ЛР ПИМС и МП / ЛР ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ ФОТОШАБЛОНОВ / Приложение / Изготовление фотошаблонов

13

Изготовление 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 (трехступенчатый);

- с помощью генераторов изображений (двухступенчатый);

- с помощью электроннолучевого сканирования (одноступенчатый).

Оптико-механический метод. Первый этап заключается в изготовлении фотооригиналов с по­мощью ручных или автоматических координатографов с программным управлением.

Координатографы — это приборы, предназначенные для вы­пучивания или вырезания в лаковой пленке увеличенного рисунка топологии структуры фотошаблона. Автоматические координатографы - это прецизионные приборы, где управление перемещением режущего инструмен­та и само его перемещение осуществляются автоматически по задан­ной программе, вводимой в ЭВМ на основании топологии слоя (чертежа). Резцовая головка с тангенциальным управлением является исполнительным органом координатографа, работающего в режиме вырезания оригиналов. Для получения хорошего качест­ва резки проводится автоматический поворот резца в направлении хода движения резцовой головки с высокой точностью.

Автоматический координатограф — это сложный агрегат, со­стоящий из основного чертежного прибора, устройст­ва ввода данных, специализированной ЭВМ для обработки данных, устройства управления перемещением инструментальной каретки и пульта общего управления координатографом, а также всевозмож­ных устройств индикации работы прибора и блоков питания.

В настоящее время принята преимущественно технология вырезания рисунка на непрозрачной для актиничного света пленке, нанесенной на достаточно прочной прозрачной подложке. Для изготовления оригиналов на координатографах обычно применяют крупногабаритные (до 1200х1200 мм и толщиной 6-10 мм при допустимой непло­скостности менее 100 мкм) стеклянные или пленочные (полиэфирные) подложки, покрытые специальной легкоудаляемой не­прозрачной для активного (УФ) света тонкой пленкой.

Следует отметить преимущества как стеклянных, так и пленочных под­ложек. Стеклянные подложки обеспечивают лучшую стабильность по сравне­нию с пленочными при климатических изменениях и могут многократно ис­пользоваться. Пленочные подложки вследствие меньшего веса, гибкости, устойчивости к изломам и ударам более просты в обращении, чем стеклянные; хранить мож­но их в архивах.

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. 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. Оригинал, вычерченный в увеличенном масштабе и содержащий топологию структуры изделия, является объектом первичного фотографического уменьшения. Результатом этого процесса являет­ся промежуточный фотошаблон, с которого после одного или не­скольких последующих процессов уменьшения уже получают изображение с размерами рабочего фотошаблона. Обычно достаточно двух фотографических процессов уменьшения: при первом — ори­гинал уменьшают на редукционной камере до промежуточного раз­мера, при втором уменьшении проводится также размножение струк­тур фотошаблона путем последовательной их фотопечати. Вследствие высоких требований к качеству промежуточных фотошаблонов для их изготовления должны применяться специальные высокоточ­ные редукционные камеры.

Редукционная камера должна обеспечивать получение заданных размеров на промежуточном фотошаблоне с высокой точностью (не хуже ± 1,0 мкм). Обычно камера комплектуется группой объективов, откоррек­тированных на постоянные коэффициенты уменьшения 10, 20, 30, 40 и 50 крат. В целом редукционная камера представляет собой фотографическую уста­новку.

Схема редукционной камеры:

Основными узлами редукционной камеры являются: экран с ис­точниками света, держатель оригинала, объектив и держатель объек­тива, кассета с фотопластиной. Кроме того, конструкция установки включает ряд таких элементов, как рассеивающие стекла, фильтры, затвор, устройства для контроля установки масштаба и изображе­ния.

Фотокамера смонтирована на литой станине 1, которая в свою очередь покоится на амортизаторах 2 и 3. Внутри экрана 4 смонтирован осветитель из стержневых люминесцентных ламп, включаемых с центрального пульта 5. Экран установ­лен на станине на направляющих качения и имеет возможность пере­мещаться вдоль направления оптической оси и может быть закреп­лен в любом выбранном положении.

Манипуляции перемещением кассеты с фотопластиной 6 осу­ществляются с помощью маховичков 7, 8. Объектив наводится на резкость маховичком 9. На рисунке также видны компараторы и микроскоп для наводки на резкость 10. Необходимая длительность экспозиции выбирается с помощью декадных переключателей, поз­воляющих набирать любую выдержку от 1 до 999,9 сек.

