Процесс переноса изображения в фотолитографии

• Первоначально кремниевую пластину окисляют в сухом кислороде. Толщина окисного слоя при этом не превышает 1 мкм.

• На пластину наносят пленку резиста толщиной ~1 мкм.

• Первая сушка фоторезиста.

• Совмещают, экспонируют через фотошаблон ультрафиолетовым светом.

• Для устранения неэкспонированного материала резиста фотошаблоны проявляют в растворителе.

• Вторая сушка.

• Стравливание вскрытых областей SiO₂, травитель при этом не оказывает воздействия на резист.

• Удаляют резист с покрытых окисным слоем участков кремниевой пластины.

Нанесение слоя фоторезиста можно выполнять центрифугированием, распылением, окунанием. Сравнительно недавно начали применять сухие пленочные фоторезисты, которые наносят накаткой.

Рис. 9.4. Схема процесса нанесения фоторезиста центрофугированием: 1 – дозатор фоторезиста (капельница); 2 – слой фоторезиста; 3 – подложка; 4 – диск центрифуги; 5 – сборник фоторезиста

Метод центрифугирования (рас. 9.4) применяется для круглых подложек, т. е. пластин кремния и других полупроводников. Подложки располагаются на диске центрифуги и удерживаются при вращении вакуумным прижимом. Несколько капель фоторезиста наносят на подложку и мгновенно включают центрифугу, так как вязкость фоторезиста очень быстро меняется в результате испарения растворителей. При вращении центрифуги жидкий фоторезист растекается по поверхности подложки под действием центробежных сил, пропорциональных числу оборотов центрифуги За счет поверхностного натяжения фоторезиста возникают силы сопротивления растекания.

При центрифугировании на периферии подложки образуется утолщение – валик, высота и ширина которого зависят от вязкости фоторезиста, частоты вращения центрифуги и формы подложки.

Достоинства метода: высокая производительность толщины фотослоя в пределах каждой пластины и партии пластин, возможность получения тонких слоев (0,1…0,2 мкм).

Недостатки метода: невозможность получения равномерных слоев толщиной более 2...3 мкм, наличие краевого утолщения, загрязнения слоев из-за захвата пылинок из воздуха при вращении центрифуги. Процесс плохо поддается автоматизации.

Нанесение фоторезиста распылением производится форсункой, в которой используется сжатый воздух (рис. 9.5). Распылением можно наносить слой на рельефные поверхности, получать слои толщиной от 0,3 до 20 мкм с точностью 5 %. Краевое утолщение слоя отсутствует. Вследствие отсутствия механических напряжений дефектность слоев в 3...4 раза меньше по сравнению с полученными центрифугированием. Расход фоторезнста существенно меньше. Процесс отличается высокой производительностью и возможностью автоматизации.

Рис. 9.5. Нанесение слоя резиста распылением: 1 – сопло форсунки; 2 – диепергированный резист; 3 – подложка; 4 – стол установки

Метод окунания имеет две разновидности. Первый способ – простое погружение подложки в фоторезист и извлечение из него с регулируемой скоростью 6...150 мм/мин. При медленном извлечении получаются более тонкие и однородные слои. Такое окунание применяется для двустороннего нанесения слоев и для получения толстых слоев, когда требования к равномерности толщины не слишком высокие. Простое окунание применяют также для нанесения резиста на гибкую подложку в виде непрерывной ленты. С помощью роликов лента с постоянной скоростью пропускается через ванну с резистом и поступает из нее в камеру сушки. Это – так называемая рулонная технология.

Во втором способе метод окунания заключается в погружении подложки в воду или органический растворитель через тонкий слой наносимого резиста (рис. 9.6) и в обратном ее извлечении. Повторяя погружения несколько раз, можно получать слой резиста толщиной 15...30 нм. Основное преимущество процесса – получение очень тонких, равномерных, бездефектных слоев с высокой воспроизводимостью параметров.

Накатка (рис. 9.7) применяется для нанесения сухих пленочных резистов, представляющих собой трехслойную ленту. Слой резиста заключен между несущей и более тонкой защитной полимерными пленками. Перед накаткой резиста вращающимся валиком защитную пленку удаляют. Толщина сухого резиста около 1...2 мкм, поэтому метод применяют для получения топологических рисунков с большими размерами элементов, до десятков микрометров.

