3.7. Литография.

Литография — это процесс формирования отверстий в масках, создаваемых на поверхности пластины, предназначенных для локального легирования, травления, окисления, напыления и других операций.

Ведущую роль в технологии микросхем занимает фотолитография. Она основывается на использовании светочувствительных полимерных материалов – фоторезистов, которые могут быть негативными и позитивными. Негативные фоторезисты под действием света полимери-зуются и становятся нерастворимыми в специальных веществах – проявителях. После локальной засветки (экспонирования) растворяются и удаляются незасвеченные участки. Наибольшая чувствительность негативных фоторезистов соответствует длине волны света 0,28 мкм (ультрафиолет), поэтому экспонирование осуществляют с помощью кварцевой лампы. В позитивных фоторезистах свет разрушает полимерные цепочки: растворяются засвеченные участки. Максимальная чувствительность соответствует более длинным волнам (до 0,45 мкм – видимое излучение). Позитивные фоторезисты обеспечивают более резкие границы растворенных (проявленных) участков, чем негативные, т. е. обладают повышенной разрешающей способностью, но имеют меньшую чувствительность и требуют большего времени экспонирования.

Рисунок будущей маски задается фотошаблоном. Он представляет собой стеклянную пластину, на одной из сторон которой нанесена тонкая непрозрачная пленка (Cr, Cr₂O₃, Fe₂0₃ и др.) требуемой конфигурации. В связи с групповыми методами создания микросхем на шаблоне имеется матрица одинаковых рисунков, соответствующих отдельным микросхемам в масштабе 1:1 (рис. 3.12.).

Рассмотрим основные этапы процесса фотолитографии на примере получения маски SiO₂. На окисленную поверхность кремниевой пластины наносят несколько капель раствора фоторезиста. С помощью центрифуги его распределяют тонким (около 1 мкм) слоем по поверхности пластины, а затем высушивают. На пластину накладывают фотошаблон (ФШ) рисунком к фоторезисту (ФР) и экспонируют (рис. 3.13,а), затем его снимают. После проявления негативный фоторезист удаляется с незасвеченных участков (рис. 3.13,б), а позитивный — с засвеченных. Получается фоторезистивная маска, через которую далее травят слой SiO₂, после чего фоторезист удаляют (рис. 3.13, в).

Фотошаблоны. При создании полупроводниковых микросхем фотолитография проводится многократно, для чего требуется комплект фотошаблонов. Каждый из них задает рисунок тех или иных слоев (например, базовых и эмиттерных областей транзисторов, контактных отверстий, проводников и т. д.). Созданию фотошаблонов предшествует топологическое проектирование микросхемы с помощью систем автоматизированного проектирования (САПР) на основе принципиальной электрической схемы.

Процесс изготовления фотошаблонов для микросхем с малой и средней степенями интеграции начинается с вычерчивания фотооригиналов — послойных топологических чертежей одной микросхемы, выполненных в увеличенном масштабе (например, 500:1) с большой точностью с помощью специальных устройств — координатографов, работающих в автоматическом режиме в соответствии с управляющей программой, задаваемой ЭВМ . Чертеж вырезается в непрозрачной пленке, нанесенной на прозрачную подложку (стекло, пластик). Размер фотооригинала доходит до 1 м при точности вычерчивания линий ±25 мкм. Оригинал фотографируют с редуцированием (уменьшением) в 20...50 раз, получая промежуточный фотошаблон. Последний, в свою очередь, фотографируют с уменьшением, осуществляя мультипликацию (размножение) рисунков и получая эталонный фотошаблон с матрицей одинаковых рисунков в масштабе 1:1. Мультипликация производится в фотоповторителях (фотоштампах), где в промежутках между экспонированием каждого участка перемещают пластину эталонного фотошаблона с шагом, соответствующим размеру кристалла микросхемы. Существуют также многопозиционные фотоштампы с многолинзовыми объективами, дающие одновременно большое число изображений, что ускоряет процесс. С эталонного шаблона методом контактной печати изготовляют рабочие шаблоны, которые и используют в процессе фотолитографии. При наложении шаблона на полупроводниковые пластины его поверхность повреждается и шаблон изнашивается. После 50...100 наложений рабочий шаблон заменяется новым.