Третий этап изготовления фотошаблона – мультиплицирование. Основное назначение систем мультипликации изготовление эталонных фотошаблонов. Процесс мультипликации заключается в уменьшении изображения структуры, имеющихся на промежуточном оригинале, до окончательного раз­мера согласно чертежу и многократном повторении фотопечатью этих изображений на определенной площади светочувствительной пластины при высокой точности взаимного расположения отдельных структур. Для реализации этих параметров необхо­димо обеспечить как качественную передачу изображений структур с микронными и субмикронными элементами на больших рабочих площадях, с весьма малыми линейными погрешностями тополо­гии, так и точное и воспроизводимое размещение отдельных изображений на заданном поле позиционирования, определяющее, в конечном итоге, степень совмещаемости комплекта фотошаблонов.

В настоящее время существует два метода, позволяющих выполнить указанные выше операции изготовления эталонных фо­тошаблонов: метод последовательной мультипликации единичного изображения, ос­нованный на применении прецизионных шагово-повторных фото­камер (фотоповторителей) и метод одновременной съемки и мультипликации на­бора единичных изображений с помощью линзовых растров.

Наиболее универсальным методом изготовления точных эталон­ных фотошаблонов (эмульсионных или металлизированных), полу­чившим широкое практическое применение в технологии полу­проводникового производства, является первый метод, совмещающий процессы шагового размножения отдельного изображения с окон­чательным уменьшением до необходимого размера на специальных прецизионных фотокамерах, получивших название фотоповтори­телей.

Конструктивно фотоповторитель представляет камеру проек­ционной фотопечати уменьшенных в определенном масштабе изобра­жений объекта (промежуточного оригинала) на пластину со свето­чувствительным слоем. Эта фотопластина механически перемещается в плоскости изображений и периодически при достижении ею опре­деленной координатной позиции на пластину экспонируется рисунок структуры. Местоположение каждой позиции определяется преци­зионной измерительной системой отсчета текущих координат и за­дается путем ввода специальной программы мультипликации.

Схема однопозиционного повторителя: 1 – источник света, 2 – конденсор, 3 – промежуточный ФШ, 4 – объектив, 5 – фотопластина, 6 – координатный стол, 7 – измерительная система, 8 – система экспонирования.

В ряде случаев с целью повышения производительности процесса мультипликаций и повышения степени совмещаемости фотошабло­нов в комплекте широко используются многопозиционные фотопов­торители (рис. 9.3). При этом несколько проекционных систем (обыч­но четыре, шесть или девять) компонуются в один блок, состоящий из заданного числа автономных осветительных и оптических уз­лов, размещенных над одним прецизионным координатным столом и работающих одновременно.

Схема многопозиционного фотоповторителя

Комплект светочувствительных фотопластинок устанавливается в кас­сеты, которые размещены на координатном столе таким образом, что под каждой проекционной системой располагается соответствующая фотопластинка. В проекционные системы фотоповторителя одновременно устанавливается набор промежуточных оригиналов, содержащих различные по топологии и изготовленные в соответствующем мас­штабе изображения структур. Все это позволяет оперативно изготовить комплект фотошабло­нов (практически за один или два рабочих процесса) с достаточно высокой степенью совмещаемости, так как все фотошаблоны комп­лекта, изготовленные одновременно, будут иметь одинаковые шаговые погрешности.

Здесь следует подчеркнуть, что метод одно­временной мультипликации, с одной стороны, снижает величину несовмещаемости фотошаблонов, вызванную шаговой погрешностью фотоповторителя, с другой стороны, приводит к появлению других погрешностей, ухудшающих совмещаемость фотошаблонов в комп­лекте. Это, прежде всего, разномасштабность и неидентичность оста­точных аберраций объективов, используемых на разных тубусах, а также некоторое «рыскание» координатного стола при движении, вызванное непрямолинейностью направляющих.

Современный фотоповторитель, как правило, состоит из системы прецизионного координатного стола, проекционной системы экспо­нирования и электронного пульта управления. В систему точного перемещения координатного стола входит соб­ственно координатный стол с механизмами привода и измерительное устройство отсчета перемещений стола.

Двухкоординатный прецизионный стол располагается на массив­ной металлической станине или гранитной плите, обеспечивающей эффективную защиту от вибраций как в вертикальном, так и в го­ризонтальном направлениях, а также от влияния кратковременных колебаний температуры на элементы конструкции механической системы. Собственно координатный стол состоит из двух установленных один на другой координатных столиков, независимо перемеща­ющихся по направляющим во взаимно перпендикулярных направлениях.

В последнее время был разработан ряд фотоповторителей, ис­пользующих направляющие стола с гидростатическими и аэро­статическими подшипниками.

