ЛР ПИМС и МП / ЛР ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ ФОТОШАБЛОНОВ / Приложение / Фотошаблоны

9

§ 3. 2. Фотошаблоны

Фотошаблоны - стеклянные пластины или полимерные пленки со сформированным на их поверхности рисунком элементов схем из материала, не пропускающего актиничного излучения. Система элементов на фотошаблоне образует топологию одного из слоев структуры прибора или микросхемы. Элементы изображения многократно повторяются в пределах активного поля фотошаблона.

В зависимости от типа процессов фотолитографии разли­чают негативный (темнопольный) фотошаблон, на котором изображение элементов схемы выполнено в виде светлых фигур на темном поле, и позитивный (светлопольный) фотошаблон с темными элементами на светлом поле.

В зависимости от материала пленки, из которой выполнен рисунок на фотошаблоне, различают эмульсионные и металлизированные фотошаблоны. Кроме того, полу­чили распространение транспарантные (от англ. transparent - прозрачный.), на которых изобра­жение элементов сформировано пленкой материала, не про­пускающего актиничного для данного типа фоторезиста излу­чения, для неактиничного излучения материал практически прозрачен.

Как правило, на фотошаблоне содержится столько изобра­жений элемента микросхемы, сколько необходимо для запол­нения поверхности рабочей пластины. Таким образом, фото­шаблон является носителем размноженного (мультиплициро­ванного) идентичного изображения. Для производства ИМС (или прибора) изготовляют комплект фотошаблонов (3 -10 шт. в зависимости от сложности схемы), элементы которых должны точно совмещаться друг с другом при переходе от одного технологического слоя к другому.

Вначале создается комплект эталонных фотошаблонов, с ко­торых затем методом фотолитографии получают несколько рабочих комплектов. Так как в производстве микросхем исполь­зуют главным образом метод контактной фотолитографии, то в процессе эксплуатации фотошаблоны изнашиваются: на них появляются проколы, количество которых превышает до­пустимую норму, царапины и другие дефекты. При выходе из строя одного из рабочих фотошаблонов заменяют весь комплект во избежание ошибок при совмещении. Точно так же поступают, если выходит из строя один из эталонных фото­шаблонов.

Изготовление фотошаблонов - дорогостоящий, трудоемкий про­цесс, требующий высокой квалификации операторов, высокой точности и надежности оборудования, строжайшего соблюдения норм вакуум­ной гигиены.

В современной технологии существует в основном три метода изготовления фотошаблонов:

- оптико-механический, заключающийся в получении проекции элемента топологии микросхемы истинного размера с высокой степенью разрешения, который затем мультипли­цируют, применяя фотоповторители;

- метод сканирования с использованием модулированных по амплитуде и длительности лазерных или электронных пучков;

- растровый метод с применением линзовых, зеркальных или голографических устройств.

Рис. 3.5. Обобщенная схема изготовления фотошаблонов

Рассмотрим обобщенную схему изготовления фотошаблонов (рис. 3.5). Процесс изготовления комплекта фотошаблонов начинается с разработки технического задания, которое строится на базе основ­ной информации о топологии структур и дополнительной информа­ции, к которой относятся сведения о типе фотошаблона (светлополь­ный или темнопольный, зеркальный, транспарантный) и о мульти­плицировании (количество мультиплицированных структур, число и координаты пропусков структур, облегчающих процесс совмещения, а также другие непериодические изображения; номера, тестовые структуры и т. д.), а также контрольная информация.

Контрольная информация бывает задающей, т. е. указывает на метод выполнения фигур совмещения и тестовых структур, позво­ляющих проконтролировать разрешающую способность фотолитогра­фий, технологические и электрические характеристики прибора или микросхемы. Другой вид - это информация о методике и критериях контроля характеристик фотошаблонов: размеров, количества дефек­тов, размеров критических областей, совмещаемости и др.

Основную и дополнительную информацию используют в конструк­торской документации или же она является базой для составления программы ЭВМ.

