Технология литографических процессов
Раздел 2. Основные этапы процесса фотолитографии
Скачать 4,58 Mb.
|
- Навигация по данной странице:
- Нанесение слоя фоторезиста
- Сушка фоторезиста
- Этап 2. Создание рельефной структуры фоторезиста
- Фотошаблон и операция совмещения
Раздел 2. Основные этапы процесса фотолитографии
Подготовка поверхности подложки к нане сению ФР состоит из нескольких операций и является индивидуальной для каждого кон кретного случая в зависимости от материала подложки, технологии его получения, состоя ния поверхности и дальнейшего назначения маски. Под подложкой в фотолитографиче ских процессах подразумевается тот матери ал (активный слой), на котором формируют резистивный слой. Если фоторезистивная маска используется для локаль ного травления, то качество передачи рисун ка на активный слой зависит в основном от адге зии маски к подложке и от способности травителя проникать под слой фотомаски по границам окон. Адгезия фотослоя увели чивается с повышением смачивания поверх ности подложки ФР. Проникновение травителя под слой фотомаски, приводящее к ра стравливанию подложки (рис. 9), в свою очередь, зависит от смачивания поверхности подложки травителем или водой. Критерием смачиваемости является краевой угол смачи вания Θ поверхности твердого тела жидкостью (рис. 10). Оптимально подготовленной к ФЛ поверхностью является поверхность, ко торая хорошо смачивается ФР (гидрофильная поверхность) и плохо сма чивается водой (гидрофобная поверхность), т. е. для которой выполняет ся условие: Θф → 0о, Θв→ 180°. 
Рис. 10. Поверхность, смачиваемая жидкостью: а – плохо (гидрофобная поверхность); б – хорошо (гидрофильная поверхность) Изменение свойств поверхности подложек происходит под действием различных загрязнений, которые подразделяются на физико-химические и механические. Физико-химические загрязнения представляют собой адсорбированные на поверхности ионные и нейтральные примеси. Для их удаления применяют в основном химические способы очистки, основанные на десорбции примесей при обработке подложек в растворах, газовых средах и плазме. В большинстве случаев оказывается достаточным обезжиривание подложек в парах органических растворителей: толуола, трихлорэтилена, четыреххлористого углерода и др. Эффективность очистки в парах растворителя обеспечивается постоянным контактом поверхности подложки с чистым растворителем и непрерывным удалением отработанного растворителя. Для удаления с поверхности подложек механических загрязнений применяют физические способы очистки, например, гидромеханическую очистку. Для этого очищаемые пластины размещают на столах центрифуг и обрабатывают их различными щетками (капроновыми, колонковыми) и форсунками, распыляющими реагент под большим давлением. После обезжиривания и гидромеханической очистки производят отмывку подложек – растворение в деионизованной воде остатков реагентов, минеральных солей, продуктов поверхностных реакций. Сушку подложек производят при температуре 120±5 °С в течение 15±5 мин. Допускается производить сушку подложек в центрифуге при использовании специаль ных линий очистки подложек, в которых пре дусмотрена такая сушка. Очистку подложек следует производить не посредственно перед нанесением на них слоев ФР. В обоснованных случаях допускает ся перерыв между окончанием очистки и на чалом нанесения ФР, который не должен превышать 6 ч при хранении подложек в специальных кассетах с защитной средой.
Нанесенный на предварительно подготов ленную поверхность подложек слой ФР должен быть однородным по толщине, без проколов, царапин (т. е. быть сплошным) и иметь хорошую адгезию. Наносят слой ФР в максимально обеспы ленной среде. Перед употреблением ФР обяза тельно фильтруют в специальных фильтрах. Существуют следующие методы нанесе ния ФР:
Наиболее распространенными являются первые два метода, о которых мы подробно и расскажем, остальные затронем только с точки зрения их достоинств и недостатков. Метод центрифугирования (рис. 11) Центрифугирование в основном применя ется для круглых подложек, т. е. пластин крем ния и других полупроводников, но с помощью несложной доработки установки для данного метода нанесения ФР можно приспособить и для пластин прямоугольной формы. На несложном оборудовании наносят слои ФР, погрешность толщины которых соста вляет ±5%. На подложку 2, которая устанав ливается на столике 3 центрифуги и удержи вается на нем вакуумным присосом, ФР пода ется капельницей-дозатором 1. Время между нанесением жидкого ФР и включением центрифуги должно быть минималь ным (0,5-1 с), чтобы его вязкость не ме нялась в результате испарения растворителя. Когда столик приводится во вращение, ФР ра стекается тонким слоем по поверхности под ложки, а его излишки сбрасываются с нее и стекают по кожуху 4. При вращении цен трифуги происходит испарение растворителя и вязкость ФР возрастает, поэтому он не пол ностью сбрасывается с поверхности подлож ки. Зависимость толщины оставшегося на поверхности жидкого слоя ФР h от частоты вращения цен трифуги ω и кинематической вязкости ФР υ определяется соотношением: h = A √ υ /ω где А - коэффициент пропорциональности, подбираемый экспериментально. 
