книги из ГПНТБ / Мазель Е.З. Планарная технология кремниевых приборов

к исходной плотности:

п

Показатель п обозначает долю оставшихся в слое молекул НХД; доля разрушенных молекул будет рав­ на (1—я).

На рис. 5-3 показано, как изменился спектр погло­ щения НХД № 7 после экспонирования, достаточного для разрушения практически всех молекул. Мы видим, что остаточное поглощение разрушенных молекул и новолачной смолы невелико и равномерно распределено в актиничиом интервале длин воли. Площадь, заклю­ ченная между спектрами поглощения исходного и экс­ понированного НХД или аналогично готового фото­ резиста, характеризует полезную работу излучения.

Действительно, для процесса экспонирования слоя световым потоком Ей (здесь и в дальнейшем для упро­ щения используется не энергетический поток I , а све­ товой Е) в течение времени U можно записать:

EaoTSdt = Ea \ \ \ - е х р ( - е С , Л с ) ] Л =

(5-13)

о

Концентрация С в свою очередь изменяется во вре­ мя экспонирования согласно (5-5):

dCdt = - е х р ( - е С А с ) ] . Далее получим (Л. 5-9]:

^ = - c p s A c £ 0 [ l - e x p ( - 2 , 3 £ ) ] .

Разделим переменные и проинтегрируем:

(5-14)

202

ния оптических плотностей и определения по ним вели­

лаемый результат, достигнутый путем экспонирования слоя резиста, то можно ввести понятие светочувстви­ тельности данного резиста как величины, обратной экспозиции, требуемой для разрушения:

S=l/Hx=\/Extx.

203

Определение светочувствительности резистов посред­ ством измерения оптической плотности, казалось бы, является наиболее правильным, так как в этой мето­ дике не используются процессы проявления, усложняю­ щие картину явлений. Однако это не так. Только изу­ чая совместно процессы экспонирования и проявления, можно правильно оценить качество резиста, найти тре­ буемое соотношение разрушенных и оставшихся в слое молекул НХД, сравнить между собой различные типы резистов.

Основой процесса проявления, как уже упоминалось, является взаимодействие щелочного раствора прояви­ теля с образовавшейся в результате экспонирования инденкарбоновой кислотой. Помимо этого, в проявителе растворяется новолачная смола, а молекулы НХД вы­ полняют защитные функции, сохраняя неэкспонирован­ ные участки. Отсюда вытекает, в частности, очень важ­ ное требование сведения к минимуму воздействия про­ явителя на слой резиста.

Скорость взаимодействия фоторезиста или смолы со щелочными растворами определяется выражением

ванного фоторезиста. Мы видим, что при проявлении протекают сложные реакции, так как т > 1 . Кроме того, изменение порядка реакции свидетельствует о том, что фоторезист — не просто механическая смесь смолы с НХД, и между этими составляющими возникает спе­ цифическое химическое взаимодействие, оказывающее влияние на кинетику реакции, в которую они могут вступить.

204

вводно-глицериновой смеси энергия активации для

сути дела зависит качество фотолитографии на пози­ тивных фоторезистах и, в частности, как будет показано в следующем параграфе, возникновение дефектов слоя резиста. Попробуем качественно представить себе кар­ тину проявления слоя фоторезиста, получающего все возрастающую дозу излучения. У исходного слоя на поверхности существует надежная защита от гидро­ ксильных групп проявителя — молекулы НХД, которые здесь, очевидно, правильно ориентировано в отличие от объема. Поверхность исходного слоя гидрофобна: как показано в работе [Л. 5-7], углы смачивания водой по­ верхности резиста составляют 51—58°. Фоторезист пло-

205

хо смачивается проявителем, трудно растворяется в нем. По мере разрушения светом молекул НХД снижается величина смачивания поверхности водой. У полностью экспонированных слоев резиста угол смачивания состав­ ляет 40—47°, что очень близко к значениям угла смачи­ вания водой поверхности новолачной смолы (40—44°). Скорость растворения резиста в проявителе растет, хотя даже при полном разрушении защитных молекул НХД она ие достигает значения скорости растворения чистой смолы. Это еще раз подчеркивает то обстоятельство, что резисты не являются механической смесью НХД и смолы. Тем не менее в скоростях растворения исходного и полностью экспонированного резистов можно достичь различия почти на два порядка в зависимости от ка­ чества смолы, функциональных групп, входящих в со­ став НХД, степени очистки продуктов при синтезе НХД и тщательности проведения самого синтеза. При раство­ рении не полностью экспонированных слоев проявитель окрашивается в малиновый цвет; если же молекулы НХД разрушены полностью, проявитель остается бес­ цветным.

Верхний предел экспонирования связан с тем, что фоторезист начинает сшиваться в трехмерную структу­ ру, и растворение замедляется. Этот предел для обычно используемых резистов находится довольно далеко, пре­ вышая в 3—4 раза экспозицию, при которой разруша­ ются все молекулы НХД.

Нижний предел экспонирования, очевидно, опреде­ ляется условием достижения максимальной скорости растворения экспонированных участков. Важно достичь именно максимальной скорости, поскольку при этом воздействие проявителя на неэкспонированные участки будет сведено к минимуму.

В работе [Л. 5-10] предложено снимать зависимость

характеристической кривой. С помощью характеристи­ ческой кривой определяются такие параметры резиста,

206

как светочувствительность

диапазон экспозиций, в котором скорость проявления растет пропорционально увеличению экспозиции.

Рис. 5-6. Характеристическая кривая пози­ тивного фоторезиста, связывающая процес­ сы экспонирования и проявления [Л. 5-10].