Оптико-механический метод. Первый этап заключается в изготовлении фотооригиналов с по­мощью ручных или автоматических координатографов с программным управлением. Фоторигиналы выполняют на полимерной (рубилитовой) светонепроницаемой пленке, нанесенной на поверхность большой стеклянной пластины высокого качества. Размер изображения на ори­гинале в 100-1000 раз превосходит истинные размеры элемента на микросхеме. Исполнительным инструментом координатографа является алмазный резец, который разрезает пленку по контуру изображения, после чего лишняя пленка снимается с пластины пинцетом. Боль­шей производительностью отличаются фотографические методы, ког­да исполнительным инструментом автоматического координатографа является световой пучок, рисующий изображение на фотопластине, или лазерный луч, выжигающий изображение в тонкой пленке, нанесенной на стеклянную пластину.

Координатографы должны обеспечивать точность выполнения изображения не хуже ±20 мкм при среднем размере его ~1000х1000 мм. При дальнейшем уменьшении этой погрешностью прак­тически можно пренебречь.

На следующем этапе изготовляют промежуточный фотошаблон с уменьшением в 50-100 раз по сравнению с оригиналом. Умень­шение производят с помощью редукционной камеры.

На современном уровне развития аппаратуры промежуточный фотошаблон может быть изготовлен сразу с требуемой точностью, минуя стадию изготовления громоздкого первичного фотооригинала. При этом весь процесс сокра­щается на один этап при значительном уменьшении трудоемкости и рабочего времени.

Промежуточные шаблоны в этом случае изготавливают фотонаборным методом и методом сканирования с помощью модулируемого светового пучка.

Фотонаборный генератор изображения имеет наборную лепестковую (щелевую) диафрагму изменяемой конфигурации, которая может формировать прямоугольные отверстия различного размера (до нескольких десят­ков тысяч вариантов) с переменным расположением их по углу от­носительно центра в пределах 0 - 90° и шагом ~0,2°.

В состав генератора входят также: источник освещения, высококачественный объектив (обычно с уменьшением 1:10), который проецирует изобра­жение диафрагмы на фотопластинку; прецизионный двухкоординатный стол (с точностью перемещения не хуже чем ±0,5 мкм); управляю­щая ЭВМ, в которую вводится программа последовательной работы генератора (с основными операциями: установление длины, ширины и угла поворота диафрагмы, координаты одной из точек элемента изображения, перемещение по осям и поворот стола, экспонирование). Для получения комплекта фотошаблонов ИМС средней сложности с помощью фотонаборного генератора необходимо затратить около 3 ч. Тот же процесс с использованием редукционной камеры требует примерно 100 ч.

Генератор изображения со сканирующим лучом. Использование генераторов изображения со сканирующим лучом позволяет еще в большей степени сократить рабочее время изготовления промежуточного фотошаблона. Принцип действия такого гене­ратора состоит в следующем. Луч (Не - Ne)-лазера модулируется по заданной программе, попадает на многогранное вращающееся зеркало и фокусируется в плоскости фотопластинки. Зеркало разворачивает световое пятно в линию, создающую скрытое изображение в фотослое пластинки. При смещении стола с фотопластинкой создается следую­щая линия, частично перекрывающаяся с предыдущей. Конфигурация изображения определяется длительностью световых импульсов, а также угловыми скоростями вращения зеркала и перемещения стола. Гене­ратор со сканирующим лучом позволяет получить промежуточный фотошаблон средней сложности за 10-12 мин.

Развитие машинных методов проектирования привело к тому, что отпала необходимость в формулировании задания на изготовление фотошаблона в виде топологического чертежа. Исходным документом является функциональная схема, которая затем с помощью ЭВМ и набора алгоритмов преобразуется в логическую, электрическую и топологическую. Информация о топологии вводится непосредственно в генератор изображения, который в данном случае является терми­нальным устройством ЭВМ.

Мультиплицирование изображения промежуточного фотошаблона (многократное повторение изображения промежуточного фотошаблона в масштабе 1:1 к ИМС) осуществляют с помощью фотоповторителей.

