3. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
ИЗУЧЕНИЕ СПЕКТРА ИЗЛУЧЕНИЯ ПЛАЗМЫ ПРИ УДАЛЕНИИ ФОТОРЕЗИСТА НА УСТАНОВКЕ «ПЛАЗМА-600»
3.1. Цель работы
Практическое изучение процесса удаления сплошной пленки фоторезиста с поверхности кремниевой пластины в кислородной плазме ВЧ-разряда низкого давления на установке «Плазма-600» с применением эмиссионной спектроскопии в широком рабочем спектральном диапазоне 200 – 1100 нм.
3.2. Теоретические сведения
Фоторезист (ФР) представляет собой светочувствительное органическое вещество, используемое в планарной технологии микроэлектроники в качестве защитной маски например при избирательном вытравливании окон (рис. 3.1) в диэлектрических пленках SiO2 или Si3N4 для проведения избирательной диффузии в полупроводниковую пластину, а также в пленке Al в процессе металлизации.
Рис. 3.1. Фотолитографический процесс при создании планарного p-n перехода:
1 – исходная полупроводниковая пластина; 2 – нанесение диэлектрической пленки SiO2; 3 – нанесение фоторезиста; 4 – экспонирование фоторезиста через фотошаблон; 5 – проявление фоторезиста; 6 – избирательное плазменное травление SiO2 через маску фоторезиста; 7 – диффузия примеси через маску SiO2; 8 – удаление пленки фоторезиста
Роль фоторезиста в фотолитографическом процессе наглядно иллюстрируется последовательностью технологических операций при создании планарного p–n-перехода (рис. 3.1). Интересующий нас процесс удаления фоторезиста изображен операцией 8.
Из рис. 3.1 следует, что защитная маска фоторезиста должна быть стойкой к реакционной среде, с помощью которой производится травление SiO2. Отметим, что фоторезист первоначально был разработан и использовался в жидкостно-химическом травлении. Он оказался стойким и в плазменной технологии травления.
Структурная формула одного из фоторезистов ФП-РН-7 и его наполнителя (новолака) представлены на рис. 3.2.
Рис. 3.2. Структурная формула позитивного фоторезиста ФП-РН-7
Различают позитивные и негативные фоторезисты. Позитивный фоторезист (ФП) удаляется с экспонированных ультрафиолетом участков в травителе, так как под действием света разрушаются связи между группами молекул бензольных колец. Негативный фоторезист (ФН) в экспонированных участках полимеризуется и при травлении с этих участков не удаляется. ФП дает позитивное изображение фотошаблона, а ФН – негативное. ФП обладает большим разрешением по сравнению с ФН; последний является более светочувствительным.
В историческом плане важно отметить, что процесс «выжигания» пленки ФР в кислородной плазме был первым плазменным технологическим процессом в микроэлектронике (1968 г.). Первоначально этот процесс приводил к сильной деградации приборов из-за незнания механизма процесса. Поэтому, в период с 1972 по 1973 г. от него отказались. И только широкое применение плазменного процесса травления двуокиси кремния (SiО2) и особенно нитрида кремния (Si3N4), разработанных в 1973 – 1978 гг., заставило возвратиться к плазменной технологии, так как жидкостное удаление побывавшей в плазме пленки ФР оказалось невозможным. С 1976 г. большинство зарубежных фирм включило плазменный процесс удаления ФР в качестве базового технологического процесса микроэлектроники.
Сущность плазмохимического процесса удаления ФР заключается в следующем. При взаимодействии кислородной плазмы (содержащей в частности атомы кислорода молекулярные ионы кислорода и колебательно возбужденные молекулы кислорода) при температуре в несколько сот градусов происходит процесс окислительной деструкции ФР с образованием летучих компонентов продуктов реакции, которые непрерывно удаляются из реакционной камеры вакуумным насосом.