Описанный процесс получения фотошаблонов – многоступенчатый. На каждой ступени происходит накопление дефектов в рисунке. Поэтому при производстве БИС и СБИС, характеризующихся очень малыми размерами элементов рисунка и высокой требуемой точностью его воспроизведения, число ступеней процесса изготовления фотошаблонов должно быть минимальным. Для этого оригинал выполняется с небольшим масштабом увеличения (обычно 10:1), размеры элементов рисунка на нем составляют десятки и даже единицы микрометров. Используются прецизионные оптико-механические установки – генераторы изображения, в основе работы которых лежит принцип фотонабора. Топологическая структура рисунка разделяется на элементарные прямоугольники с различными отношениями сторон и определенной ориентацией по углу. По заданной программе очередной элемент формируется подвижными шторками диафрагмы и разворачивается на требуемый угол, а двухкоординатный стол со светочувствительной пластиной устанавливается в положение, соответствующее координатам элемента; производится экспонирование. Затем с помощью фотоповторителя изготовляется эталонный фотошаблон, с которого снимаются рабочие копии.

Дальнейшее сокращение числа ступеней создания фотошаблонов (до одной) и повышение точности воспроизведения рисунка достигается при проекционной фотолитографии с пошаговым экспонированием. Фотошаблон (который является и оригиналом) изготовляется на генераторе изображений. Последующее уменьшение и мультипликация изображения осуществляются на полупроводниковых пластинах, покрытых фоторезистом. Таким образом, фотоповторитель применяется непосредственно в процессе фотолитографии. К недостаткам такого процесса относится невысокая производительность.

Разрешающая способность. Важнейшим параметром фотолитографии является разрешающая способность. Ее оценивают максимальным числом линий — раздельно воспроизводимых параллельных полосковых отверстий в маске в пределах 1 мм: R = 1000/(2), где – минимальная ширина линии, мкм. На практике разрешающую способность часто характеризуют значением . Оно определяет минимальные размеры областей в кристалле или слоев на его поверхности и расстояния между ними – так называемые топологические размеры. Принципиальным физическим фактором, ограничивающим , является дифракция света, не позволяющая получать меньше длины волны (0,5 мкм для видимого света). На практике может быть значительно больше , по ряду причин, например из-за рассеяния света, в фоторезисте при экспонировании, набухания фоторезиста при проявлении и его последующей усадки при высушивании, несоответствия размеров отверстий в фоторезистивной и основной масках . Для уменьшения несоответствия необходимо применять сухое анизотропное травление.

Наилучшую разрешающую способность обеспечивает проекционная фотолитография с шаговым экспонированием (=1 мкм при = 0,4 мкм). В безлинзовых системах, где проецирование и фокусировка осуществляются с помощью вогнутых зеркал, применяется экспонирование в ультрафиолетовом свете и достигается разрешающая способность 0,5 мкм.

При многократной фотолитографии существенна точность совмещения фотошаблона с пластиной. Для совмещения на каждом фотошаблоне предусматривают специальные знаки, например кресты, квадраты. При наложении фотошаблона их совмещают с аналогичными знаками, оставшимися на пластине от предыдущей фотолитографии. Точность визуального совмещения ограничена дифракцией.

Электронно-лучевая литография использует облучение резиста (электронорезиста) потоком электронов. Она может быть проекционной и сканирующей.

В проекционной литографии применяется маска (аналог фотошаблона), представляющая собой металлическую фольгу с отверстиями, соответствующими рисунку одной микросхемы, выполненному в увеличенном масштабе (10:1) методами фотолитографии. Маска облучается параллельным пучком электронов. Посредством фокусирующей системы уменьшенное электронно-оптическое изображение маски проецируется на пластину. В другом варианте тонкопленочная маска наносится на поверхность плоского фотокатода, при освещении которого происходит эмиссия электронов с открытых мест фотокатода.

