3.5. Технологические операции фотолитографии

Процесс фотолитографии начинается с обработки подложек, т.е. того слоя интегральной структуры, по которому создается рисунок. В производстве современных полупроводниковых приборов чаще всего используются подложки трех типов: двуокись кремния; примесно-силикатные стекла (фосфоро- и боросиликатные); пленки металлов (обычно алюминия).

Для оценки качества подложки используют визуальный контроль и измерение угла смачивания каплей воды. При визуальном контроле в темном поле микроскопа при увеличении около х200 фиксируют по­верхностные загрязнения, проявляющиеся в виде светящихся точек. Контроль осуществляется обычно в 5 точках, допустимое количество точек в поле зрения микроскопа зависит от сложности прибора: для больших интегральных микросхем, например, допускается не более 1-2 светящихся точек.

Измерения угла смачивания каплей воды производят с помощью установки контроля угла смачивания (УКУС): на подложку наносят каплю чистой воды и на экране проектора измеряют угол , обра­зуемый ею с плоскостью подложки.

Угол дает косвенную информацию об адгезии слоя фоторезиста, указывая на степень смачиваемости подложки водными растворами травителей: чем меньше 8В , тем, очевидно, больше подтравливайте под рельеф из фоторезиста. Наоборот, подготовив подложу так, чтобы угол смачивания водою был большим, обеспечим хорошее качество фотолитографии.

На окисленные подложи, полученные обычным термическим окис­лением в сухом кислороде или парах воды, фоторезист лучше всего наносить сразу (в пределах часа) после окисления без каких-либо дополнительных обработок. Если подложки долго хранились или окисел с самого начала был гидрофильным,желательна термообработка. Мини­мальная температура обработки 973 К, среда - сухой азот, время -I ч. Обработка в том же режиме, но во влажном кислороде, мало­эффективна (угол смачивания около 25°). Наилучшие результаты дает короткая (в течение 5 мин) обработка при температурах около 1173 К, причем среда почти не играет роли. Обработка под инфракрасной лампой типа ЭС-3 в течение 30 мин также позволяет получить большие угля смачивания.

Фосфоросиликатные стекла в отличие от .двуокиси кремния имеют резко выраженную гидрофильную поверхность - угол смачивания водой равен 13 - 15° и соответственно качество фотолитографии намного хуже.

Хорошие результаты дает обработка фосфоросиликатных стекол в растворах органохлорсиланов - фенилтрихлорсилане или диметилди-хлороилане. Органохлсрсиланы реагируют с гидроксилъныш группами, в результате чего образуется соляная кислота, а на поверхности вместо гидроксильных групп остаются органосилоксановые молекулы. В результате адгезия резиста к подложке улучшается. Примерная последовательность обработки такова: в I – 10% раствор диметил-дихлорсилана в трихлорэтилене погружают подложки, затем следует промывка органическим растворителем, удаляющим соляную кислоту. На поверхности образуется монослой кромнийорганического полимера. После термообработки подложки (режим подбирают экспериментально,например, при 353 К в течение 30 мин)наносят фоторезист обычным способом.

Нанесение слоя резиста. Наиболее распространенным методом нанесения слоев фоторезиста на подложки является центрифугиро­вание. При включении центрифуги жидкий фоторезист растекается под действием центробежных сил. Прилегающий к подложке погранич­ный слой формируется за счет уравновешивания центробежной силы, пропорциональной числу оборотов, и силы сопротивления, зависящей от когезии молекул резиста. Когезия характеризуется вязкостью раствора, так что толщина слоя прямо пропорциональна вязкости и обратно пропорциональна числу оборотов центрифуги.

Обычно регулировку вязкости резиста применяют .для больших изменений толщин слоев, а подбирая число оборотов, добиваются требуемой толщины.

Время центрифугирования мало влияет на параметры слоя; для формирования слоя достаточно 20 - 30 с. Если резист подается из дозатора или капельницы на неподвижную подложку, то время между на­несением жидкого резиста и включением центрифуги должно быть ми­нимальным (0,5 - I с), чтобы вязкость резиста не менялась в ре­зультате испарения растворителей.

При центрифугировании на краю подложки всегда возникает утол­щение - "валик", ширина и высота которого зависит от вязкости резиста, скорости вращения центрифуги и формы подложки (например, на некруглых подложках трудно избавиться от валика). Практически невозможно для фоторегиста любой вязкости подобрать такие ско­рости вращения, чтобы достичь требуемой толщины слоя. Например, попытка получить толстые слои на резистах с малой вязкостью за счет снижения скорости вращения приведет к резкому возрастанию ширины валика, так что придется увеличивать и вязкость,, и скорости нанесения.

В слое, нанесенном на центрифуге, всегда есть внутренние на­пряжения, плотность дефектов довольно высока, в частности, благо­даря тому, что пыль из окружающей среды засасывается в центр вра­щающегося диска (диск является своеобразным центробежным насосом).