Фото­повторители - устройства, состоящие из одной или нескольких редук­ционных камер с высоким разрешением и координатного стола с высокой точностью перемещения (±0,2 мкм и выше). Уменьшенное до истинных раз­меров изображение элемента схемы проецируется редукционной каме­рой на фотопластинку, помещенную на координатный стол. Экспо­нирование участков фотопластинки производится с шагом, который задается перемещением координатного стола. Изображение разворачи­вается по строкам и столбцам вплоть до заполнения всей активной площади фотошаблона.

Применяя генераторы изображения в сочетании с электронным сканирующим лучом, можно сразу получать эталонный фотошаблон с мультиплицированным изображением истинных размеров, исключая уже не один, а два предварительных этапа изготовления. С помощью такого метода уже сейчас удается получать фотошаблоны с активным полем 50х50 мм и минимальным размером элементов изображения в субмикронном диапазоне 0,6 - 0,8 мкм.

Растровые методы изготовления фотошаблонов не нашли широ­кого применения в промышленности. В качестве примера рассмотрим лишь линзово-растровый способ изготовления фотошаблонов, харак­терной особенностью которого является мультиплицирование изобра­жения с промежуточного оригинала (рис. 3.6).

Линзовый растр 3 - это множительная оптическая система, состоя­щая из совокупности плосковыпуклых линз, расположенных в строгом порядке на поверхности пластины из оптического стекла. Чаще всего используют наборы сферических полистироловых линз, наклеенных оптическим клеем на пластину. Если перед линзовым растром по­местить репродуцируемое изображение 2 (например, промежуточный фотошаблон), а в фокальной плоскости растра - фотопластинку 5, то при освещении 1 на нее спроецируются изображения 4, по количеству равные числу линз в растре. Каждая линза дает собственную единичную проекцию. Размеры изображений на фотопластинке можно регулировать изменением расстояния от объекта до плоскости линзо­вого растра.

Рис. 3.6. Схема мультиплицирования изображения с помощью лин­зового растра.

Голографические системы мультиплицирования находятся в стадии лабораторных исследований. Пока разрешающая способность голографических систем невелика и составляет ~100 линий/мм. Улучше­ние качества голограмм в перспективе позволит значительно повы­сить разрешение.

Как эталонные, так и рабочие фотошаблоны (табл. 3.2) выполняют на оптических стеклах класса кронов толщиной 5 мм. Активное поле фотошаблона может меняться в зависимости от размера экспонируе­мых пластин от 25х25 до 200х200 мм. Изображение формируется в пленке хрома толщиной менее 1 мкм, нанесенной на поверхность пласти­ны вакуумным напылением. Методика формирования изображения - фотолитография с применением фоторезистов высокого разрешения.

При использовании хромовых фотошаблонов можно провести до 200 операций контактной печати. С эталонных металлизированных фотошаблонов можно снять до 20-30 рабочих копий. Металлизи­рованные фотошаблоны в настоящее время почти полностью заме­нили эмульсионные и, безусловно, являются более производительными и точными.

Большой недостаток металлизированных шаблонов - наличие эф­фекта сильного отражения света (до 70-90%). Кроме того, поскольку металлизированные участки полностью непрозрачны во всем видимом диапазоне, их трудно совмещать.

Этих недостатков нет у разработанных в последнее время транспарантных фотошаблонов. Край фундаментальной полосы поглощения материалов их покрытия находится в диапазоне длин волн 300-400 нм.

Для формирования изображения на транспарантных фотошаблонах пригодны пленки из полупроводниковых или диэлектрических материалов с шириной запрещенной зоны 3 - 4 эВ. Чаще всего для этой цели используют пленки монооксида кремния SiO или оксида железа Fе₂О₃ толщиной 1 - 1,5 мкм. Хорошие результаты дают пленки сложного состава: 10% Fe₂O₃ + 90% VO₂. Износоустойчивость транспарантных фотошаблонов увеличивается при нанесении поверх основной пленки тонкого слоя фторида магния MgF₂.

Влияние запыленности воздуха и меры борьбы с нею. При изго­товлении фотошаблонов запыленность воздуха с разных сторон оказывает отрицательное воздействие на технологический процесс и качество готовой продукции.