Рис. 11. Схема установки для нанесения слоя ФР центрифугированием: 1- дозатор (капельница); 2 - подложка; 3 - столик; 4 - кожух для сбора избытка ФР; 5 - вакуумные уплотнители; 6 - электродвигатель; 7 - трубопровод к вакуумному насосу
Зависимость толщины наносимого слоя от частоты вращения столика центрифуги при различных коэффициентах вязкости ФР по казана на рис. 12. С увеличением скорости центрифугирова ния уменьшается не только среднее значение толщины ФР, но и ее разброс. При достиже нии некоторого числа оборотов толщина пленки становится постоянной, а ее разброс минимальным. Это число оборотов называ ется критическим. Оно соответствует равновесию центробежных и когезионных (сцепления молекул) сил при пленкообразовании. Большой разброс (невоспроизводимость) значений толщины при числе оборотов, ко торое меньше критического, можно объяснить краевым утолщением слоя фоторезиста, ко торое с увеличением частоты вращения умень шается и смещается к периферии подложки. На рис. 13 изображены профили ФР-слоя, полученные на подложках при различных ча стотах вращения центрифуги. Из рисунка видно, что при малом числе оборотов крае вое утолщение занимает значительную часть подложки, а при большом числе оно прак тически сводится к нулю. Поскольку макси мальная разрешающая способность процес са фотолитографии достигается при мини мальной толщине ФР, то целесообразно поддерживать частоту оборотов, превышаю щую критическое значение. Однако от тол щины ФР-слоя зависит его устойчивость к агрессивным средам, которую нельзя обес печить при минимальной толщине ФР. Таким образом, при выборе толщины слоя ФР, а сле довательно, и значения критического числа оборотов, следует исходить не из минималь ной, а из оптимальной толщины пленки.
Рис. 12. Зависимость толщины слоя h ФР от частоты вращения центрифуги при различных значениях его кинематической вязкости: 1 - 12 • 10 -2 см2/с; 2 - 10 • 10 -2 см2/с; 3 - 5•10 -2 см2/с; 
Рис. 13. Профили фоторезистивного слоя, полученные на подложках при разных скоростях вращения центрифуги: 1 - 200 мин -1; 2 - 400 мин -1; 3 - 1000 мин -1 Необходимо отметить, что время центри фугирования мало влияет на параметры слоя. Для формирования слоя обычно достаточно 20-30 с. Выбирая толщину слоя фоторезиста, необ ходимо учитывать, что он должен обладать высокой разрешающей способностью (чем меньше толщина, тем выше разрешающая способность) и не терять стойкости к травителю. Кроме того, слой фоторезиста не должен иметь дефектов в виде проколов, число кото рых с уменьшением толщины увеличивается. Следовательно, толщина слоя ФР должна быть возможно минимальной, но достаточной для обеспечения его стойкости к травителю, плот ности и малой дефектности (в виде проколов). Наносимые центрифугированием слои ФР могут иметь дефекты в виде «комет», обра зующиеся в том случае, если на поверхности подложек имелись остаточные загрязнения или ФР был плохо отфильтрован. Такие дефекты выглядят как направленные от центра локаль ные утолщения или разрывы слоя ФР. Достоинствами центрифугирования явля ются:
Недостатки этого метода:
Метод распыления (пульверизация) (рис. 14) Нанесение ФР распылением позволяет получать широкий интервал толщины слоев, причем подложка может иметь неплоскую поверхность. Нанесение ФР производится форсункой, в которой для диспергирования струи раствора ФР при выходе из сопла ис пользуется сжатый воздух. Для получения рав номерных слоев распыление выполняют дви жущейся форсункой на движущиеся подлож ки. Параметры слоя зависят от давления и температуры воздуха, расстояния от сопла форсунки до подложки, скоростей движения форсунки и подложки и от параметров ФР. Для улучшения адгезии фотослоя подложки можно нагревать. Распылением можно нано сить слой на рельефные поверхности, полу чать слои толщиной от 0,3 до 20 мкм с точно стью до 10%. Основная проблема при нанесе нии слоев распылением - затягивание пыли и других загрязнений струей диспергирован ного ФР. Распыление применяют для нанесе ния ФР на прямоугольные диэлектрические подложки.
