3.3. Фоторезисты

Состав фоторезистов

Фоторезисты - сложные полимерные композиции, в состав которых входят светочувствительные и пленкообразующие компоненты, раство­рители, некоторые добавки, улучшающие адгезию слоя резиста к под­ложке, повышающие светочувствительность и кислотостойкость или щелочестойкость.

Светочувствительные компоненты, как правило, содержат ненасы­щенные двойные связи, рвущиеся при поглощении энергии фотонов. Так, в состав большинства негативных резистов входит поливинил-циннамат, эфир циннамоильной кислоты и поливинилового спирта. Под действием света происходит фотоструктурирование: рвутся связи СН = СН , образуя поперечные цепочки, сшивающие полимерные молеку­лы в нерастворимую структуру (подобно тому, как связываются в плоты отдельные бревна). Аналогично, другая распространенная груп­па негативных резистов содержит полимерную основу - циклокаучук -и светочувствительную составляющую - бисазид, распадающуюся под действием света на азот и нитрен; нитрен реагирует с молекулами циклокаучука, сшивая их в жесткую трехмерную сетку. В позитивных фоторезистах роль светочувствительной составляющей иная. Продемон­стрируем это на примере распространенного класса резистов, пред­ставляющих композицию новолачной или резольной смол (полимерная компонента) с диазосоединением нафтохинсидиазидом. Новолачные и резальные смолы растворяются в слабых щелочах, но при добавлении

к ним нафтохинондиазида растворимость резко падает: молекулы на­фтохинондиазида препятствуют смачиванию поверхности резиста раст­ворами щелочей. После облучения ультрафиолетовым светом молекулы нафтохинондиазида перестраиваются и теряют свои защитные свойства, в результате экспонированные участки фоторезиста вымываются ще­лочным проявителем.

Основные свойства фоторезистов

Светочувствительность - величина, обратная экспозиции, тре­буемой для перевода фоторезиста в растворимое или нерастворимое состояние (в зависимости от того, позитивный резист или негатив­ный). Чувствительностью определяется производительность процесса фотолитографии, характеристики оборудования, - например, необхо­димость использования нестабильных и неудобных в эксплуатации ртутных ламп вызвана тем, что максимум спектральной чувствитель­ности резистов лежит в области ближнего ультрафиолета. Чувстви­тельность измеряется в единицах эрг^-1 см².

Разрешающая способность - умещающееся на I мм число полос фоторезиста, разделенных промежутками такой же ширины. Часто ис­пользуется термин "выделяющая способность", т.е. способность пере­давать отдельные малые размеры. Как разрешающая, так и выделяющая способности зависят от многих технологических факторов; конечная задача сводится к получению резко дифференцированной границы меж­ду исходным и экспонированным участками слоя резиста, минимально изменяющейся при процессах проявления и термообработки.

Стойкость к воздействию агрессивных факторов - понятие, как правило, не поддающееся общим определениям; в частном случае, может означать величину, пропорциональную времени отслаивания пленки фоторезиста в используемом травителе или времени проникно­вения травителя сквозь поры пленки фоторезиста к подложке (измеря­ется в секундах или минутах). В последнее время стойкость плен­ки фоторезиста все чаще характеризуют плотностью дефектов, пере­дающихся при травлении на подложку (дефект/мм²). Однако надо быть внимательным в оценках плотности дефектов на подложке, поскольку они могут возникать и независимо от фотолитографии. Обязательным условием обеспечения стойкости является получение однородной бездефектной пленки фоторезиста с высокой адгезией к подложке и устойчивой к воздействию составов, применяемых для проявления и травления.Для позитивных фоторезистов, в частности, указывают важный параметр: устойчивость к воздействию стандартного прояви­теля. Устойчивость измеряется в минутах (до момента разрушения слоя) и должна быть, по крайней мере, на порядок выше времени проявления.

Стабильность эксплуатационных свойств фоторезистов во времени выражается сроком службы при определенных условиях хранения и ис­пользования. Обеспечение этого качества - одна из важнейших проблем.

Характеристики промышленных фоторезистов

В технологии микросхем применяются как позитивные, так и не­гативные резисты. Наиболее широко используется позитивный фото­резист ФП-383, позволяющий получать элементы размерами менее I мкм. Следует отметить, что наносить толстые слои ФП-383 (2-3 мкм) сложно, так как жидкий резист имеет ограниченную вязкость из-за низкой растворимости данного вида нафтохинондиазида.