В результате спектроскопических исследований эмиссионного излучения плазмы ВЧ разряда в процессе удаления фоторезиста в кислородно-азотной плазме было установлено наличие следующих компонент: СО, CN, CH, OH, Н, С2, N2, H2, которые затем при выходе из зоны разряда образуют конечные продукты реакции СО2, Н2О, N2. Полагая, что полимерные молекулы фоторезиста преимущественно состоят из фрагментов [–СН–], а СО, СО2 и Н2О являются единственными продуктами реакции, процесс деструкции фоторезиста можно записать следующим образом:
[– CH –]n + О2 СО2 + CO + Н2О, (1)
или 2[– CH –] + 2О2 = СО2 + CO + Н2О. (2)
3.3. Описание экспериментальной установки «Плазма-600»
«Плазма-600», одна из первых отечественных плазменных установок заводского типа, представляет собой полуавтомат, предназначенный для плазмохимической обработки пластин: удаления фоторезиста, травления пленок SiO2, S3N4 и др.
Центральным блоком установки является реакционная камера, представляющая собой кварцевый цилиндр, в который помещаются обрабатываемые пластины. Затем в камеру напускается реактивный газ (О2) и путем непрерывной откачки форвакуумным насосом 2НВР-5Д устанавливается динамическое давление в пределах 50 – 140 Па. Давление в камере измеряется встроенным вакуумметром ВТБ-1. После включения ВЧ генератора в реакционной камере зажигается ВЧ-разряд низкого давления и начинается процесс удаления фоторезиста. На передней панели установки размещены элементы индикации и управления: стрелочные приборы, кнопки и выключатели, световые индикаторы, позволяющие устанавливать и поддерживать заданный режим обработки.
3.4. Порядок работы на установке «Плазма-600»
3.4.2. Порядок включения установки
Загрузить в реакционную камеру пластину с фоторезистом и закрыть камеру. Пластину установить на специальной кварцевой подставке с прорезями для ее посадки в центральной части камеры.
Включить тумблер «сеть» на блоке управления.
Включить тумблер «накал».
Включить форвакуумный насос кнопкой «пуск».
Открыть клапан вакуумпровода (тумблер 7 перевести в верхнее положение), произойдет соединение насоса с камерой и начнется ее откачка.
Через 5-7 минут включить вакуумметр ВТБ-1 и зафиксировать показание вакуумметра.
Произвести напуск плазмообразующего газа (кислорода или воздуха) в реакционную камеру тумблером 5.
После установления динамического режима прокачки и стабилизации рабочего давления реакционного газа, снять показание вакуумметра (давления в рабочей камере).
Зажечь разряд в реакционной камере, плавно поворачивая по часовой стрелке регулятор мощности «М» до появления свечения плазмы. Зафиксировать по показаниям стрелочных приборов значения анодного и сеточного токов.
3.4.3. Порядок выключения установки:
после проведения процесса удаления фоторезиста в течение заданного времени погасить разряд в реакционной камере, выведя регулятор «М» на минимум;
отключить напуск реакционного газа (тумблер 5);
выключить вакуумметр;
выключить накал;
выключить насос кнопкой «стоп»
разгерметизировать камеру тумблером 7;
через 7-10 минут, необходимых для охлаждения генераторной лампы, выключить установку;
открыть реакционную камеру и пинцетом извлечь пластину.
3.5. Задание по работе
Изучить порядок работы на плазменной установке.
Ознакомиться с современной компьютеризированной системой регистрации и изучения спектра на базе дифракционного спектрометра S100. Освоить основные опции рабочей программы (демонстрируются преподавателем).
Провести градуировку спектрометра по длинам волн (или ее проверку) по спектру ртутной лампы освещения (табл. 2).
После получения разрешения у преподавателя зажечь ВЧ-разряд в рабочей газовой среде без установки пластины с фоторезистом в режиме указанном преподавателем.
Осуществить регистрацию спектра излучения плазмы в течение пятой и пятнадцатой минуты горения разряда при экспозиции (времени накопления) порядка 600 мс (число регистрируемых и усредняемых кадров в пакете равно 10), сохранить спектры в памяти компьютера. Формат файла dat, название файла по следующему образцу: 3_15_602.dat, где первая позиция до разделительной черты является номером лабораторной работы, вторая позиция – время регистрации с момента включения разряда (в минутах), и далее – значение экспозиции.