Рис. 9.6. Нанесение слоя резиста окуяанием: 1 – полложка; 2 – слой резиста; 3 -- ванна; 4 – вода или растворитель	Рис. 9.7. Нанесение слоя резиста накаткой: 1 – пленочный резист; 2 – пленка на подложке 3; 4 – несущая полимерная пленка; 5 – защитная пленка; 6 – валик для накатки

Термообработка (первая сушка) выполняется после нанесения слоя жидкого фоторезиста. В процессе сушки удаляется растворитель, и в пленке фоторезиста происходит сложный процесс плотной упаковки молекул, уменьшающий внутренние напряжения и увеличивающий адгезию фотослоя к подложке.

Растворитель при сушке необходимо удалять полностью, так как он экранирует фоточувствительные части молекул при экспонировании. Сушку рекомендуют проводить в инертной атмосфере так как на воздухе возможно окисление молекул фоторезиста.

Сушка выполняется в термостатах. Основными параметрами процесса сушки являются температура и время. При низких температурах адгезия фотослоя к под ложке плохая. При больших температурах в фоторезистах идет термополимеризация (при 140...200 °С) и другие процессы. Так, в слое позитивного фоторезиста при температурах, больших критических, протекают те же необратимые явления, что и при экспонировании.

Применяют также термокомпрессионную (под давлением азота) и инфракрасную сушки, позволяющие формировать более качественные фотослои. ИК-сушка является основным промышленным методом, применяемым в современных ФЛГ линиях. Она выполняется непосредственно после нанесения фоторезиста под ИК-лампами при непрерывной продувке азотом.

Сушка завершает процесс формирования фотослоя.

Формирование фотомаски – технологический этап, на котором в фотослое создается топологический рисунок. В процессе изготовления структур микросхем литография проводится несколько раз (рис. 9.8). Начиная со второй литографии, необходимо совмещать рисунок шаблона с рисунком на подложке, полученном при формировании предыдущего технологического слоя с применением предшествующего литографического процесса.

Основными методами оптического экспонирования являются контактный, бесконтактный (с зазором) и проекционный (рис. 9.9).

Рис. 9.8. Схема типового технологического процесса изготовления ИМ: 1 – очистка пластаны кремния р-типа; 2 – диффузия примеси скрытого п+–слоя; 3 – нанесение эпитаксиального слоя п–типа: 4 – диффузии примеси р-типа для изоляции; 5 – диффузия примеси р–типа; 6 – диффузия прямеси п-типа; 7 –металлизация; 8 – нанесение защитного покрытии; 9 – контроль готовых структур

Рис. 9.9. Методы оптической литографии: а – контактный, б –бесконтактный, в – проекционный

При контактной печати пластина кремния, покрытая резистом, находится в непосредственном физическом контакте со стеклянным фотошаблоном.

Совмещение выполняют визуально на той же установке, что и последующее экспонирование, путем наложения при наблюдении под микроскопом рисунков шаблона и подложки. Точность совмещения зависит: от точности совмещения фотошаблонов в комплекте, точности воспроизведения топологического рисунка предыдущим фотолитографическим процессом и точности самой операции совмещения. Для совмещения шаблонов друг с другом применяются специальные топологические рисунки – фигуры совмещения в виде колец, крестов, штрихов и др. Точность самой операции совмещения зависит от точности оборудования, совершенства фигур совмещения и индивидуальных способностей оператора. Основными элементами установки являются двухпольный микроскоп (рис. 9.10). При экспонировании микроскоп автоматически отводится, и коллимированный луч ультрафиолетового (УФ) облучения оснащает весь шаблон в течение определенного времени экспонирования. Интенсивность экспонирования на поверхности пластины, умноженная на время экспонирования, дает энергию экспонирования или дозу облучения, получаемую резистом.

Предельная точность совмещения при контактной ФЛГ ограничена сложностью создания системы фиксации перехода от положения «зазор» к положению контакта, поэтому при переходе от совмещения к экспонированию возможно смещение фотошаблона относительно подложки. Ошибки могут появиться также из-за того, что оператор совмещает рисунки фотошаблона и подложки, находящиеся в разных плоскостях.