Высокие требования к точности фотошаблонов привели к необ­ходимости создания специальных датчиков перемещения координат­ных столов фотоповторителей. На координатном столе, смещение которого должно быть точно измерено, размещается периодическая структура в виде дифрак­ционной решетки. Смещение данной решетки вызывает генерацию элек­трического сигнала с соответствую­щей периодичностью в измеритель­ной системе с фотоприемниками, за­крепленной на станине.

Измерение такого перемещения можно произвести путем электронно­го считывания числа периодов сиг­нала или долей периода.

Рис. Система измерения перемещений стола с непосредственным отсчетом: 1— матрица фотодиодов, расположенная в пло­скости изображения дифракционной решетки; 2 — полупрозрачное зеркало; 3 — конденсорная систе­ма; 4 — отражательная дифракционная решетка; 5 — источник света; 6 — объектив.

Высокая точность, обеспечивающая сочетание экстремальной разрешающей способности с требуемой воспроизводимостью пози­ционирования современных фотоповторителей, может быть реализо­вана при применении измерительных систем с лазерными интерфе­рометрами.

Рис. Лазерная интерферометрическая система измерения перемещений: 1—трехгранная призма, закрепленная на подвижном столе; 2 — луч; 3 — наблюда­тель; 4 — неподвижное зеркало; 5 — ус­тройство разделения луча; 6 — диафрагма; 7 — неподвижное зеркало; 8 — источник света (лазер).

В устройстве для измерения длин шагов с помо­щью интерферометров происходит интерференция двух лучей све­та, исходящих из одного источника (Не - Ne лазера с длиной волны излучения λ = 632,8 нм) и на­правляемых по различным траекториям после прохождения через систему зеркал. Результирующая интенсивность зависит от относительной фазы волн и, следовательно, будет изменяться периоди­чески при изменении длины оптического пути од­ного из лучей с помощью перемещающегося совместно со столом зеркала (эти два луча интерферируют, усиливая или ослаб­ляя друг друга, результирующая сила света считывается фотоэле­ментом.). В этом случае разрешающая способность системы отсчета со­ставляет λ/4, т. е. ~ 0,15 мкм на один считанный импульс.

Следует отметить, что использование даже самой точной системы отсчета длин шагов не исключает возможности возникновения по­грешностей. Например, стабильность работы систем с лазерным интерферометром во многом определяется изменением баромет­рического давления окружающей среды, а также изменением влажности атмосферы в зоне прохождения лучей света.

Использование источ­ников непрерывного горения требует остановок координатного стола фотоповторителя на время экспонирования, а длительность экспозиции регулировать с помощью электромагнитного затвора. В то же время разработка специальных импульсных ксеноновых ламп, имеющих достаточную для экспонирования бромосеребряных эмульсий импульсную мощность, позволила создать ряд фотоповторителей с непрерывным движением, координатного стола по оси х. При этом экспонирование может осуществляться во время движения координатного стола без его остановки, что непосред­ственно связано с производительностью фотоповторителя в целом.

В качестве основного фотоматериала для изготовления промежу­точных и эталонных фотошаблонов используются специальные фотопластинки. Требования, предъявляемые к этим фотопласти­нкам, определяются минимальными размерами элементов, которые необходимо воспроизводимо получать на этих фотопластинках, тех­ническими характеристиками применяемого оборудования, оптикой и последующим технологическим процессом перепечатки изобра­жений.

Для фотопластинок, применяемых с целью получения фотошабло­нов с минимальными элементами структуры до 1 мкм при мультипли­кации на фотоповторителях без автоматической подфокусировки, эти требования: разрешающая способность фотослоя должна быть не менее 1500 - 2000 лин/мм, величина размытости края при переходе от черного к белому полю - не более 0,1 - 0,2 мкм. Установки могут работать как на эмульсион­ных фотопластинках, так и на фоторезисте. Экспонирование фоторезистивной заготовки фотошаблона позволяет получить более высокую точность координат границ элементов топологии, что объясняется отсутствием размытости края рисунка у фоторезиста в отличие от фотоэмульсии, где размытость края может составлять от долей до единиц микрона.

Генераторы изображений. Процессы вырезания оригинала фотошаблона на координато­графах и последующего его отсъема на редукционной фотокамере могут быть заменены одним процессом, а именно последовательной фотопечатью элементов фотошаблона на фотопластину. Таким об­разом осуществляется фотонабор микроизображений. Для выпол­нения этого процесса созданы установки, называемые генераторами изображений или микрофотонаборными установками.

Известны два принципиально различных метода генерации мик­роизображений.