Прежде всего каждая пылинка размером, сравнимым с толщи­ной фоточувствительного слоя (порядка 0,3—0,5 мкм), осевшая на этот слой, при экспонировании дает отпечаток своей конфигурации, что приводит к дефектам структуры фотошаблонов. При этом дефек­ты, возникшие на любой из промежуточных стадий технологиче­ского процесса, переносятся при перепечатке на конечную продук­цию и приводят к браку планарных структур полупроводниковых приборов.

Замечено, что при фотогравировке в воздушной среде, содержа­щей около 3000 пылинок/л, каждая десятая структура площадью 4 мм² получается дефектной из-за пропечатки пылинок. Пагубное влияние пыли сказывается также при оседании ее на оптические поверхности объективов, снижая контрастность изображения и раз­решающую силу оптико-механических приборов. Кроме того, пыль оказывает отрицательное влияние на механические узлы точных координатных столов, снижая их точность.

Таким образом, становится очевидным, что технологический процесс изготовления фотошаблонов должен быть от начала до конца организован так, чтобы максимально исключить возможность попадания пылинок на упомянутые ответственные узлы оборудова­ния, светочувствительные слои и на полуфабрикаты, подлежащие отсъему или перепечатке.

Установлено 3 класса чистоты помещений и пылезащитных камер в зависимости от концентрации и размеров частиц, содержащихся в воздухе (табл. 5.1). При этом 3-й класс чистоты возможно достичь только в специальных «чистых комнатах» с ламинарным вертикальным потоком обеспыленного воздуха от потолка к полу по всему сечению комнаты со скоростью потока 0,2—0,5 м/сек, а также в специальных пылезащитных боксах.

Температура воздуха должна поддерживаться зимой и диапазоне 20 ±1° С и летом — 22 ± 1° С, при относительной и важности 50 ± 5%. В то же время оборудование для отдельных наиболее критичных к запыленности операций (приготовление и нанесение фоторезиста, а также его сушка; мультипликация и фото­химическая обработка фотопластин) должно размещаться в помеще ниях 3-го класса чистоты с допустимым количеством пылинок на 1 л не более 4. Это требование технически может быть реализовано в так называемых «чистых комнатах», устанавливаемых внутри помещения 2-го класса чистоты. Кроме того, большинство операций со светочувствительными слоями должно проводиться в специаль­ных обеспыленных боксах, имеющих поддув очищенного от пыли воз­духа, а передача пластин с операции на операцию должна осуществ­ляться через шлюзы.

Однако основным источником запыленности является деятель­ность работающего в нем персонала. При разных видах деятель­ности один человек генерирует за минуту от 100 000 до 30 000 000 пылевых частиц размером от 0,3 мкм и более в 1 мин. Даже если человек сидит или стоит неподвижно, его «пылеиспускание» состав­ляет около 100 000 пылинок/мин. При этом пылевые частицы отде­ляются как от одежды персонала, так и в результате шелушения кожи, отделения косметических частиц (пудры и т. п.). Исключительно важное значение имеет спецодежда персонала, которая должна максимально закрывать тело, одежду, волосы работника. Рабочий халат должен быть изготовлен из материала, не выделяю­щего пылевые частицы, например из капроновой моноволоконной ткани

Таблица 5.1

Класс чистоты	Максимальное число частиц размером 0,5 мкм/л	Максимальное число частиц размером 5 мкм/л
1 2 3	350 35 4	25 3 Не допускается

К фотошаблонам предъявляются весьма жесткие требования:

- они должны иметь высокую разрешающую способность (до 2000 линий/мм);

- достаточно большую площадь рабочего поля (это особенно важно при переходе на пластины диаметром 80-200 мм в производстве БИС);

- высокую контрастность;

- обеспечивать точность воспроизведения всех размеров изображения (на уровне 0,1 - 0,5 мкм и выше);

- точность размеров шага между элементами (в пределах 1 мкм);

- стабильность рисунка во времени;

- быть стойкими к истиранию и проколам;

- иметь плоскостность рабочей поверхности не хуже 0,5 мкм на длине 25 мм, что особенно важно при контактной печати.

В заключение приведем систему классификации фотошаблонов (табл. 3.3).