9. Литография

Термин «литография» произошел от гречиских слов lithos – камень и grapho – пишу, рисую. Изобретенная в Германии А. Зонефельдом на рубеже XIX в. литография стала распространенным художественным средством. Технология полупроводникового производства заимствовала литографию из полиграфической промышленности.

Литография представляет собой сложный технологический процесс, основанный на использовании явлений, происходящих в актинорезистах при актиничном излучении (рис.9.1).

Рис. 9.1. Процесс литографического переноса изображения

Актиничность (др.-греч. aktis, родительный падеж др.-греч. aktinos – луч).

Актинорезисты или просто резисты – материалы, чувствительные к излучению определенной длины волны (к актиничному излучению), и стойкие (резист - сопротивляться) к технологическим воздействиям, применяемым в процессе литографии. Под действием излучения происходящие в резистах процессы необратимо меняют их стойкость к специальным составам – проявителям.

Резист состоит обычно из трех компонентов: смолы, легко испаряющегося растворителя и фотоактивного соединения. Растворитель позволяет наносить резист на кремниевую пластину в жидком виде. Резисты могут быть негативными и позитивными. После воздействия экспонирующего облучения растворимость негативных резистов в проявителе уменьшается, а позитивных увеличивается (рис.9.2).

Рис. 9.2. Негативные и позитивные фоторезисты

В зависимости от типа применяемого излучения различают оптическую, рентгеновскую, электронную и ионно-лучевую литографию (рис.9.3).

Рис. 9.3. Классификация литографических процессов

Оптическая литографию (фотолитография), стандартная или в глубоком ультра фиолетовой области, в соответствии со способом экспонирования может быть контактной или бесконтактной (на микрозазоре и проекционная). Электронная литография может выполняться путем последовательной передачи топологического рисунка на слой резиста сфокусированным единичным электронным лучом или путем одновременной проекции всего рисунка. То же можно сказать и об ионной литографии.

9.1 Оптическая литография (фотолитография)

Стандартная фотолитография. Для стандартной фотолитографии применяют фоторезисты, чувствительные к ультрафиолетовому (УФ) излучению с длиной волны от 310 до 450 нм.

Фоторезисты представляют собой сложные полимерные композиции, в составе которых имеются фоточувствительные и пленкообразующие компоненты, растворители и специальные добавки. Последние вводят для улучшения условий пленкообразования (разбавители), изменения фоточувствительности (сенсибилизаторы), повышения адгезии фоторезистивного слоя к подложкам, улучшения стойкости к воздействиям кислот, щелочей, высоких температур и др.

Фотохимические процессы, происходящие в фоторезистах под действием УФ-излучения, можно разделить на две стадии. На световой стадии в результате поглощения кванта излучения наиболее слабая химическая связь фоточувствительной молекулы разрывается и образуется свободный радикал. На темновой стадии протекают реакции, приводящие к деструкции (разрушению) молекулярных цепей полимера либо, наоборот, к структурированию (сшиванию) молекул в прочную сетку. В результате этого слой облученных участков к воздействию проявителя уменьшает или возрастает.

Молекула позитивного фоторезиста имеет строение R₁–O–R₂, где R₁ и R₂ – светочувствительная и полимерная части, О – соединяющий их атом кислорода. При поглощении квантов облучения молекула распадается на азот и неустойчивый радикал:

Облученные участки фотослоя, в отличие от необлученных удаляются щелочными проявителями.

Негативные фоторезисты изготавливают на основе поливинилциннамата (ПВЦ) или на основе каучуков. ПВЦ представляет собой сложный эфир и имеет общую формулу R₁–O–R₂, где R₁– фоточувствительная группа; R₂ – пленкообразующая часть спирта; О – соединяющий их атом кислорода. При поглощении квантов излучения наиболее слабые в светочувствительных частях молекул химические связи СН=СН разрываются. За счет освободившихся связей происходит фотоструктурирование, т. е. поперечное сшивание молекул ПВЦ в трехмерную сетку.

Негативные фоторезисты на основе каучука наиболее часто представляют собой механическую смесь циклокаучука и бис-азида. Циклокаучук является полимерной основой и обладает слабой фоточувстви-тельностью. Под действием облучения азиды распадаются на азот и нитрен. Нитрен вступает в химическое взаимодействие с каучуком, в результате которого происходит сшивание линейных полимеров каучука радикалами.

Фотошаблоны являются основными инструментами ФЛГ, с их помощью производится облучение фотослоя в соответствии с топологией микросхемы.

ФШ для изготовления структур микросхем – плоскопараллельная пластина (или гибкая пленка) из прозрачного для УФ-излучения материала с нанесенным на ее рабочую поверхность непрозрачным пленочным рисунком, соответствующим топологии одного из слоев структуры микросхемы и многократно повторенным со строго определенным шагом в пределах рабочей области пластины (или пленки).

Для основы ФШ применяют оптическое БСС или полимерные пленки, которые не изменяют свойств под действием излучения. Для выполнения рисунка применяют галоидно-серебряную фотографическую эмульсию (эмульсионные ФШ), металлы (металлизированные ФШ) и полупрозрачные для видимого света оксиды или другие материалы (транспарентные, цветные фотошаблоны).

Материал рисунка – Cr (d=0,1 мкм), Fe₂O₃, VO₃, Eu₂O₃. Общие требования – хорошая адгезия, износоустойчивость, малое отражение излучения от поверхности ФШ. Для этого, например, на слой Cr наносят пленку Cr_хO_у.

Изготовление фотошаблона с помощью увеличенного оригинала с последующим фотографическим уменьшением в несколько этапов не позволяет переносить изображения элементов размером менее 5 мкм.

В последнее время используют формирование элементов рисунка электронным пучком на стеклянном шаблоне, покрытом такими материалами, как оксиды железа, хрома или кремния. Эти ФШ обладают разрешением 1 мкм. При уменьшении размеров используют фазоповорачивающее покрытие (рис. 9.4)

Подготовка подложек к нанесению ФР определяется материалом подложки, технологией его получения, состоянием поверхности и дальнейшим назначением фотомаски. Под подложкой в литографических процессах подразумевают тот материал, на котором формируют резистивный слой. В производстве, например, полупроводниковых ИМ фотолитографию проводят по монокристаллическому и поликристаллическому кремнию, пленкам диоксида кремния, примесносиликатных стекол, алюминия и т. п.

	Если фотомаска используется для локального травления, то качество передачи рисунка на подложку (например, пленку SiO2) зависит в основном от адгезии маски к подложке и от способности травителя проникать под слой фотомаски по границам окон (рис.9.3).
Рис. 9.3. Клин травления а при передаче рисунка с фотомаски на пленку SiO2