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

Контроль фотошаблонов

Фотошаблоны — основной инструмент для осуществления фото­литографических операций в планарной технологии. С помощью фотошаблонов формируются изображения в слое фоторезиста, нанесенного на полупроводниковую пластину, а затем вытравли­вается экранирующая маска в поверхностной пленке окисла или создается топологическая структура на металлической пленке. Совокупностью операций фотолитографии задаются геометрические размеры элементов полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, а также конфигурация структуры изделия в целом, чем в немалой степени обеспечивается получение необходимых пара­метровизделия.

Необходимость обеспечения идентичности конфигураций полу­проводниковых структур от процесса к процессу накладывает на фотошаблоны жесткие требования. Фотошаблоны должны иметь строго рассчитанный геометрический рисунок с допусками на размер элементов в пределах долей микрона, минимальное коли­чество дефектов и отвечать требованиям совмещаемости различных топологических рисунков всех входящих в комплект фотошаблонов.

В микроэлектронике отдельные структуры приборов имеют общие поперечные размеры от 0,05 до 10 мм. Полупроводниковые пластины имеют диаметры от 25 до 80 мм. Для повышения произво­дительности фотолитографических процессов целесообразно исполь­зовать пластины по возможности с наибольшим диаметром. Это по­зволяет на одной пластине обрабатывать одновременно до 10000 структур дискретных приборов и до 2000 структур интегральных микросхем.

Для получения таких фотошаблонов фотографическим способом вычерчивают (рис. 4.1) оригинал, который затем последовательно уменьшают в 1—3 приема. Получаемое таким образом отдельное изображение многократно экспонируют на фотопластине. При этом между двумя экспозициями фотопластину смещают на точно уста­новленные расстояния по строке (х-смещение) и от строки к строке (y-смещение); таким образом получают эталонный фотошаблон.

Для изготовления каждого функционального элемента полупровод­никового прибора или интегральной микросхемы требуется ком­плект фотошаблонов, состоящий из 4—12 стекол.

Входящие в ком­плект фотошаблоны имеют различные, но взаимносовместимые изоб­ражения, изготовленные при одинаковых оптических условиях.

Топология структуры — рисунок (чертеж), включающий в себя геометрические величины элементов структуры, их форму, поло­жение и принятые геометрические допуски.

Оригинал первичный — увеличенный, поддающийся воспроизведению рисунок, предназначенный для изготовления фотошаблона методом последовательного уменьшения и мультипликации.

Промежуточный фотошаблон (оригинал) — фотошаблон с рисун­ком оригинала после его фотографического промежуточного умень­шения в один или несколько приемов.

Фотошаблон — плоско-параллельная пластина из прозрачного материала для фотолитографических целей, на котором имеется рисунок, состоящий из сочетания непрозрачных и прозрачных для света определенной длины волны участков, образующих топологию одного из слоев структуры прибора, много­кратно повторенных в пределах активного поля пластины.

Маска — плоская пластина или пленка, содержащая рисунок в виде сквозных окошек и предназначенная для локального экрани­рования процессов диффузии, напыления.

Металлостеклянный фотошаблон — фотошаблон, экранирую­щий рисунок которого представляет собой тонкую металлическую пленку, нанесенную на прозрачную стеклянную подложку.

Эталонный фотошаблон — первый фотошаблон в процессе из­готовления, с которого обычно получают рабочие или первичные копии фотошаблонов.

Рабочий фотошаблон — фотошаблон, применяемый в фотолито­графическом процессе при изготовлении полупроводниковых структур контактной или проекционной печатью на полупроводни­ковую пластину, покрытую слоем фоторезиста.

Фигура совмещения — специальный топологический рисунок в виде штриха, щели, креста и т. д. для облегчения юстировки рабо­чего фотошаблона при определении его совмещения с рисунком на полупроводниковой пластине.

Проколы — дефекты фотошаблона в виде мельчайших отверс­тий в непрозрачных элементах изображения фотошаблона или тем­ных точек на прозрачных элементах изображения. Проколы коли­чественно определяются плотностью дефектов. Она указывает, сколько проколов определенного диапазона величин содержится на 1 см² фотошаблона в тех или иных его участка.