Рис.14. Схема нанесения фоторезиста методом пульверизации:
6 – подача фоторезиста Достоинства пульверизации состоят в сле дующем:
Недостатки метода:
Методы окунания и полива Достоинства:
Недостатки:
Общей особенностью нанесе ния жидких ФР являются трудность получе ния сплошных слоев заданной толщины и влияния краевых дефектов. Метод накатки Накатка применяется для нанесения сухих пленочных ФР, представляющих собой трех слойную ленту. Достоинства метода:
Недостатки:
Сушка является операцией, завершающей формирование слоя ФР, и выполняется после его нанесения. Она проходит в два этапа:
В процессе сушки удаляется растворитель, и в пленке ФР происходит сложный релакса ционный процесс плотной упаковки молекул, уменьшающий внутренние напряжения и уве личивающий адгезию фотослоя к подложке. Растворитель при сушке необходимо удалять полностью, так как он экранирует фоточув ствительные части молекул при экспониро вании. Удаление растворителя проходит в две стадии:
Если испарение преобладает над диффузи ей, поверхностный слой ФР уплотняется раньше внутреннего слоя и препятствует удале нию растворителя изнутри. При этом возни кают внутренние напряжения, ослабляющие слой и приводящие к его разрывам. Сушку реко мендуют проводить в инертной атмосфере, так как на воздухе возможно окисление моле кул ФР. Основными параметрами процесса сушки являются температура и время, которые в зна чительной степени влияют на такие важные по казатели ФР, как время его экспонирования и точность передачи размеров элементов после проявления. При низких температурах адгезия фотослоя к подложке плохая, преобладает сцеп ление между собственными молекулами по лимера (когезия). Этим объясняется отслаива ние фотослоя при проявлении, кроме этого, возможно неполное удаление растворителя. Слишком быстрая сушка может привести к воз никновению механических напряжений в плен ке. Предельной температурой сушки является температура задубливания слоя, при которой происходит потеря светочувствительности ФР. Для большинства ФР предельная температура составляет 140 - 150 ˚С. При больших температурах в ФР идет тер мополимеризация (при 140-200 °С) и другие процессы. Так, в слое позитивного ФР при тем пературах выше критических, протекают те же необратимые явления, что и при экспониро вании. Качество проведения сушки влияет на все остальные операции ФЛ. 
