения, нафтохинондиазиды).
По способу образования рисунка на поверхности п/п пластины ФР подразделяют на 2 группы: негативные и позитивные. Негативные ФР под действием света образуют нерастворимые участки рисунка на поверхности пластины и после проявления остаются на её поверхности. Рисунок ФР представляет собой негативное изображение оригинала (фотошаблона). Позитивные ФР, наоборот, под действием света образуют растворимые участки, в этом случае рисунок оригинала в точности повторяется на поверхности пластины.
В качестве негативных ФР в п/п технологии применяется состав на основе сложного эфира ПВС и коричневой кислоты – поливинилциннамат (ПВЦ), максимальная чувствительность которого лежит в УФ-области спектра. Готовый ФР ПВЦ представляет собой порошок белого или желтоватого цвета, он растворяется в органических составах – растворах толуола с хлорбензолом, ацетата метиленгликоля с метаксилолом. Кислотостойкость ПВЦ к травителям (на основе HF+HNO3) не очень высока. Наибольшее применение ФР ПВЦ находит в планарной технологии для защитыSiO2от травителя, состоящего изHF+ фтористый аммоний + Н2О.
В качестве позитивного ФР используется состав, состоящий из 1,2 нафтохинондиазида (2)-5-сульфоэфира новолака с различными полимерами. Растворителями служат спирты, кетоны, ароматические углеводороды, диоксан, ксилол. Нередко используют смеси из нескольких растворителей с различными давлениями паров – это улучшает процесс плёнкообразования, снижает количество пор и напряжений в плёнке. УФ поглощение ФР на основе нафтохинондиазидов (НХДА) по сравнению с ФР ПВЦ сдвинуто в сторону больших длин волн (λ).
Критерии выбора ФР: чувствительность, разрешающая способность, кислотостойкость. ПВЦ – спектр поглощения от 225 нм (α – 70%) до 450нм (α – 40%), λмакс1= 320нм (α – 95%), λмакс2= 420нм (α – 51%). НХДА – спектр поглощения от 320нм (α – 30%) до 580нм (α – 25%), λмакс1= 380нм (α – 62%), λмакс2= 530нм (α – 62%).
Разрешающая способность ФР: изображение – размер ~ 1мкм, 500-1000 линий/мм, толщина плёнки – 0,5 ÷ 1мкм.
Кислотостойкость – для определения используются способы, основанные на измерении величины стравливания края изображения, измеряют ширину клина, который образуется на краю плёнки после травления.
Нанесение ФР проводится методом центрифугирования (методом пульверизации и напыления в электростатическом поле – в лабораторных условиях).
Фотохимическая обработка после изготовления оригинала: проявление изображения и промывка, задубливание ФР, травление плёнки хрома, снятие ФР и промывка пластин. Проявление позитивного ФР: глицериновый (1% раствор тринатрийфосфата в водно-глицериновом составе) и щелочной (0,3% раствор КОН) проявители. Задубливание ФР – в термостате (120оС, 30 мин). Травление плёнки хрома осуществляется в термостабилизированных условиях в раствореHCl. Снятие ФР – в 50% растворе КОН. ТравлениеAlс негативным ФР - 5÷20% растворNaOHиKOH(50÷80оС). ТравлениеAlс позитивным ФР – 50% раствор ортофосфорной кислоты (60÷70оС). ТравлениеCr(позитивный ФР) – разбавленнаяHCl. ТравлениеAu(позитивный ФР) – царская водка. ПлёнкуTa(негативный ФР) – щелочные растворы (снятие окислаTa), затем в кислотном травителе, содержащемHF.
Фотошаблоны (ФШ)– плоскопараллельные пластины из прозрачного материала, на которых имеется рисунок, состоящий из сочетания непрозрачных и прозрачных для света с определённой λ участков, образующих топологию одного из слоёв структуры прибора или группы приборов, многократно повторённых в пределах активного слоя пластины п/п. ФШ - основной инструмент для осуществления ФЛГ операций в планарной технологии. С помощью ФШ формируют изображения в слое ФР, нанесённого на п/п пластины. ФШ могут быть (повторяют рисунок оригинала) и обратные – дают негативное изображение оригинала. Разрешающая способность ФШ – от единиц до десятых долей мкм. Размеры ФШ – 30x30мм2(диаметр п/п пластины 35÷40 мм, в последнее время 80÷90мм) – на нём располагается от 50 до нескольких тысяч однотипных элементов.
Химическая обработка при изготовлении ФШ. ФШ после механической обработки поступают на химический участок, где подвергаются воздейсвию щелочей, кислот и растворов солей для растворения и удаления загрязнений. Используются следующие способы очистки: 1) обезжиривание в ацетоне; 2) в 10% растворе соды или водном растворе бихромата калия; 3) в горячей дист. Н2О и метиловом спирте; 4) в растворе едкого кали, хромовой смеси и парах изопропилового спирта; 5) в хромовой смеси и в азотной кислоте, затем в Н2О; 6) промывка в серном эфире, в смеси его с этиловым спиртом, затем в Н2О. Наиболее эффективными способами очистки являются операции: 1) обезжиривание в горячем перекисно-аммиачном растворе с последующей промывкой проточной деионизованной водой – этот раствор является хорошим окислителем и не образует вредных соединений; 2) обработка в концентрированнойH2SO4+ промывка в деионизованной воде – для дополнительного окисления возможных остатков жировых загрязнений и растворения некоторых неорганических веществ; 3) протирка специальными кистями в проточной деионизованной Н2О; 4) сушка стёкол с помощью центрифугирования при скорости 2000÷3000 об/мин.
Промышленная линейка включает УЗ-очистку, обработку в горячем растворителе, вибрационно-химическую обработку, финишную отмывку, сушку и нанесение консервирующего покрытия (лака), который снимается непосредственно перед загрузкой пластины в рабочую камеру напылительной установки (плёнка хрома).