Экспонирование фоторезиста

• 
  контактное экспонирование (соответственно и весь процесс ФЛ называют контактной ФЛ);
  

• 
  экспонирование с микрозазором;
  
• 
  проекционное экспонирование.
  

Как было сказано выше, перед экспонированием ФР производится операция совмещения. При совмещении между ФШ и подложкой с ФР имеется зазор определенной величины. После совмещения рисунков зазор устраняется до полного контакта шаблон-подложка (рис. 19). Нужное усилие контакта создается вакуумным или пневматическим прижимом. ФР имеют узкую спектральную область поглощения (310-450 нм) и относительно низкую фоточувствительность. Поэтому в качестве источников экспонирующего УФ-излучения применяют ртутно-кварцевые лампы, обеспечивающие высокую освещенность (до десятков тысяч люкс). Для согласования спектров поглощения ФР и излучения источника применяют светофильтры. Параллельность пучка излучения, необходимая для равномерной освещенности экспонируемой поверхности фотослоя, обеспечивается системой конденсоров, имеющих 1-5 кварцевых линз. Разброс освещенности в пределах рабочего поля подложки не должен превышать 5%.

При тщательной стабилизации освещенности и плотном контакте ФШ - подложка на практике процесс экспонирования контролируют временем облучения. Необходимое время экспонирования обеспечивается электромагнитным затвором, время открывания и закрывания шторки которого составляет 0,05-0,1 с, что в интервале времен экспонирования (1 с ... 2 мин) обеспечивает хорошую точность. У системы затвор-дозатор погрешность дозы при экспонировании не более 5%.

Рис.19. Схема а) совмещения; б) контактного экспонирования; в) экспонирования с микрозазором: 1- микроскоп, 2 – ФШ, 3 – ФР, 4 – подложка, 5 – столик, 6 – источник света, 7 - конденсор

Существенным ограничением контактной фотолитографии является неизбежность механических повреждений рабочих поверхностей ФШ и подложки, так как эти поверхности при совмещении находятся на близком расстоянии (10-15 мкм), а при экспонировании плотно прижаты друг к другу и при этом на ФШ налипает ФР. Из-за механического износа пленочного рисунка необходима частая замена ФШ, которая требует остановок оборудования и делает нецелесообразным автоматизацию процесса экспонирования.

На качество переноса изображения ФШ на фотослой существенно влияют дифракционные явления, проявляющие себя при наличии зазоров между ФШ и подложкой. Эти зазоры возникают главным образом из-за неплоскостности положки, которая достигает 20 мкм в исходной пластине и увеличивается при последующих термических операциях. В результате дифракции света на непрозрачных участках ФШ, например, на краю прозрачного окна размером а, световой пучок расширяется и заходит в область геометрической тени. Огибающая пучка образует с нормалью к поверхности фоторезиста угол φ (угол дифракции), который зависит от длины волны света λ и зазора d (рис. 20): sinφ = λ/d.

Рис. 20. Дифракционные явления в зазоре фотошаблон – фоторезист: 1 – фотошаблон; 2 – пленка фоторезиста; 3 – подложка

Неравномерность освещенности приводит к тому, что после проявления элементы фотомаски имеют нерезкий контур – вуаль. Размеры вуали определяются зоной не полностью сшитого (или разрушенного) слоя фоторезиста и зависят от экспозиции. Оптимальная экспозиция позволяет получить минимальные размеры вуали и улучшить контрастность рисунка фотомаски.

Важным оптическим эффектом при экспонировании является прохождение УФ-излучения через пленку ФР. Световой поток, проходя через слой ФР, рассеивается в нем, а достигая подложки, отражается от нее и возвращается обратно в слой ФР. Дойдя до поверхности ФШ, световой поток отражается под углом от его металлизированных непрозрачных участков и снова попадает в слой ФР на подложке (рис. 21).