Рис. 15. Зависимость потери массы ФР (1) и его толщины (2) от температуры сушки при длительности сушки 30 мин. На рис. 15 показаны зависимости потери массы ФР (за счет удаления растворителя) и изменения толщины слоя от температуры сушки при постоянном времени сушки. Большое значение при сушке имеет меха низм подвода теплоты. Существуют три ме тода сушки:
Конвективная сушка выполняется в термо статах. Образующаяся на поверхности уплот ненная часть слоя препятствует равномерной и полной сушке. Для равномерного испарения растворителя и снижения внутренних механи ческих напряжений в фотослое сушку выпол няют в два этапа: 15-20 мин. при 18-20 ˚С, 30-60 мин. при 90-120 °С. Недостаток метода - низкое качество ФР-слоя. ИК-сушка отличается равномерным удале нием растворителя по толщине слоя резиста, поскольку источником теплоты является сама подложка. Фоторезист прозрачен для ИК-излучения, поэтому оно достигает границы раздела подложка - резист и, отразившись от подложки, сильнее нагревает нижние прилегающие к подложке слои ФР. Возникает такой температурный гради ент по толщине резиста, при котором наибо лее холодной частью покрытия будет поверх ность, а самой горячей — нижние слои, в ко торых испарение растворителей почти завершено. Следовательно, «фронт сушки» пе ремещается от подложки к поверхности слоя ФР. Поэтому у поверхности слой преждевре менно не уплотняется. Время сушки понижа ется до нескольких минут. ИК-сушка является основным промышленным методом, приме няемым в линиях фотолитографии. Она выполняется непо средственно после нанесения ФР под источниками ИК-излучения при непрерывном продуве азотом. При СВЧ-сушке подложки нагреваются, по глощая электромагнитную энергию СВЧ-поля. Такая сушка производится в печах мощностью 200-400 Вт при рабочей частоте 2,45 ГГц. Время сушки — несколько секунд. Достоинством ме тода является высокая производительность, а недостатками — сложность оборудования и необходимость тщательного экранирования рабочего объема во избежание облучения опе ратора, а также неравномерность сушки слоя фоторезиста на различных по электрическим характеристикам участках подложек. Поэтому СВЧ-сушке подвергают только однородные подложки. При любом методе сушки ее режимы (время, температура) должны исключать по явление структурных изменений в слое ФР. Высушенный слой необходимо экспониро вать не позднее чем через 10 ч. Сушку подло жек следует выполнять в тщательно очищен ной от пыли среде. Контролируют качество сушки визуально или под микроскопом. При нанесении слоя фоторезиста могут поя виться различные виды брака. • Плохая адгезия ФР к подложке вызывает при последующем травлении растравливание и искажение рисунков элементов. Причиной плохой адгезии является некачествен ная подготовка поверхности подложек.
Данный этап состоит из следующих операций: экспонирование резиста, проявление резиста и термообработка резиста.
В соответствии с принципами локальности и послойности технологических обработок в процессе изготовления структур микросхем ФЛ проводится несколько раз, в зависимости от количества форми руемых топологических слоев. Так, при изготовлении планарной транзисторной структуры требуется проведение до пяти ФЛ на одном кристалле. Каждая такая операция служит для создания в поверхностном слое кристалла определенных областей прибора – коллектора, базы, эмиттера, контактных площадок и металлизированных выводов. Информацию о геометрии этих областей несет инструмент, который называется фотошаблоном. Фотошаблон (ФШ) представляет собой плоскопараллельную пластину прямоугольной формы из прозрачного материала (кварц, оптическое стекло), на поверхности которой нанесен рисунок, состоящий из прозрачных и непрозрачных для света определенной длины волны участков на основе пленочного покрытия. Этот рисунок образует топологию одного из слоев прибора и размножен (мультиплицирован) по всему рабочему полю фотошаблона (групповой фотошаблон). Для производства каждого прибора используется комплект фотошаблонов. В качестве покрытий, создающих рисунок фотошаблонов, используют тонкие пленки металлов (обычно хрома), окисных пленок (окиси хрома, окиси железа), нитрида кремния. Начиная со второй ФЛ необходимо совмещать рисунок очередного ФШ с ри сунком на подложке, полученном при формирова нии предыдущих технологических слоев. Следовательно, используемые комплекты фотошаблонов должны быть совмещаемыми и перед выполнением операции экспонирования проводится операция совмещения. Совмещение выполняют на той же установке, что и последующее экспонирование, путем наложения рисунков ФШ и подложки. При выполнении первой фотолитографии, когда поверхность полупроводниковой подложки еще однородна, ФШ должен быть ориентирован относительно подложки так, чтобы модули ФШ были параллельны ее базовому срезу. При выполнении последующих операций ФЛ для совмещения используются специальные знаки совмещения, предусмотренные в рисунке каждого топологического слоя. Принцип совмещения показан на рис. 16. 
