4.2. Фотолитография – ключевой процесс планарной технологии

Основные достоинства фотолитографии:

• гибкость, т.е. простой переход от одной конфигурации к другой путем смены фотошаблонов;

• точность и высокая разрешающая способность;

• высокая производительность, обусловленная групповым характером обработки, когда на пластине одновременно формируют от десятка до нескольких тысяч структур будущей ИМС;

• универсальность, т.е. совместимость с разными технологическими процессами (маскированием при травлении, ионным легированием, электрохимическим осаждением и др.).

В технологический цикл прямой фотолитографии входят следующие операции:

1. обработка подложки – очистка от загрязнений и увеличение адгезии наносимого фоторезиста к поверхности;

2. нанесение слоя фоторезиста;

3. инфракрасная сушка слоя фоторезиста;

4. совмещение рисунка очередного фотошаблона с рисунком, оставшимся на подложке от предыдущего фотошаблона; экспонирование через шаблон с топологическим рисунком;

5. проявление и образование рельефа из резиста (маски), повторяющего рисунок шаблона;

6. инфракрасная сушка рельефа из резиста.

Дальнейшая последовательность операций зависит от поставленной цели и связи с другими технологическими процессами. Обычно следует:

7. травление слоями металла или окисной маски.

8. удаление рельефа из резиста после того, как он выполнил свою роль.

Процесс обратной фотолитографии на примере формирования металлической разводки включает:

1) создание рельефа из фоторезиста; при этом используются первые пять операций прямой фотолитографии;

2) напыление на рельеф из фоторезиста слоя металла;

3) удаление рельефа с участками металла («взрыв») в органическом растворителе, не влияющем на металл.

Обратная фотолитография обычно применяется в двух случаях:

• материал подложки не травится вообще или травится в составах, которые не выдерживает резист (например, керамическая подложка, травление золота в царской водке);

• подложка представляет многослойную тонкопленочную структуру, а процесс травления неселективен, т.е. при травлении верхнего слоя процесс не прекращается на поверхности нижележащего слоя.

Прежде чем рассмотреть подробно технологический цикл фотолитографии необходимо ознакомиться с характеристиками фоторезистов и изготовлением фотошаблонов.

Резисты  это полимерные пленки, которые после воздействия облучения удаляются в проявителе (позитивные резисты) или, наоборот, полимеризуются и становятся устойчивыми к проявителю, в отличие от необлученных участков (негативные резисты).

Нанесение резиста на кремниевую пластину осуществляется центрифугированием. Изменяя скорость вращения центрифуги, можно изменять толщину наносимого слоя. Чем тоньше резист, тем выше разрешение фотолитографии, но хуже маскирующая способность, т.е. устойчивость к процессам травления.

Фотошаблоны изготавливаются из оптического стекла, кварца или фторида кальция. Выбор материала определяется длиной волны излучения. Непрозрачный рисунок на фотошаблоне создается в тонком слое металла, обычно хрома.

В процессе оптической литографии (фотолитографии) происходит поглощение резистом энергии в УФ - диапазоне (130 – 450нм).

Относительно взаимного расположения шаблона и пластины существуют следующие методы фотолитографии:

• контактный;

• бесконтактный (с зазором);

• проекционный.

При контактном методе в процессе экспонирования пластина и шаблон приводятся в соприкосновение друг с другом. Для совмещения топологических рисунков различных слоев шаблон и пластину разводят друг относительно друга примерно на 25 мкм. Совмещение происходит при помощи микроскопа с двумя объективами для наблюдения за шаблоном и пластиной с двух точек. Поле зрения окуляров разведено так, что правый глаз видит точку на правой стороне шаблона, а левый – на левой. При экспонировании коллимированным пучком излучения микроскоп отводится, а шаблон освещается определенный промежуток времени.

Достоинство метода – вследствие тесного контакта шаблона с подложкой разрешение максимально для контактной фотолитографии и составляет около 0,5 мкм.

Недостаток – из-за наличия загрязнений на подложке шаблон царапается и быстро выходит из строя.

Метод бесконтактного экспонирования отличается наличием зазора между пленкой резиста и шаблоном, составляющим 10 – 25 мкм.

Достоинство метода – уменьшается вероятность повреждения шаблона.

Недостаток – разрешение составляет 2 – 4 мкм.

Современная микроэлектроника требует не только уменьшения размеров элементов микросхем до 0,1 мкм и менее, но и размещения элементов подобных размеров на все больших площадях вплоть до использования подложек диаметром 300 – 400 мм.

Одним из методов, обеспечивающих высокое разрешение на больших полях и исключающих непосредственный контакт подложки и фотошаблона, является проекционная фотолитография.

Возможны следующие варианты оптической проекционной фотолитографии:

1. одновременная передача (проецирование) изображения всего фотошаблона на полупроводниковую пластину;

2. последовательное поэлементное экспонирование изображения одного или разных типов модулей с уменьшением;

3. последовательное вычерчивание изображения на фотослое сфокусированным лазерным лучом, управляемым от компьютера.

Фотошаблонные заготовки для фотолитографии в области глубокого ультрафиолетового излучения (ГУФ) изготовляются не из стекла, а из кварца, сапфира или кристаллов GaF₂, на поверхность которых наносится слой непрозрачного металла (Cr, Al).

Высокая разрешающая способность требует адекватной межслоевой точности совмещения слоев рисунка. В современных установках проекционной литографии используется совмещение с помощью лазерного интерферометра по рельефным меткам, вытравленным в структуре пластины.