Первая сушка при температурах 80 - 90°С заканчивает формиро­вание слоя фоторезиста. При удалении растворителя обьем полимера уменьшается, слой стремится сжаться, но жестко скрепленная с ним подложка препятствует этому. Величина и характер возникающих на-

пряжений определяется свойствами фоторезиста и режимами сушки, в частйости, приближением к температурному интервалу пластич­ности полимера. Обычно используют ИК сушку.

Экспонирование (совмещение) и проявление неразрывно связаны между собою. В силу этого для выбора режимов, обеспечивающих точную передачу размеров„ необходимо одновременно изменять время проявления и экспонирования» На практике, однако, часто пользу­ются методом подбора оптимального значения одного параметра при фиксации другого. Вначале находят с грубым приближением времена экспонирования и проявления, при которых получается удовлетвори­тельное качество рельефа. В случае работы с позитивными резистами проверяют плотность проколов в слое резиста данной толщины, для чего на пластину окисленного кремния с известной плотностью де­фектов в окисле наносят слой резиста, высушивают его и проявляют в течение времени, примерно вдвое большего начального времени проявления. Затем проводят вторую сушку и травление и опреде­ляют, насколько увеличилась плотность дефектов в окисле за счет проникновения травителя сквозь проколы в слое резиота. При этом предполагается, что рост плотности дефектов вызван только процес­сом проявления. Это допустимо, так как проявление действительно является основной причиной увеличения плотности дефектов в слоях позитивных фоторезистов. Для контроля качества фоторезиста реко­мендуется проверять плотность дефектов на непроявленном слое. Если при максимальном времени проявления плотность дефектов слишком велика, следует увеличить толщину слоя или сменить фоторезист и снова повторить описанные выше процедуры.

Окончательно для любого типа резистов снимают зависимости точ­ности передачи размеров изображения от времени проявления при фиксированном времени 'экспонирования и от времени экспонирования при фиксированном времени проявления, в результате 'находят опти­мальные времена, соответствующие точной передаче размеров.

Подбирая время экспонирования, следует тщательно стабилизиро­вать остальные факторы, влияющие на точность передачи размеров изображения: колебания освещенности, неизбежно имеющийся зазор между фотошаблоном и резистом, повышение темпаратда слоя,иногда возникающее при экспонировании,

За счет зазора между шаблоном и резистом возникает дифракций» особенно заметная при малых размерах изображения.

Установки совмещения и экспонирования представляют собою слож­ные оптико-механические комплексы. В качестве примера можно при­вести установку ЭМ-576, на которой осуществляют контактную фотолитографию. Основные узлы установки:

- координатный столик с микроманипуляторами для крепления (вакуумное) пластины и ее перемещения по X ,Y осям и углового разворота;

- шаблонодержатель с вакуумной присоской и устройствами пере­мещения шаблона;

- осветитель с мощной ртутной лампой сверхвысокого давления;

- микроскоп двойного поля со сменными объективами.

В установке ЭМ-576 все операции, кроме совмещения, автомати­зированы. Пластины диаметром до 102 мм из кассеты по воздушным направляющим передаются на координатный столик; после совмещения оператор нажимает кнопку, при этом автоматически включается экспо­нирование на заданное время и пластина выносится в приемную кассе­ту. Установки совмещения и экспонирования характеризуются следующи­ми показателями:

1. Метод совмещения, который может быть визуальным (например, в установке ЭМ-576) или фотоэлектрическим, является наиболее общей характеристикой для любой установки, поскольку от метода совмеще­ния зависит и точность, и разрешение, и производительность процес­са. Для работы установок с фотоэлектрическим совмещением нужны специальные опорные знаки. На шаблоне они представляют непрозрач­ные штрихи, на подлодке - вытравленные канавки с шириной в два-четыре раза большей, чем у штриха. Предварительно проводится с помощью оптического микроокопа грубое совмещение, после чего вклю­чается фотоэлектрический микроскоп и точное совмещение осуществля­ется либо вручную по показанию гальванометров, либо автоматически, если введена обратная связь на микромашшуляторы столика *

2. Разрешающая способность или минимальный размер изображения; при визуальном методе эти параметры определяются характеристиками микроскопа установки. Как правило, применяют микроскопы с увели­чением, изменяемым плавно или дискретно в пределах от х40 - 80 (обзор) до xIOO - 400 (точное совмещение); минимальные размеры изображения составляют примерно I мкм.