Рис. 9.10. Схема совмещения (а) и контактного экспонирования (б) в процессе фотолитографии: 1 – двухнольный микроскоп; 2 – шаблонодержатель; 3 – подложка с фотослоем: 4 – источник УФ излучения; 5 – фотошаблон: 6 – шаровой столик; 7 – откачка

Контактная ФЛГ широко применяется в настоящее время и является наиболее отработанным методом, отличается высокой производительностью и невысокой стоимостью. Вследствие тесного контакта фотошаблон – подложка достигаются приемлимые разрешения: так на фотослой ФП толщиной 0,5 мкм можно передать элементы размерами 1 мкм. Дальнейшее совершенствование технологии получения топологии элементов ИМ вызывает необходимость повышения степени интеграции, т.е. развивать применение бесконтактных методов экспонирования и уменьшения дифракционных явлений.

При отсутствии физического контакта между шаблоном и пластиной перенос изображения осуществляется в дифракционной области Френеля. Разрешение (минимальная воспроизводимая ширина линии) в этой области пропорционально (g)^1/2, где  — длина волны падающего света; g — ширина зазора между шаблоном и пластиной (составляет 2—4 мкм).

Экспонирование с микрозазором отличается от контактного экспонирования только тем, что после совмещения между подложкой и шаблоном имеется зазор 10...25 мкм, при котором осуществляют облучение фотослоя.

Этот процесс экспонирования можно проводить на тех же установках, что и контактное экспонирование. Наличие зазора при экспонировании увеличивает влияние дифракции света на передачу рисунка. Достигаемые минимальные размеры элемента увеличиваются и составляют 2...4 мкм. Зазор при экспонировании значительно уменьшает повреждения шаблона и увеличивает срок их службы.

Поскольку распределение энергии излучения, падающего на пленку фоторезиста, равно распределению интенсивности излучения, умноженному на время экспозиции, то край изображения на резисте определяется краями дифракционной картины в положении, где энергия экспонирования равна предельному значению энергии для резиста (рис. 9.11). При изменении времени экспонирования или характера дифракционной картины изображение на ревисте может быть увеличено или уменьшено по отношению к соответствующему изображению на шаблоне. Эти изменения часто являются неконтролируемыми.

Бесконтактное экспонирование осуществляется в области Френеля, или ближней дифракционной области, которая распространяется на расстояние от фотошаблома, где W — характеристическая ширина шаблона.

Рис. 9.11. Типичная дифракционная картина для разных способов литографии

Изменение расстояния между шаблоном и пластиной приводит к значительным изменениям ближней дифракционной картины изображения фотошаблона. Это в свою очередь вызывает изменения размеров элементов изображения на резисте.

Проекционное экспонирование отличается от теневых способов тем, что основано не на экранировании от равномерного потока света, а на проецировании, т. е. получении изображения, соответствующего топологии шаблона, на поверхности фотослоя с помощью оптической системы со специальным объективом. Шаблон расположен на значительном расстоянии от подложки, его износ полностью исключен. Основные ограничения проекционного экспонирования: сложность создания высокоразрешающих объективов с большими полями, невозможность сохранения плоскостности поверхности подложек на всех технологических обработках. Высокие требования предъявляются к равномерности и воспроизводимости толщины фотослоя. Этим объясняется преимущественное применение способа шагового мультиплицирования с уменьшением масштаба. фотошаблоны, называемые промежуточными фотооригиналами (ПФО), содержат увеличенное в 4... 20 раз изображение топологии одного или нескольких кристаллов. После экспонирования столик установки перемещают на один шаг и в новом положении подложки производят экспонирование следующего участка. И так до полного экспонирования всей подложки. Увеличение производительности совмещения и экспонирования достигается автоматизацией процессов. Одна из основных трудностей обеспечения точного совмещения – создание механизмов плавных перемещений подложек на расстояния менее 1 мкм. Проекционная печать выполняется в области Фраунгофера, или дальней дифракционной области. Разрешение пропорционально . Распределение интенсивности в дифракционной картине при проекционной печати может быть изменено уже при отклонении фокусного расстояния системы на 2 мкм.

В настоящее время используется проекционная печать с уменьшением в ~5 раз. Поскольку кремниевые пластины могут иметь волнистую поверхность с высотой выступов более 6 мкм, большинство фотоштампов проекционных систем обладает автоматическим фокусированием при отображении каждого элемента кристалла.

Достоинства шагового проекционного экспонирования: высокая точность совмещения до 0,1 мкм, относительно малая чувствительность к неплоскостности подложки, высокая разрешающая способность, позволяющая получать элементы до 1 мкм.

Проявление – процесс удаления лишних в фотослое участков в соответствии с локальным облучением при экспонировании.

Проявление негативных фоторезистов (НФ) представляет собой простое растворение необлученных участков в органических растворителях: толуоле, трихлорэтилене, диоксане и др.