Неровность края Δb' — высота микронеровностей (зубцов) прямолинейного края непрозрачного элемента фотошаблона или элемента топологии на полупроводниковой пластине, измеряемая как максимальное расстояние между впадинами и выступами (рис. 4.4).

Разрешающая способность. Если рассматривать две близко расположенные соседние точки объекта и соответствующие им точки изображения, то в изображении обнаруживается наложение дифракционных картин, представленное на рис. 3.7, что приводит к расплывчатости изображения. Чем ближе расположены точки, тем меньше возможность получения их раздельных изображений. Предел разрешающей способности по Релею определяется рас­стоянием между двумя точками изображения, при котором мак симум дифракционной картины одной точки совпадает с минимумом дифракционной картины другой точки. Это расстояние равно

Из формулы (3.14) следует, что разрешающая способность объектива зависит от длины волны используемого света и апертуры применяе­мого объектива. Однако следует иметь в виду, что критерий Релея выведен из условия визуальной различимости двух соседних точек изображения при наблюдении изображения непосредственно с по­мощью высококачественного микроскопа. При этом освещенность в интервале максимумов ослабляется на 22,5%.

На практике разрешающая способность определяется также по предельному числу линий, воспроизведенных на 1 мм длины изображения (рис. 3.8):

Рис. 3.8. Определение ширины штриха b и постоянной решетки d

Рис 3.7. Определение разрешающей способности. Совмещение двух дифрак­ционных фигур на расстоянии 0,61λ/А

Для практичёского измерения разрешающей способности применяется большоее количество тестовых фигур (миры), представляющих собой рисунок, состоящий из разноразмерных штрихов, имеющих различные поло­жения, а также окружностей разного диаметра и положения.

Рис. 3.23. Миры для измерения разрешающей способности: а — линейный тест; б — радиальная решетка; в — мира типа 34—10.

Искажение изображений. Кроме вышеперечисленных ошибок возможна еще одна ошибка положения точки Р', которая возни­кает как следствие дисторсии объектива.

Рис. 4.15. Возможные искажения формы квадрата, вызываемые дисторсией

объектива: а — квадрат без искажений; b— отрицательная дисторсия; в — положительная дистор­сии.

Защита фотошаблонов. Даже хромированный фотошаблон при контактной печати в процессе фотогравировки на кремниевой пластине быстро изнашивает­ся. Количество дефектов резко увеличивается с увеличением числа контактных пропечаток. Для увеличения износостойкости фотошаблонов предложено за­щищать их поверхность пленкой нитрида кремния толщиной до 100 нм. Нанесение защитной пленки проводится на установке реактивного распыления кремния в плазме низких энергий. Было установлено, что толщина защитной пленки нитрида кремния на поверхности фотошаблона, равная 100 – 150 нм, практически не ухудшает опти­ческих свойств фотошаблона, увеличивая при этом его износоустой­чивость в 2—3 раза. Дополнительные трудовые затраты по защите фотошаблонов пленкой нитрида кремния окупаются увеличением его износостойкости и повышением процента выхода годных полу­проводниковых структур.

Транспарентные (полупрозрачные) фотошаблоны. Пленки материалов, примененные для этих фото­шаблонов, обладают селективным светопропусканием для света длин волн более 550 нм и задерживают коротковолновое излучение в области ближнего ультрафиолета: в обла­сти видимого спектра пленка имеет хорошее пропускание (от 50 до 70%), а в области длин волн менее 490 нм пропускание практически равно нулю. Это позволяет осуществлять совмещение фотошабло­нов, наблюдая изображение на кремниевой подложке непосредст­венно через пленку, которая визуально имеет желтоватую окраску с хорошо различимыми контурами топологии.