Выключить разряд, выключить насос, разгерметизировать камеру, открыть ее, установить пластину с фоторезистом.
Произвести необходимые действия для зажигания разряда в том же режиме (п. 4).
После зажигания разряда осуществить регистрацию спектра излучения плазмы в течение пятой и пятнадцатой минуты горения разряда при экспозиции порядка 600 мс, сохранить спектры в памяти компьютера. Формат файла dat, название файла по следующему образцу: 3_15_602_Ф.dat, где первая позиция до разделительной черты является номером лабораторной работы, вторая позиция – время регистрации с момента включения разряда (в минутах), и далее – значение экспозиции.
Идентифицировать зарегистрированные спектры плазмы с использованием данных табл. 1 и 2. Провести сравнение снятых спектров горения разряда (используя опцию загрузки примера для сравнения) с целью определения их различий.
Провести обработку данных эксперимента, результаты идентификации спектра представить в виде таблицы, и выработать физическую интерпретацию различий в зарегистрированных спектрах.
На основе полученных данных предложить алгоритм (способ) спектрального контроля процесса удаления фоторезиста.
Таблица 1
Молекулярные полосы спектра излучения плазмы, наблюдаемые при плазмохимической обработке
Система полос и их вид |
Длина волны, нм |
Интен-сивность, усл. ед. |
|
Система полос и их вид |
Длина волны, нм |
Интен-сивность, усл. ед. |
Вторая положи- тельная система азота 2+ N2. Спад в фиоле- товую область. |
464,9 |
1 |
|
Фиоле- товая система CN (вид как и у полос 2+ N2). |
421,6 |
9 |
457,4 |
2 |
|
419,7 |
8 |
||
449,0 |
3 |
|
418,1 |
7 |
||
441,7 |
3 |
|
388,3 |
10 |
||
435,5 |
3 |
|
387,1 |
9 |
||
434,4 |
4 |
|
386,2 |
8 |
||
427,0 |
5 |
|
385,5 |
6 |
||
420,0 |
6 |
|
|
|
||
414,2 |
5 |
|
Система Ангстрема CO. Спад в фиоле- товую область. |
662,0 |
7 |
|
409,5 |
4 |
|
608,0 |
9 |
||
405,9 |
8 |
|
561,0 |
10 |
||
399,8 |
9 |
|
519,8 |
10 |
||
394,3 |
8 |
|
483,5 |
10 |
||
389,5 |
7 |
|
451,1 |
10 |
||
385,8 |
5 |
|
439,3 |
8 |
||
380,5 |
10 |
|
OH (спад в красную область). |
308,9 |
9 |
|
375,5 |
10 |
|
307,8 |
9 |
||
371,1 |
8 |
|
306,4 |
9 |
||
367,2 |
6 |
|
|
|
||
357,7 |
10 |
|
H2 (вид как у атом- ных линий) |
555,3 |
|
|
353,7 |
8 |
|
542,6 |
|
||
350,0 |
4 |
|
529,2 |
|
||
337,1 |
10 |
|
526,6 |
|
||
333,9 |
2 |
|
519,6 |
|
||
330,9 |
2 |
|
508,5 |
|
||
328,5 |
3 |
|
505,5 |
|
||
326,8 |
4 |
|
503,0 |
|
||
315,9 |
9 |
|
501,5 |
|
||
313,6 |
8 |
|
501,3 |
|
||
311,7 |
