Нанесение PbOх

Схема установки представлена на рис.2. Катодный узел крепится на основании колпака. Напротив мишени на расстоянии 40 мм размещается подложкодержатель, а за ним нагревательный элемент. Рабочая область ограничивается “квазизамкнутым объёмом”. Газовая смесь подаётся непосредственно к поверхности мишени через трубку. Напуск газов осуществляется через автоматическую систему напуска. Подколпачный объем откачивается до высокого вакуума диффузионным насосом, обеспечивающим предельное остаточное давление 10^-5 мм.рт.ст.

Рис. 2. Блок-схема установки ВЧ–магнетронного реактивного распыления для нанесения плёнок широкозонных полупроводников и диэлектриков.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4

ПОЛУЧЕНИЕ ТОПОЛОГИИ СЛОЁВ МЕТАЛЛОВ МЕТОДАМИ ФОТОЛИТОГРАФИИ И ЖИДКОСТНОГО ТРАВЛЕНИЯ

ЦЕЛЬ: изучение процесса литографирования технологического слоя при контактном переносе изображения фотошаблона на фоторезист и приобретение практических навыков проведения процесса получения рисунка элементов микроэлектронного изделия.

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Одним из основных процессов при изготовлении интегральных микросхем является формирование заданной топологии различных СЛОЁВ на поверхности пластины. От точности воспроизведения геометрических размеров рисунка слоя существенным образом зависят выходные электрические параметры микросхем. ТОНКОПЛЁНОЧНЫЙ рельеф на пластине получают методом фотолитографии. Фотолитография – один из важнейших технологических процессов современного производства полупроводниковых приборов и микросхем. Все операции процесса фотолитографии можно разделить на три группы:

1. Формирование слоя фоторезиста – подготовка поверхности пластин, нанесение фоторезиста, первая сушка фоторезиста, в процессе которой происходит удаление растворителя резиста и создание его полимерной структуры. Фоторезист – это светочувствительный материал с изменяющейся под действием света растворимостью, устойчивый к воздействию травителей и применяемый для переноса изображения на пластину.

2. Формирование защитного рельефа – совмещение и экспонирование, проявление изображения в экспонированном слое, задубливание полученного рельефа.

3. Передача изображения на пластину – травление профиля через фоторезистивную маску, удаление фоторезиста.

Подготовка пластин

Эти технологические операции схематически изображены на рисунке 1.

Сушка фоторезиста

Формирование

плёнки фоторезиста

Нанесение фоторезиста

Совмещение и экспонирование

Формирование фоторезистивной маски

Проявление

Задубливание

Травление

Передача изображения на пластину

Удаление фоторезистивной маски

Рисунок 1 – Схема типового технологического процесса фотолитографии.

Следует заметить, что все этапы процесса тесно взаимосвязаны, оказывают влияние друг на друга и только в совокупности определяют качество процесса фотолитографии.

Нанесение фоторезиста осуществляется методом центрифугирования. При этом методе на пластину, которая устанавливается на столике центрифуги и удерживается на нем вакуумным прессом, фоторезист подаётся капельницей-дозатором. Когда столик приводится во вращение, фоторезист растекается тонким слоем по поверхности пластины, а его излишки сбрасываются и стекают в кожух. Используя метод центрифугирования, можно в зависимости от вязкости фоторезиста регулировать толщину его слоя, изменяя частоту вращения центрифуги. Выбирая толщину слоя фоторезиста, необходимо учитывать, что он должен обладать высокой разрешающей способностью и не терять стойкости к травителю. Кроме того, слой фоторезиста не должен иметь дефектов в виде проколов, количество которых с уменьшением толщины увеличивается. Следовательно, толщина слоя фоторезиста должна быть наименьшей, но достаточной для обеспечения его малой дефектности и стойкости к травителю.