Транспарентные фотошаблоны на основе окиси железа и окиси ванадия имеют высокую поглощающую способность и низкий коэффициент отражения (10% против 50% для пленок хрома), что позволяет избежать интерференционных эффектов, возникающих при освещении монохроматизированным светом, и получать минимальные линии фотолитографических структур.

Контроль готового фотошаблона

Контроль фотошаблонов осуществляется с целью измерения раз­меров элементов фотошаблона, определения соответствия этих раз­меров указанным в чертеже с учетом допуска на размер, а также на наличие и плотность дефектов.

Контроль размеров может осуществляться на измерительных проекторах и микроскопах. Например, проекторы позволяют контролировать размерыот 10 мкм и выше, а также контролировать проколы размером 2 мкм.

Более мелкие размеры контролируются на микроскопах типа МИИ - 4, МИМ - 7 с окулярным микрометром. Измерение под микроскопами указанных типов позволяет производить оценку раз­меров от 1 до 15 мкм с точностью ±0,3 мкм.

Наиболее трудоемкой является операция контроля дефектов и их плотности.

Дефекты фотошаблонов чрезвычайно разнообразны как по виду, так и по причинам, их вызвавшим. Это могут быть дефекты стекла — царапины, выколы; дефекты пленки хрома — проколы, не­равномерность толщины и оптической плотности, крупные кристаллиты, выступающие над поверхностью пленки; дефекты фотограви­ровки (фотолитографии) — невытравленные элементы конфигурации структуры, протравившиеся отверстия в пленке хрома соответственно дефектам в пленке фоторезиста, островки хрома и другие дефекты. Отыскание этих дефектов — процесс чрезвычайно трудоемкий, и поэтому конструкторы упорно работают над разработкой новых ме­тодов с целью создания новой контрольной аппаратуры.

В качестве примера таких разработок можно указать метод филь­трации пространственной частоты, модулированной самим фото­шаблоном. Сущность метода заключается в том, что с помо­щью обычного высокоразрешающего безаберрационного объекти­ва в некоторой его плоскости, расположенной в фокальной плоско­сти объектива, образуется разложение периодической структуры фотошаблона на гармонические колебания, соответствующие разложению в ряд Фурье. Таким образом, в этой плоскости образуется своеобразная све­товая фигура, не имеющая физического соответствия с конфигура­цией фотошаблона, но отражающая лишь его периодическую пространственную структуру. Если в этом месте установить светочувствительную фотопластину, то после ее экспонирова­ния и проявления она может служить пространственным фильтром, задерживающим все лучи, идущие от периодической структуры фотошаблона, и пропускающим лучи, идущие от непериодических дефектов. После соответствующего восстановления изображения с помощью объектива, аналогичного первому, можно наблюдать^: только изображения дефектов. Изображение полезной структуры становится невидимым. Таким образом удается значительно ус­корить анализ фотошаблона на наличие и характер дефектов.

В качестве другого примера можно привести микротелевизион­ный анализатор. Прибор позволяет с помощью микроскопического объектива высокого разрешения и телевизионного монитора наблюдать яркое увеличенное изображение фигуры фотошаблона. Встроенная ЭВМ позволяет анализировать изображение.

Весьма важной характеристикой фотошаблонов является их совмещаемость. Причины, приводящие к несовмещаемости фото­шаблонов, обусловлены: ошибками в оригиналах, ошибками масш­таба при съемке разными объективами, ошибками углового раз­ворота и шагов фотоповторителя при мультипликации.

Точное выявление совмещаемости в настоящее время удается осуществить лишь пробной фотолитографией и попарной пропечат­кой фотошаблонов с последующим измерением взаиморасположения получившихся рисунков. Контроль совмещаемости фотошаблонов без пропечатки можно осуществить на специальной установке. Принцип действия установки: два проверяемых фотошаблона просматриваются через два аналогич­ных объектива микроскопа, устроенных таким образом, что в оку­ляре мы одновременно наблюдаем два изображения в разных цве­тах (красном и зеленом), наложенные одно на другое. Оба фотошаб­лона расположены на едином координатном столе. Так можно просмотреть характер вписывания рисунков одного фотошаблона в другой.