6 |
|
501,1 |
|
||
310,4 |
3 |
|
500,8 |
|
||
297,7 |
6 |
|
500,3 |
|
||
296,2 |
6 |
|
497,3 |
|
||
295,3 |
6 |
|
493,4 |
|
||
Первая отрицательная система молек. иона азота 1– N2+. (вид как и у полос 2+ N2). |
470,9 |
7 |
|
492,9 |
|
|
465,2 |
5 |
|
487,3 |
|
||
427,8 |
9 |
|
476,4 |
|
||
423,6 |
8 |
|
468,4 |
|
||
419,9 |
6 |
|
466,3 |
|
||
391,4 |
10 |
|
466,1 |
|
||
358,2 |
9 |
|
461,8 |
|
||
356,4 |
9 |
|
458,3 |
|
||
|
|
|
455,4 |
|
Продолжение таблицы 1
Система полос и их вид |
Длина волны, нм |
Интен-сивность, усл. ед. |
|
Система полос и их вид |
Длина волны, нм |
Интен-сивность, усл. ед. |
Первая положи- тельная система азота 1+ N2. Трехголовые полосы. Спад в фиоле- товую область. |
750,4 |
7 |
|
|
|
|
738,7 |
5 |
|
|
|
||
727.3 |
3 |
|
|
|
||
716.5 |
2 |
|
|
|
||
705,9 |
2 |
|
|
|
||
696,8 |
1 |
|
|
|
||
687,5 |
2 |
|
|
|
||
678.9 |
6 |
|
|
|
||
670,5 |
8 |
|
|
|
|
|
662,4 |
9 |
|
|
|
||
654,5 |
10 |
|
|
|
||
646,8 |
10 |
|
|
|
||
639,5 |
9 |
|
|
|
||
632,3 |
7 |
|
|
|
||
625,3 |
3 |
|
|
|
||
618,5 |
3 |
|
|
|
|
|
612,7 |
3 |
|
|
|
||
607,0 |
7 |
|
|
|
||
601,4 |
7 |
|
|
|
||
595,9 |
8 |
|
|
|
||
590,6 |
8 |
|
|
|
||
585,4 |
8 |
|
|
|
||
580,4 |
7 |
|
|
|
|
|
575,5 |
7 |
|
|
|
||
563,3 |
1 |
|
|
|
||
559,3 |
1 |
|
|
|
||
555,4 |
1 |
|
|
|
|
|
551,6 |
2 |
|
|
|
||
547,8 |
2 |
|
|
|
||
544,2 |
3 |
|
|
|
||
540,7 |
3 |
|
|
|
||
537,3 |
3 |
|
|
|
||
505,4 |
1 |
|
|
|
||
503,1 |
1 |
|
|
|
Таблица 2
Атомные линии спектра излучения плазмы, наблюдаемые при плазмохимической обработке, и линии ртути, используемые для градуировки спектральной аппаратуры по длинам волн
Атом |
Длина волны, нм |
Интен-сивность, усл. ед. |
|
Атом |
Длина волны, нм |
Интен-сивность, усл. ед. |
F |
780,0 |
1500 |
|
H |
656,29 |
2000 |
775,5 |
1800 |
|
656,28 |
1000 |
||
760,7 |
700 |
|
486,1 |
500 |
||
757,3 |
500 |
|
434,1 |
200 |
||
755,2 |
500 |
|
O |
777,5 |
26 |
|
748,9 |
250 |
|
777,4 |
27 |
||
748,3 |
220 |
|
777,2 |
28 |
||
742,6 |
400 |
|
Hg |
579,1 |
28 |
|
739,9 |
1000 |
|
579,0 |
100 |
||
733,2 |
500 |
|
577,0 |
24 |
||
731,1 |
1500 |
|
546,1 |
320 |
||
720,2 |
1500 |
|
435,8 |
400 |
||
712,8 |
3000 |
|
404,7 |
180 |
||
703,8 |
4500 |
|
365,0 |
280 |
||
696,6 |
400 |
|
296,7 |
120 |
||
690,1 |
600 |
|
253,6 |
1500 |
||
690,2 |
1500 |
|
|
|
|
|
687,0 |
800 |
|
||||
685,6 |
5000 |
|
||||
683,4 |
900 |
|
||||
779,6 |
150 |
|
||||
677,4 |
700 |
|
||||
669,0 |
180 |
|
||||
641,4 |
800 |
|
||||
634,9 |
1000 |
|
||||
624,0 |
1300 |
|