Один из них — метод сканирования, когда сфоку­сированный луч света сканирует поверхность фотопластины путем последовательного прохода строк (аналогично развертке изображе­ния в телевизоре). При этом луч света, управляемый вычислитель­ным устройством, появляется и исчезает в соответствии с заданной программой. Развертка осуществляется в одних машинах за счет перемещений стола, в других — за счет отклонения луча системой зеркал, приводимых в движение специальным механизмом. Систе­ма зеркал обеспечивает более высокую производительность, но мень­шую точность по сравнению с системой перемещения стола.

В методе сканирования управление лучом света осуществляет­ся без остановки стола или зеркально-механической системы раз­вертки, что требует очень коротких экспозиций при высокой плотности энергии светового потока, достижимых лишь для импульс­ных источников света, например ксеноновой лампы-вспышки, лазера. В связи с этим сканирующие системы требуют применения доста­точно высокочувствительных фотопластин и трудно реализуемы для экспонирования фоторезиста, требующего в десятки раз больших экспозиций (H = Eτ).

Сканирующие генераторы изображений. Схематически устройство этого гене­ратора представлено на рис. 8.10.

В качестве источника света ис­пользуется газовый лазер 1. Луч света 2, пройдя систему поворачи­вающихся призм, не показанных на рисунке, направляется в опти­ческий

модулятор 3. В оптическом модуляторе луч света ослабляет­ся в зависимости от величины электрического сигнала вплоть до полного поглощения. Таким образом, модулятор играет роль безы­нерционного затвора. Далее луч света проходит высокоразреша­ющий объектив 4 и поступает на вращающееся зеркало 5, представ­ляющее собой 10-гранную призму, развертывающую луч света вдоль строки по оси х. Отраженный от вращающегося зеркала луч снова проходит объектив и фокусируется в плоскости фотопластины 6, перемещающейся равномерно по направлению у. При соответству­ющей модуляции луча, осуществляемой ЭВМ, можно получать за один проход пластины промежуточный фотошаблон заданной кон­фигурации.

Рис. 8.10. Схема генератора изо­бражений 1 - газовый лазер; 2 - луч лазера;

3 - модулятор света; 4 - объектив; 5 - вращающаяся 10-гранная призма;

6 - стеклянная фотопластинка.

Другой метод генерации микроизображений – метод фотонабора - заключается в разделении всей топологической структуры фотошаблона на элементар­ные прямоугольники разной величины, с различным отношением сторон и необходимой ориентацией их по углу. Затем эти прямоуголь­ники последовательно впечатываются в необходимые места фотопластины, позиционируемой с высокой точностью с помощью коорди­натного стола.

Метод фотонабора, позволяет использовать как импульсные лампы-вспышки, так и источник света непрерывного горения, элек­тромеханический затвор и координатный стол, снабженный меха­низмами точных перемещений и остановок в заданных положениях. Метод фотонабора позволяет получить наиболее высокую произво­дительность за счет исключения необходимости сканировать «сво­бодные» участки поля, не содержащие изображений, и за счет ра­циональной разбивки топологической структуры, сводя к миниму­му число экспозиций для набора всей структуры. При этом метод фотонабора при соответствующей конструкции координатного стола и системы управления обеспечивает также достаточно высокую точ­ность.

Микрофотонаборные установки. Генераторы изображений, ра­ботающие методом фотонабора, являются наиболее распространенными. Схема генератора приведена на рис. 8.11. Установка предназначена для изготовления промежуточных фотошаблонов, увеличенных в 10 крат по сравнению с окончательным размером.

Последовательность работы на установке заключается в записи координат точек пересече­ний линий, ограничивающих элементы рисунка топологии. Далее эта информация вводится в ЭВМ, которая обрабатывает эти данные, разлагая рисунок топологии на элементарные прямоугольники и оптимизируя эту разбивку по минимальному числу возможных экспозиций с учетом допустимых погрешностей топологии. Промежуточный фотошаблон получается после­довательным экспонированием прямоугольных элементов на соот­ветствующих участках фотопластинки. По команде, вводимой в уста­новку, координатный стол вместе с фотопластинкой устанавливается в такое положение, что центр экспонируемого элемента совпадает с оптической осью проектора. По этой же команде специальным ме­ханизмом — наборной диафрагмой, имеющей две пары взаимно пер­пендикулярных шторок, расстояние между которыми устанав­ливается автоматически, выбирается нужный размер проецируе­мого элемента (может также выполняться и поворот). После этого выполняется экспонирование.

Разработка больших и сверхбольших ИМС на основе САПР позволяет в качестве исходной информации использовать функциональную схему устройства, на базе которой образуются электрическая и топологическая схемы. Информация о топологии, рассчитанная в ЭВМ, вводится непосредственно в генератор изображения.