Предэкспозиционная термообработка необходима для придания однородности плёнке резиста по всей поверхности и обеспечения хорошей адгезии. При увеличении температуры движение сегментов полимерной цепи фоторезиста возрастает, что облегчает удаление остатков растворителя, диффундирующих к поверхности и испаряющихся с неё. Это очень важно, поскольку остатки растворителя отрицательно сказываются на результатах экспонирования и последующей операции проявления фоторезиста. Неверные условия сушки могут отрицательно влиять на светочувствительность фоторезиста, так как при повышении температуры разлагаются светочувствительные компоненты. Оптимальные условия сушки определяются эмпирически.

Совмещение и экспонирование являются наиболее ответственными операциями фотолитографии. При контактной фотолитографии операцию совмещения выполняют с помощью специального механизма совмещения микроизображений, основными элементами которого являются предметный шаровой столик со сферическим основанием – гнездом, рамка для закрепления фотошаблона и устройство перемещения рамки и поворота предметного столика. Предварительно пластину размещают на предметном столике так, чтобы слой фоторезиста был сверху, и закрепляют фотошаблон в подвижной рамке над поверхностью пластины. Между пластиной и фотошаблоном должен быть зазор для свободного перемещения рамки. Для совмещения рисунков на шаблоне и пластине передвигают рамку с фотошаблоном в двух взаимно перпендикулярных направлениях в плоскости пластины и поворачивают предметный столик с пластиной вокруг вертикальной оси. После выполнения совмещения пластину прижимают к фотошаблону и экспонируют слой фоторезиста. Основной целью экспонирования является высокоточное воспроизведение слоем фоторезиста всех элементов топологии полупроводниковых приборов и ИМС. Правильность экспонирования влияет на качество переноса изображения с фотошаблона на слой фоторезиста. При контактном экспонировании ультрафиолетовое излучение проходит через фотошаблон и попадает на слой фоторезиста. Следовательно, передача элементов рисунка на слой фоторезиста зависит от оптической плотности темных и светлых участков рисунка фотошаблона, резкости и ровности их краёв и коэффициента отражения металлизированного слоя фотошаблона. В качестве источника света обычно применяют ртутно-кварцевую лампу высокого давления ДРШ-350 или ДРШ-500, создающую мощный световой поток. Излучение такой лампы лежит в основном в ультрафиолетовой области спектра (330-440 нм). Оптическое устройство создаёт поток параллельных лучей, равномерно освещающих пластину. Необходимое время экспозиции устанавливают, учитывая тип и светочувствительность фоторезиста, а также толщину его слоя. Оптимальную дозу излучения, обеспечивающую наилучшую точность изображения, получаемого после проявления, определяют экспериментально.

Схемы совмещения и экспонирования представлены на рисунке 2.

Для проявления позитивных фоторезистов используют слабые водные растворы щелочей, например, 0.6 %-ый раствор КОН. Важным фактором при проявлении фоторезиста является значение рН и температура проявителя. С ростом температуры скорость проявления растёт, и размеры проявленных участков увеличиваются. Для каждого фоторезиста существуют оптимальные сочетания времени экспонирования и времени проявления, обеспечивающие наилучшую воспроизводимость размеров элементов рисунка. Увеличение экспозиции уменьшает время проявления. При этом размеры проявленных в позитивных фоторезистах элементов рисунка увеличиваются. При увеличении времени проявления растёт количество точечных дефектов в слое фоторезиста и растравливание границ рисунка по контуру окон.

Рисунок 2 – Схемы совмещения (а) и экспонирования (б)

Таблица 1 – Элементы установки

1	Предметный столик	5	Шаблонодержатель
2	Пластина	6	Затвор
3	Слой фоторезиста	7	Конденсор
4	Фотошаблон	8	Источник света

Сушка – задубливание проявленных участков слоя фоторезиста обеспечивает изменение его структуры в результате полимеризации. Вследствие этого повышается стойкость слоя фоторезиста к воздействию травителей и улучшается его адгезия к пластине. Задубливание слоя фоторезиста является второй сушкой и отличается от первой, выполняемой после его нанесения, более высокой температурой. При повышенных температурах происходит пластическая деформация слоя фоторезиста, затягиваются мелкие отверстия, поры и дефекты.