Совмещение изображения с пластиной осуществляется автоматически путем регистрации вторичных электронов или рентгеновского излучения, испускаемых металлическими тонкопленочными метками совмещения на пластине.

Хотя длина волны электронов с типичными энергиями 10 ... 20 кэВ ничтожно мала (менее 0,1 нм), получаемая разрешающая способность не лучше 0,2 ... 0,3 мкм. Она ограничена точностью выполнения маски, искажениями (аберрациями) электроннооптических систем, взаимодействием электронов в пучке, не позволяющим формировать пучки малого диаметра, а также сильным рассеянием электронов в слое резиста.

В сканирующей электронно-лучевой литографии шаблон отсутствует, а экспонирование осуществляется перемещением по поверхности пластины остросфокусированного электронного луча, включающегося и выключающегося по заданной программе. Установка содержит системы формирования и отклонения луча, генерирования рисунка и управления с помощью ЭВМ.

Осуществить одинаково хорошую фокусировку луча для всей поверхности пластины большого диаметра невозможно. Поэтому применяют пошаговое экспонирование, когда электронный луч по очереди вычерчивает рисунки отдельных схем на пластине. После экспонирования очередного участка (кадра) рабочий стол с пластиной перемещается, производится автоматическое совмещение начального положения луча с пластиной и экспонирование следующего кадра. Совмещение осуществляют с точностью не хуже 0,1 мкм путем регистрации вторичных электронов, испускаемых металлическими метками совмещения на пластине при попадании на них электронного луча. Возможны два способа сканирования: растровый и векторный. При растровом способе луч проходит построчно все поле кадра, включаясь и выключаясь в нужные моменты времени. Луч имеет круглое сечение с гауссовским распределением плотности тока, его диаметр должен быть не более одной четверти минимальной ширины экспонированной области на пластине. При векторном способе луч сканирует только отдельные участки кадра, где нужно произвести экспонирование, выключаясь при переходе от одного участка к другому. Луч имеет квадратное сечение с приблизительно равномерным распределением плотности тока, а его размер соответствует минимальной ширине экспонированной области. Векторное сканирование технически сложнее, чем растровое, но обеспечивает меньшее время экспонирования и большие производительность и разрешающую способность. Оно удобнее для получения областей с прямоугольными границами.

Разрешающая способность = 0,1 ... 0,2 мкм ограничена минимальным диаметром луча, определяемым кулоновским взаимодействием между электронами, а также рассеянием электронов в слое резиста. Малый диаметр луча может быть получен лишь при малом токе, а это увеличивает время экспонирования и снижает производительность (например, время экспонирования одной пластины диаметром 10 см более 500 мин). Сложность и низкая производительность установок ограничивают область применения сканирующей литографии. Она используется главным образом для изготовления рентгеношаблонов.

Ионно-лучевая литография использует облучение резиста потоком ионов и может быть проекционной и сканирующей. Чувствительность резистов к ионному облучению много выше, чем к электронному облучению. Это увеличивает производительность сканирующих систем. Из-за большой чувствительности допустимы пучки с малыми токами и соответственно малым диаметром (до 0,01 мкм), что повышает разрешающую способность. Она улучшается также вследствие меньшего рассеяния ионов в слое резиста и может быть доведена до 0,01 мкм. Ионно-лучевые системы находятся в стадии разработки. С помощью сканирующей ионно-лучевой литографии можно создавать маску в слое SiO₂ или рисунок тонких металлических слоев не только без шаблона, но и без слоя резиста, используя ионное травление. Системы ионно-лучевой литографии технологически совместимы с установками ионного легирования. В перспективе легирование остросфокусированным сканирующим ионным пучком позволит оказаться от масок и резистов.