22.Фотошаблоны. Совмещение.

Фотошаблоны — наиболее ответственная составляющая фотолитографического процесса. Заменяя один фотошаблон на другой, можно быстро найти оптимальный технологический режим, обеспечить получение весьма малых размеров, сменить один тип резиста на другой, более подходящий, ввести плазменную обработку вместо химического травления и т. д. Комплект фотошаблонов изготовляется в течение недель и месяцев, стоимость его (для сложных БИС) составляет несколько сотен тысяч рублей.

Для изготовления фотошаблонов может использоваться оптикомеханический способ. Изготовление комплекта ИМС начинается с разработки чертежей топологических слоев будущей ИМС в масштабе, например 1:1000, и составления задания на комплект.

Задание содержит:

указания о типе шаблонов; шаблоны делятся на два типа: с прозрачными элементами на темном поле и с темными элементами на светлом поле. Такое деление имеет значение для процессов уменьшения и мультиплицирования, поскольку от типа шаблона зависят условия экспонирования;

информацию о мультипликации, в которой, помимо количества мультиплицированных структур, указываются пропуски структур для совмещения и контроля, а также другие непериодические изображения (тестовые структуры);

контрольную информацию, состоящую из задающей и методической. Задающая информация указывает, каким образом выполняются отметки совмещения и обязательные для сложных приборов тестовые структуры, позволяющие проверять разрешающую способность процесса фотолитографии, технологические параметры (поверхностное сопротивление, дефекты окисла) и электрические параметры прибора. Методическая информация содержит указания о методике и критериях контроля характеристик изготовленных шаблонов: размеров, совмещаемости, критических областей, дефектов и т. д.

Сложная топология каждого уровня переводится в увеличенный оригинал. Оригинал уменьшается до размера, в десять раз превышающего размер стеклянной основы шаблона. Затем с использованием фотонаборного генератора изготавливают первичный фотооригинал (ПФО), который фотоповторителем уменьшается до масштаба 1:1 и проецируется на стеклянную пластинку со слоем хрома или окисла железа с нанесенной поверх него пленкой фоторезиста. Стол фотоповторителя перемещается на нужный шаг, обеспечивая многократный перенос изображения на фотошаблон. Точность перемещения координатного стола фотоповторителя ±0,2 мкм.

Каждый элемент содержит полную топологию схемы, соответствующую данному уровню шаблона.

Проектирование шаблонов с помощью увеличенного оригинала просто, но для создания СБИС непрактично. В настоящее время разработаны интерактивные графические системы машинного проектирования. Эти системы выдают выходные результаты в виде цифровых данных, записанных на магнитном носителе. С помощью этих данных идет управление генератором изображений, формирующим топологический рисунок в масштабе 1:1 или 10:1. Рисунок на шаблоне выполняется с помощью электронного луча, позволяющего получить субмикронные размеры элементов топологии схемы.

Используются фотошаблоны трех типов: эмульсионные, металлизированные (обычно применяется хром) и полупрозрачные, в которых рисунок создается в слое окисла железа (иногда окиси хрома). Наиболее дешевы эмульсионные шаблоны, но они имеют низкое разрешение и быстро изнашиваются. Вследствие этого в промышленном производстве они практически не применяются.

Совмещение – процесс «совмещения» фотошаблона и пластины.

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.

При электронно-лучевой литографии: создание реперных знаков. Информация о несовмещении вводится на ЭВМ, управляющую перемещением луча, и создаваемое изображение совмещается с имеющимся на подложке.

При рентгенолитографии: простейший способ – оптический, с помощью микроскопа с большим увеличением.

23. Последовательность операций стандартного фотолитографического процесса.

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.

Эти технологические операции схематически изображены на рис. 4.1.

Рис. 4.1. 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 подается 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 пленке 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 нее. 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 ульрафиолетовое 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 краев 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 создает 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 рис. 4.2.

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 растет, 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 растет количество точечных дефектов в слое фоторезиста и растравливание границ рисунка по контуру окон.