Фоторезист на основе нафтохинондиазида №27 при центрифуги­ровании образует толстые слои (толщиной до 5 мкм). В готовом виде резист этого типа не выпускается, для самостоятельного изготовле­ния используют такие растворители, как диоксан и метилэтилкетон, а также новолачную смолу № 18. Фоторезист на основе продукта № 27 хорошо характеризуется при травлении металлических подложек (плен­ки алюминия и хрома).На пленках меди и никеля положительные ре­зультаты достигнуты при использовании фоторезиста ФП-РН-7. Этот же резист наилучшим образом подходит для фотолитографии фосфоросиликатных и боросиликатных. стекол, широко применяемых в планарной технологии. В состав ФП-РН-7 входит как новолачная, так и резольная смолы. Резист обладает хорошей адгезией к подложке, высокими кислотостойкостью и разрешающей способностью.

Негативные резисты на основе НВЦ (ФН-ЗТ, ФН-5Т) и очувствленного каучука (ФН-11, ФН-11K) с точки зрения использования пример­но одинаковы. По сравнению с позитивными резистами они обеспечи­вают меньшую разрешающую способность. В частности, на границе рельефа негативного резиста имеется характерный клин ("ореол"), возникновение которого связано с влиянием дифракции и отражения от подложки, по-разному проявляющемуся в позитивном и негативном резистах. Негативные резисты обычно используют в процессах, тре­бующих обработки щелочами, так как позитивные резисты нещелочестойки.

В технических условиях (ТУ) на позитивные фоторезисты указы­ваются следующие параметры: разрешающая способность для опреде­ленной толщины слоя не менее 500 линий/мм при толщине 0,7 - 0,8 мкм; стойкость к воздействию агрессивных факторов оценивается плотностью дефектов для толщины слоя фоторезиста 0,7 - 0,8 мкм фоторезист на­носят на окисленную пластину кремния и проводят все операции фото­литографии, исключая экспонирование, после чего определяют плот­ность протравленных в окисле дефектов методом электрографии или же по количеству закороченных площадок алюминия, напыленных по­верх окисла. Для фоторезиста ФП-РН-7, например, плотность де­фектов, определенных электрографически, не должна превышать 0,3 дефект/мм² . Эта величина указана для резиста, отфильтрован­ного через бумажный фильтр. Применяя мембранные фильтры с диаметром пор 1,0 - 0,25 мкм, можно обеспечить плотность дефектов около 0,01 дефект/мм²

При проверке маскирующих свойств слоя резиста методом корот­кого замыкания площадок напыляют (после травления окисла и удале­ния резиста) алюминий толщиной 0,3 мкм через маску с 480 отвер­стиями.диаметром 300 мкм и измеряют процент закороченных площадок. Для этого метода норма дефектности в ТУ составляет 3%. В ТУ также приводятся такие данные жидкого фоторезиста, как содержание сухо­го остатка в весовых процентах, плотность раствора, показатель преломления.

Важно знать коэффициент преломления сухого слоя фоторезиста, по величине которого можно судить о степени разрушения светочув­ствительных групп. Так, у неэкспонированного слоя резиста ФП-РН-7 показатель преломления n = 1,66+0,02 (у жидкого резиста n = 1,439+0,05), а у полностью экспонированного слоя -n = 1,58±0,03,что близко к показателю преломления слоя резольноволачной смолы, входящей в резист в качестве полимерной основы. В ТУ указа­но и поверхностное натяжение раствора фоторезиста при 293 + 0,5 К -оно не должно превышать (27,5 ± 0,2)*10^-3 Н/м. Этот показатель важно контролировать, так как от величины поверхностного натяже­ния рэзиста зависит, будет ли он хорошо смачивать подложку. Для высушенного слоя резиста регламентируется внешний вид: поверхность слоя должна быть ровной, в слое не должны наблюдаться вклю­чения при рассматривании под микроскопом с зеленым светофильтром.

Специфическим для позитивных фоторезистов является параметр, называемый контрастом проявления или устойчивостью к проявителю. Его определяют как отношение времени нахождения неэкспонированно­го слоя резиста толщиной 0,7 - 0,8 мкм в стандартном проявителе 0,5% КОН без разрушения слоя к времени проявления. Для резиста ФП-РН-7, например, этот показатель равен 30.