Установка может работать как на эмульсион­ных фотопластинках, так и на фоторезисте. Экспонирование фоторезистивной заготовки фотошаблона позволяет получить более высокую точность координат границ элементов топологии, что объясняется отсутствием размытости края рисунка у фоторезиста в отличие от фотоэмульсии, где размытость края может составлять от долей до единиц микрона.

Рис. 8.11. Схема генератора изображений : 1 - лампа-вспышка; 2 - конденсорная система линз; 3 - щелевая наборная диафрагма; 4, 5, 6 - элек­тродвигатели управления соответ­ственно шириной, длиной щели и углом поворота щелевой диафрагмы; 7 - объектив; 8, 9 - интерферометрические дат­чики перемещений координатного стола по осям х и у; 10 - координатный стол; 11 - сервоэлектродвигатели перемещения координатного стола; 12 - программное ус­тройство; 13 - ЭВМ.

Электронолитография. В связи с физическими ограничениями оптического метода микрогравировки, проявляющимися прежде всего в ограниченной разрешающей способности и малой глубине резкости при работе вблизи предела разрешения, был поставлен вопрос об использовании электронных пучков для экспо­нирования резистивных пленок, т. е. о разработке метода электронолитографии. Применением в микроскопии электронных пучков, ускоренных до энергий 10—100 кэВ, дает возможность значительного (на несколько порядков) увеличе­ния разрешающей способности.

Преимущества электронолитографии заключаются не только в более высокой разрешающей способности, но и в возможности ав­томатизировать процесс, использовав ЭВМ, и в результате значи­тельно повысить производительность труда на микрогравировке, обеспечив более высокую точность и экономичность результатов. Пучки электронов, ускоренных в электрическом поле, обладают аналогично световым пучкам волновыми свойствами и с помощью специальных электростатических или магнитных линз могут быть сфокусированы на некоторую малую площадку. Минимальный диаметр этой площадки так же, как и в световой оптике, зависит от линейных размеров источника излучения* (крос­совера), энергии электронов и свойств линз. Если размер источника мал — точечный источник, — размер сфокусированного пятна ог­раничивается дифракционным пределом. В световой оптике мини­мальный диаметр центрального диска в сфокусированном пятне

Энергия движущегося электрона

где т — масса электрона; v — скорость движения электрона; е — заряд электрона; V — разность потенциалов на пути, пройденном электроном в процессе ускорения.

Любая элементарная частица массы т, движущаяся с некоторой скоростью v, может характеризоваться длиной волны X, которая может быть подсчитана по формуле

где h — постоянная Планка.

Для движущегося электрона из (13.36) получаем

Подставляя постоянные величины в формулу (33.39), получаем следующее выражение для длины волны электрона, ускоренного в поле с разностью потенциалов V [В].

Таким образом, для V =15∙10³ В длина волны электрона составляет величину 0,01 нм.

Для электронолитографик, когда λ на несколько порядков меньше, высокое разрешение можно получить при очень малых апертурах. В результате глубина резкости сфокусированного электронного пучка может составлять 25-100 мкм, что позволяет получать одинаково резкие изображения по всей площади (искрив­ленной) пластины.

Необходимо заметить, что в результате сферической аберрации электронно-оптических систем площадь сканирования электронным лучом плоской поверхности при заданном уровне допустимых иска­жений ограничена. Для систем, имеющих разрешение порядка 0,1 мкм, площадка сканирования не превышает 5х5 мм.

Установка для экспонирования резиста сфокусированным пуч­ком электронов. Схема установки приведена на рис. 13.16.

Рис. 13.16. Схема установки для электронолитографии: 1 — устройство считывания; 2—устройство для управления экспонированием; 3—устройство для автоматического управления совмещением; 4— устройство для уп­равления механическим перемещением; 5 —система управления; 6 — контрольно-измерительный прибор с электронно-лучевой труб­кой; 7— устройство управления сканированием; 8 — детектор обратного рассеяния элек­тронов; 9 — привод двигателя; 10 — счетчик импульсов; 11 — устройство для управ­ления запиранием—отпиранием луча; 12— система отклонения; 13 — двигатель; 14 — электронная пушка; 15 — электронный луч; 16 — электронные линзы; 17 — устройство от­клонения луча; 18 — камера экспонирования; 19 — подложка; 20 — детектор вторичных электронов; 21 — источник питания электронной пушки; 22 — устройство для возбуждения конденсорной линзы; 23 — камера замены подложки; 24 — откачивающие насосы; 25 — флюоресцентный экран; 26 — электронно-оптическая колонна; 27 — электронно-вычисли­тельная машина.