Проявление позитивных фоторезистов (ПФ) на основе НХД сопровождается химической реакцией превращения полученной при экспонировании инденкарбоновой кислоты в хорошо растворимую соль, которая затем легко вымывается. В качестве проявителей применяют слабые водные и водно-глицериновые щелочные растворы КОН, NaОН, NaPO₄∙12Н₂O.

Проявление осуществляют погружением в раствор, выдержкой в парах проявителя или распылением на вращающуюся подложку. После проявления следует операция тщательной промывки подложек в протоке деионизованной воды.

Термообработка (вторая сушка) проводится для удаления проявителя, воды, повышения химической стойкости и адгезии фотомаски к подложке. У НФ сушка сопровождается термополимеризацией, у позитивных – разрушением молекул и частичной сшивкой полимерных составляющих. Чтобы не произошло ухудшения качества фотомаски, сушку проводят в два – три этапа с постепенным подъемом температуры до максимальной. Для большинства фоторезистов максимальная температура второй сушки 150 °С, общее время 1...1,5 ч. Облучение перед второй сушкой большой дозой ГУФ существенно улучшает качество фотомаски.

Передача изображения с фотомаски на материал слоя ИМ выполняется двумя способами. Травление при прямой фотолитографии является ответственной операцией, так как брак после травления неисправим. Травитель должен взаимодействовать только с удаляемым материалом.

Качество травления определяется величиной адгезии фотомаски к подложке, наличием в маске дефектов и зависит от свойств травителя, способа и режимов травления.

Большинство жидких травителей изотропны, т. е. скорость травления в них практически одинакова во всех направлениях, поэтому рисунок маски переносится с искажением (рис. 9.12). В связи с этим жидкостное травление не может обеспечить получение элементов с размерами менее 1...2 мкм.

Рис. 9.12. Искажение толологического рисунка при жидкостном изотропном травлении

Сухое (ионно-плазменное, ионно-лучевое, газовое, плазмохимическое или реактивно-ионное) травление обеспечивает большее разрешение. Наиболее широко для получения ИМ с субмикронными размерами элементов применяют реактивное ионное и ионно-плазменное травление в вакуумных камерах с параллельными электродами. Эти методы позволяет четко контролировать размеры вытравленных областей.

Удаление фотомаски имеет целью также тщательную очистку от всех загрязнений подложки в процессе ФЛГ.

Жидкостное удаление фотомаски включает: удаление фотомаски с алюминия в смеси метаноламина и диметилформамида и промывку деионизованной водой, УЗ-отмывку в воде и сушку.

Процесс обработки в серно-пероксидном растворе: удаление фотомаски с оксида кремния и промывка деионизованной водой; УЗ-отмывка в воде и сушка; гидродинамическая отмывка на центрифуге.

Плазмохимическое удаление фотомаски – наиболее эффективный и безопасный процесс. Выполняется в низкотемпературной плазме смеси кислорода с азотом. Азот предохраняет открытые участки кремния от окисления. Длительность обработки существенно сокращается по сравнению с жидкостными процессами.

Фотолитография в глубоком ультрафиолете. Экспонирование в области глубокого ультрафиолета (ГУФ) позволяет значительно повысить разрешающую способность фотолитографии за счет уменьшения дифракции света с понижением длины волны. Это направление фотолитографии имеет ограничения, связанные с необходимостью согласования спектров источников излучения, спектров пропускания (поглощения) материалов, применяемых для фотошаблонов и проекционных оптических систем, и спектральной чувствительности резистов. Стандартные фоторезисты мало чувствительны к ГУФ или имеют малую разрешающую способность, для экспонирования в области ГУФ применяют электронорезисты. В качестве источников из лучения можно применять ртутно-ксеноновые лампы, ртутные дуговые лампы с добавкой цинка или кадмия, дейтериевые лампы, ионные лазеры. Выбор источника излучения связан с наличием резиста с соответствующей спектральной чувствительностью. Например, широко применяемый электронорезист ПММА недостаточно чувствителен к излучению ртутно-ксеноновой лампы (λ=180...260 нм), что требует большого времени экспонирования, около 10 мин. В качестве основы фотошаблонов применяют кварц, имеющий границу пропускания 160...170 нм. Создание объективов для проецирования изображений в ГУФ затруднено, так как выбор материалов невелик. Для зеркальных оптических систем эти затруднения не возникают, так как пленка алюминия хорошо отражает ГУФ.