/ — исходное состояние слоя; 2 — полностью

Для того чтобы полностью учесть все факторы, сле­ дует снимать характеристические кривые для различных значений рН и температуры проявителя. От величины рН проявителя в большой мере зависит доля молекул, которую нужно разрушить при экспонировании НХД. На рис. 5-7 приведена зависимость между экспозицией

функций неэкспонированных участков желательно ра­ ботать при малых значениях рН проявителя.

Мы рассмотрели процессы воздействия на фоторе­ зист излучения и щелочных растворов. Не менее важны процессы термолиза, протекающие при сушке нанесен­ ного слоя и проявленного рельефа. При сушке нанесен­ ного слоя важно не допустить разрушения молекул НХД, термолиз которых протекает по той же схеме, что и рассмотренный фотолиз. До температуры 110°С мо-

207

лекулы НХД сравнительно устойчивы. Термолиз идет, но константа скорости его мала и, как показано в рабо­ те (Л. 5-7], различна для различных типов НХД. Так,

а резист ФП-327 не более 10 мин. В работе [Л. 5-7] показано, что если сушка проводится не на воздухе, а в среде азота, скорость термолиза молекул НХД уменьшается. Следовательно, время и температуру пер­ вой сушки можно увеличивать, не вызывая разрушения молекул НХД, если сушить слои резиста в атмосфере азота.

ше 170°С начинается термическое отверждение ново-

5-3. О С Н О В Н Ы Е З А В И С И М О С Т И , Х А Р А К Т Е Р И З У Ю Щ И Е Ф О Т О Л И Т О Г Р А Ф И Ч Е С К И Й П Р О Ц Е С С

В предыдущем параграфе мы рассматривали фото­ литографическую обработку как таковую, вне связи с параметрами прибора, изготовляемого с помощью

208

фотолитографии, и с Другими технологическими опера­ циями— окислением, диффузией, отмывкой и т. д. В то же время хорошо известно, что от точности передачи размеров при фотолитографии зависит ряд важных параметров приборов. Например, крутизна характери­ стики МОП транзистора непосредственно связана с та­ ким геометрическим фактором, как длина канала: чем меньше длина, тем выше крутизна. Воспроизводимость размеров активных областей в СВЧ диодах и транзисто­ рах определяет разброс емкостей этих приборов и, сле­ довательно, частотные характеристики. Далее, от того, насколько точно удается при фотолитографии, выпол­ нить процедуру совмещения, зависит столь важный параметр СВЧ транзисторов, как частота генерации, определяемый минимальным расстоянием между эмит­ тером и базовым контактом прибора. И, наконец, прак­ тическая фотолитография неизбежно характеризуется определенным количеством возникающих после нее де­ фектов. Чаще всего это дефекты фотошаблона, напри­ мер проколы и царапины на непрозрачных участках, которые передаются слоем позитивного фоторезиста на окисел. Сквозь появившиеся в окисле проколы могут при последующей диффузии проникнуть атомы примеси, результатом чего явится полный выход прибора из строя или ухудшение его характеристик. Появление де­ фектов тем опаснее, чем больше площадь прибора, чувствительная к дефектам, — критическая площадь. В таких приборах, как большие интегральные схемы, мощные СВЧ транзисторы или сложные МОП приборы, критические площади достигают 2—10 мм2, а появление хотя бы одного дефекта может привести к неисправи­ мому браку.

В общем виде можно считать, что «на вход» про­ цесса фотолитографии поступают от разработчика при­ бора такие параметры-задания: аШт — минимальный размер элемента прибора; —минимальный зазор между элементами; 5 1 ф И т — максимальная критическая площадь. Первые два параметра определяют в основном частотные свойства приборов, от последнего зависит предельная мощность.

очевидно, можно считать процесс, при котором выпол­ нены условия:

П - И ; 6-»-0,

Рассмотрим основные факторы и зависимости, опре­ деляющие качество проведения фотолитографии.

В основу рассмотрения положим важную концепцию связи между качеством и поведением экспонированных и неэкспонированных участков. Очень часто исследова­ тели занимаются изучением раздельно свойств экспони­ рованной и неэкспонированной областей. В первом слу­ чае исследуют всевозможные фотохимические явления, особенности поглощения света, дифракцию и т. д. Во втором — интересуются закономерностями появления де­ фектов, адгезией слоя резиста, стойкостью к кислотам и щелочам. Разделять эти две задачи методически не­ верно, наоборот, только совместное изучение процессов передачи изображения и маскирующих свойств фото­ резистов позволяет создать полную картину фотолито­ графии.

чина Попт зависит от ряда факторов: типа резиста и толщины слоя резиста, экспозиции, условий проявления. Можно считать, что при достижении в процессе экспо­ нирования оптимальной доли /г0пт и при проведении в соответствующих условиях процесса проявления обра­ зуются наиболее точные конфигурации рельефа, т. е. обеспечивается высокая точность передачи изображе­ ния. С другой стороны, обеспечение на неэкспонирован­ ном участке условия /г-И означает надежную защиту молекулами НХД от того воздействия проявителя, кото-

210

рое диктуется режимами экспонирования, это позволяет минимизировать плотность дефектов. Здесь, конечно, следует оговориться, что показатель п учитывает не все источники дефектов. Скажем, влияние механических загрязнений, включений новолачной смолы, повреждения слоя и т. д. нельзя определить с помощью измерения этого показателя.

Проявление

Высказанные положения поясняются рис. 5-8, на ко­ тором условно показано строение слоя фоторезиста и превращения, происходящие при экспонировании и про­ явлении; в частности, указаны возможные пути образо­ вания дефектов.