Рис. 16 . Принцип операции совмещения: 1- групповой фотошаблон; 2 – модули для грубого совмещения; 3 – базовый срез на подложке; 4 – групповая подложка; 5 – знак совмещения в модуле подложки; 6 – знак совмещения в модуле фотошаблона Используются три метода совмещения ФШ с под ложкой:
На сегодняшний день наибольшее приме нение нашли 2-й и 3-й методы, поскольку на чиная со второй ФЛ, когда на подложках сфор мированы топологические слои, рисунок ФШ необходимо ориентировать относитель но рисунка предыдущего слоя с высокой точ ностью. Визуальный способ совмещения заключается в одновремен ном наблюдении в неактивном свете с по мощью микроскопа рисунка на пластине и ри сунка ФШ. Для предотвращения царапания и стирания поверхности ФШ и фотослоя между ними устанавливают микрозазор. Максимальная величина микрозазора ограничена глубиной резко сти используемого микроскопа. Например, при увеличении микроскопа 100-200х можно установить микрозазор 10-30 мкм. С увеличением требований к точности совме щения необходимы микроскопы с большим увеличением, соответственно микрозазор уменьшается. При этом для совме щения используют двухпольные микроско пы, позволяющие одновременно наблюдать два отдаленных друг от друга участка под ложки. Совмещение рисунков проходит в два этапа. После установки микрозазора оператор, од новременно наблюдая через микроскоп ри сунки подложки и ФШ, производит точное их на ложение. Сначала рисунки совмещаются по меткам грубого совмещения в пределах достаточно больших перемещений подложки. Роль таких меток выполняют от сутствия одного или нескольких кадров на ФШ, которые позволяют правильно нало жить при совмещении соответствующие стро ки и столбцы. Затем выполняется точное сов мещение в пределах существенно меньших перемещений с помощью фигур совмещения с контролируемым зазором по контуру (рис. 16). Точность визуального совмещения зависит от разрешающей способности и глубины рез кости микроскопа, плавности и точности пе ремещений и их фиксации, точности изготовления ФШ, типа знаков сов мещения, некоторые из которых показаны на рис. 17 . 
Рис. 17 . Знаки совмещения: а- концентрические окружности; б- концентрические квадраты; в – биссектроные знаки; г-и – их вид на пластине после второго и четвертого этапов ФЛ Знаки совме щения с контролируемым зазором обеспечи вают наиболее высокую точность совмещения при прочих одинаковых условиях. Это обу словлено тем, что при наложении меток совмещения, одинаковых по конфигурации, но от личающихся по размерам на величину δ, зада ча оператора заключается только в том, чтобы сохранить некоторый зазор между метками по всему контуру. При этом совмещение зна ков должно быть осуществлено на двух про тивоположных краях подложки, что исключа ет разворот рисунков вокруг оси, перпендику лярной плоскости изображений (рис. 18 ).
Рис. 18 . Схема совмещения с применением двупольного микроскопа: 1- окуляр; 2, 4 – призмы, 3 – линза; 5 – объектив; 6 – ФШ; 7 – подложка
Одна из основных трудностей обеспечения точного совмещения — создание механизмов плавных перемещений подложек на расстоя ния менее 1 мкм. Тенденции роста степени интеграции, увеличения размеров кристалла и функциональной сложности ИС сопровождаются непрерывным возрастанием сложности топологических рисунков ФШ и значительным повышением требований к качеству их изготовления. Технология изготовления ФШ является одним из наиболее сложных процессов в микроэлектронике. Это обусловлено рядом специфических особенностей ФШ и предъявляемыми к ним требованиями, основными из которых являются: 1. Высокая разрешающая способность, которая диктуется необходимостью получения минимальных размеров элементов рисунка – от единиц до десятых долей микрона. Поэтому разрешающая способность фотошаблона должна быть порядка 1000 линий/мм. 2. Достаточно большая площадь рабочего поля, необходимая для размещения на нем большого количества элементов изображения. Рабочая площадь ФШ должна соответствовать размеру полупроводниковой подложки. 3. Высокая контрастность, которая обеспечивается большой оптической плотностью непрозрачных участков и отсутствием вуали на прозрачных участках. 4. Высокое качество оптически плотных участков. ФШ не должны иметь на непрозрачных участках царапины, проколы, пятна и т.д. 5. Плоскостность рабочей поверхности фотошаблона, которая должна быть не хуже 0,5 мкм на длине 25 мм, чтобы избежать зазоров между слоем фоторезиста и шаблоном при контактной печати. 6. Стабильность характеристик фотошаблонов и их износостойкость во времени.
|