Заключительным этапом процесса фотолитографии является формирование травлением с последующими удалением слоя фоторезиста топологии в технологическом слое на пластинах (маскирующей, изолирующей, защитной диэлектрической или проводящей металлической плёнке). В связи с тем, что процессы травления являются завершающими в формировании элементов полупроводниковых приборов ИМС, они оказывают решающее влияние на электрические параметры изделий и выход годных и должны обеспечивать:

- минимальные погрешности размеров элементов рисунка и наименьшее количество дефектов;

- полное удаление материала на участках, не защищённых слоем фоторезиста, а также продуктов реакции.

Результатом процесса травления является полное стравливание материалов на участках, не защищённых фоторезистом. Результат травления зависит от качества сформированного защитного рельефа фоторезиста, его адгезии, геометрических размеров элементов на фотошаблоне, клина травления. Кроме того, процесс травления, геометрические размеры получаемых после травления элементов рисунка и клин травления определяются типом травителя, температурой травления и толщиной травящегося материала. Во время травления за пластинами осуществляется визуальный контроль. По окончании процесса качество травления обязательно проверяют под микроскопом.

Фотолитографический цикл проходит на оборудовании, в состав которого входит: полуавтомат для нанесения слоя фоторезиста, установка совмещения и экспонирования ЭМ-586, микроскоп. Их устройство и порядок работы на них изложены в технических описаниях и инструкциях по эксплуатации.

ОТВЕТЫ НА КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Перечислите основные операции фотолитографии в порядке их проведения.

1. Нанесение фоторезиста

2. Первая сушка фоторезиста

3. Экспонирование и совмещение

4. Проявление изображения в экспонированном слое

5. Вторая сушка – задубливание полученного рельефа

6. Травление с последующим удалением слоя фоторезиста

2. Каковы основные требования, предъявляемые к фоторезистам?

Фоторезист — полимерный светочувствительный материал. Наносится на обрабатываемый материал в процессе фотолитографии или фотогравировки с целью получить соответствующее фотошаблону расположение окон для доступа травящих или иных веществ к поверхности обрабатываемого материала

Фоторезист должен обладать высокой разрешающей способностью и не терять стойкости к травителю, так же иметь высокую интегральную светочувствительность и необходимую спектральную. Слой фоторезиста не должен иметь дефектов в виде проколов, количество которых с уменьшением толщины увеличивается. Следовательно, толщина слоя фоторезиста должна быть наименьшей, но достаточной для обеспечения его малой дефектности и стойкости к травителю. Плёнка резиста должна быть однородна по всей поверхности, для обеспечения хорошей адгезии. Отсутствие загрязнений продуктами фотохимических превращений.

3. От чего зависит качество передачи элементов рисунка фотошаблона на слой фоторезиста?

Качество передачи элементов рисунка на слой фоторезиста, при контактном экспонировании (ультрафиолетовое излучение проходит через фотошаблон и попадёт на слой фоторезиста), зависит от:

· оптической плотности темных и светлых участков рисунка фотошаблона

· резкости и ровности краёв рисунка

· коэффициента отражения металлизированного слоя фотошаблона.

4. В чем смысл операции предэкспозиционной сушки и операции задубливания?

Предэкспозиционная сушка позволяет удалять остатки растворителя фоторезиста, что увеличивает однородность плёнки и величину адгезии фоторезиста. При термообработке подвижность сегментов полимерного фоторезиста возрастает, что облегчает диффузию молекул растворителя к поверхности и их дальнейшему испарению. Пропуск данного этапа фотолитографии негативно сказывается на последующих: экспонировании и проявлении фоторезиста.

Операция задубливания проводится после проявления фоторезиста и повышает стойкость фоторезистивного слоя к травителям, а также улучшает его адгезию к пластине. По сути, задубливание – это вторая сушка, происходящая при более высокой температуре, которая приводит к пластической деформации слоя фоторезиста, устраняя таким образом различные мелкие дефекты в слое.

5. Основные технологические параметры, оказывающие влияние на процесс жидкостного травления.

1. Тип травителя

2. Температура травления

3. Концентрация травителя

4. Время травления