3.Точность совмещения, зависящая в первую очередь от прин­ципа работы и качества выполнения микроманипуляторов. Манипуля­торы способны обеспечить точность перемещения ±0,1 мкм, но реаль­ная точность визуального совмещения составляет обычно ±1 мкм и определяется рядом факторов. Среди них следует указать - размер и контрастность знаков совмещения, форму знаков, а также сохран­ность этих характеристик в процессе технологических: обработок подложки. Оптимальными считаются знаки, образующие при совмеще­нии биссектор, т.е. штрих, вписанный между двумя другими штрихами. Например, ширина штрихов может равняться 3 мкм, длина в 10 раз больше ширины, контрастность 0,3 - 0,4. Зазоры меаду совмещенными штрихами должны составлять 4-7 угловых минут.Следует учитывать, что при окислении и травлении размеры знаков меняются. На точность совмещения влияют геометрические и оптические свойства подложек,а также субъективные особенности оператора.

4. Производительность, например установка ЭМ-576 рассчитана на обработку 160 пластин в час.

Проявление. Для проявления позитивных резистов используют водные щелочные растворы: 0,3 - 0,5% раствор едкого кали, 1-2$ раствор тринатрийфосфата, органические щелочи - этаноламины. В на­стоящее время широко применяют способ пульверизации проявителя, улучшающий качество проявления, особенно при малых размерах изобра­жений и позволяющий автоматизировать процесс. При проявлении очень важно контролировать температуру и величину рн проявителя.

При изменении величины рН всего лишь на десятую долю размер элемента меняется примерно на 10% от номинала. Для проявления негативных фоторезистов используются органические растворители.

Сушка проявленного слоя проводится при температурах 413 -453 К. От температуры и характера повышения ее во время сушки за­висит точность передачи размеров изображений. Резкий нагрев вы­зывает оплывание краев, поэтому для точнгй передачи малых("1 - 2 мкм) размеров следует применять плавное или ступенчатое повышение тем­пературы. Примерный режим сушки позитивного резиста ФП-383: 10 -15 мин при комнатной температуре, 20 - 25 мин в термостате при 493 К, затем переключение термостата на 423 - 433 К и нагрев до второй температуры.

Травление с защитой рельефом из резиста чистой и легированной двуокиси кремния, а также примесносиликатных стекол осуществляется в буферных травителях, состоящих из I - 2 частей плавиковой кисло­ты и 8 - 9 частей 40% водного раствора фтористого аммония. Окисел, легированный бором, травится почти с той же скоростью, что и не­легированный, и только у самой границы о кремнием скорость воз­растает-. Наоборот, легированные фосфором окислы травятся сначала гораздо быстрее, затем скорость травления уменьшается. Соответственно будут отличаться профили на границе вытравленных в окисле рельефов. Эти соображения носят общий характер, а конкретный про­цесс травления зависит от степени легирования окисла примесями. Богатые бором и фосфором примесносиликатные стекла травятся очень быстро; скорость травления фосфоросиликатных стекол достигает 30 нм/с по сравнению с 0,7 - 1,2 нм/с для чистого окисла.

В двухслойных системах стекло-окисел различие в скоростях травления приводит к характерному растравливанию. Для борьбы с подобным явлением применяют различные способы. Один из них за­ключается в том, что стравливают только слой примесного стекла, затем проводят термообработку при 453 - 473 К, в результате кото­рой края рельефа "опускаются" на окисел, и после этого травят окисел. Кроме того, может быть использована повторная фотолито­графия: после вытравливания стекла наносят снова резист и приме­няют фотошаблон с более узкими окнами, другой способ заключается в вытравливании окон в окисле до нанесения фосфоросиликатного стекла и аналогичной повторной фотолитографии по стеклу. Хорошее качество фотолитографии фосфоросиликатных стекол, как уже отме­чалось, обеспечивает применение резиста Ш-РН-7, в который входит смесь резолъных и новолачных смол. Следует отметить, что при трав­лении очень важно стабилизировать температуру травителя с точностью не менее дТ +2 К.

Удаление с подложки рельефа из фоторезиста завершает фотолито­графический цикл. Используются в основном химические и термические способы; в последнее время применяется окисление в ВЧ плазме кис­лорода. Для химического удаления рельефа с окисла может рекомен­доваться кипячение в серной, азотной кислотах, а также в смеси серной кислоты-и ЗС$ перекиси водорода 3:1. Удовлетворительное качество удаления с алюминия обеспечивает двухкратная обработка . в нагретой до 70 - 80°С смеси 1:1 диметилформамида (или ацетона) с моноэтаноламином. Возможно также использование холодной хромо­вой смеси или азотной кислоты, мало травящей алюминий. В тех случаях, когда это позволяет технология прибора, рекомендуется удалять фоторезист в потоке кислорода (около 100 л/мин) при тем­пературе 973 К, причем для полного удаления резиста достаточно 5-15 мин. Окисление в БЧ плазме кислорода проводится в следующем режиме: поток кислорода 0,6 л/мин; давление 1,33-10 Па; ВЧ мощ­ность 250 - 350 Вт; время 10 мин. Разработаны автоматические уста­новки для ооработки в БЧ плазме, позволяющие одновременно удалять резист с большого количества пластин.