Рис. 21 . Эффект отражения света в системе ФШ – подложка:

1 – луч света; 2- ФШ; 3 – непрозрачное покрытие ФШ;

4 – противоореольное покрытие; 5 – фоторезист; 6 - технологический слой (SiO₂, металл); 7 – подложка

Контактная ФЛ широко применяется в настоящее время и является наиболее отработанным методом, отличается высокой производительностью и невысокой стоимостью. Вследствие тесного контакта ФШ — подложка достигаются относительно высокие разрешения. На фотослой позитивного ФР толщиной 0,5 мкм можно передать элементы размерами 1 мкм. Тем не менее, в связи с приведенными ограничениями контактной ФЛ дальнейшее совершенствование технологии получения топологии элементов ИМС, вызванное необходимостью повышения степени их интеграции, развивается в направлении применения бесконтактных методов экспонирования и уменьшения дифракционных явлений.

На рис. 22 представлен общий вид установки контактного совмещения и экспонирования ЭМ-5026А.

Установка снабжена автоматической загрузкой-выгрузкой полупроводниковых пластин, двупольным микроскопом с расщепленным полем и манипулятором совмещения с высокой чувствительностью перемещений по осям Х, Y. Применение механизма вертикальных перемещений повышенной жесткости и системы прижима нового типа позволило ликвидировать сдвиги пластин при контакте с фотошаблоном. Установка расширяет технологические возможности в производстве полупроводниковых приборов за счет обеспечения возможности экспонирования пластин в контакте с регулируемым усилием сжатия. Конструкция установки обеспечивает работу со стандартными кассетами и возможность ее использования автономно и в составе автоматизированных линий фотолитографии.

Рис. 22. Установка ЭМ-5025А
Экспонирование с микрозазором

Данный метод отличается от контактного экспонирования только тем, что после совмещения между подложкой и шаблоном имеется зазор 10-25 мкм, при котором и осуществляют экспонирование фотослоя (см. рис. 19, в).

Этот наиболее простой процесс бесконтактного экспонирования можно проводить на тех же установках, что и контактное экспонирование. Наличие зазора при экспонировании увеличивает влияние дифракции света на передачу рисунка, что приводит к искажению формы и размеров элементов и обусловлено проникновением света в область геометрической тени. Достигаемые минимальные размеры элемента при этом увеличиваются и составляют 2-4 мкм. Зазор при экспонировании значительно уменьшает повреждения шаблона и увеличивает срок его службы.

Проекционное экспонирование

Проекционный метод отличается от теневых способов тем, что основан 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. По способу формирования изображения на подложке проекционным экспонированием различают системы с переносом изображения ФШ одновременно на все рабочее поле подложки в масштабе 1:1 и системы с последовательным мультиплицированным переносом изображения в уменьшенном масштабе (сканирующие системы). В последнем случае используют промежуточный ФШ, представляющий собой одиночное изображение топологии слоя прибора, выполненное в увеличенном масштабе (10 : 1) (рис. 23).

Проекционные системы, формирующие изображение на всем поле подложки, могут обеспечить высококачественное изображение только при наличии плоской подложки со слоем резиста (неплоскостность – единицы микрометра по всей поверхности). Кроме этого, достаточно сложно изготовить оптическую систему высокого разрешения, передающую изображение на большую площадь без значительных искажений. Поэтому применение таких систем достаточно ограничено.

Рис. 23. Схема проекционного экспонирования с мультиплицированием изображения ФШ: 1 – осветитель; 2- конденсор; 3– промежуточный ФШ; 4 – объектив; 5 – подложка со слоем фоторезиста;

6 – координатный стол
В проекционных сканирующих системах экспонирование резиста производится последовательным впечатыванием уменьшенного изображения промежуточного ФШ на всю рабочую поверхность подложки. Сканирование изображения может идти непрерывно без остановок и в прерывистом (старт-стопном) режиме, когда в момент экспонирования перемещений компонентов оптической системы не происходит. После очередного экспонирования столик установки перемещают на один шаг и в новом положении подложки производят экспонирование следующего участка. И так до полного экспонирования всей подложки. При экспонировании совмещение можно осуществлять на каждом шаге или до экспонирования по двум знакам совмещения, расположенным на противоположных участках подложки. Первый способ обеспечивает более высокую точность. Увеличение производительности совмещения и экспонирования достигается автоматизацией процессов.

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

На рис. 24 представлена автоматическая установка совмещения и мультипликации ЭМ-5084АМ1. Установка предназначена для совмещения и помодульного экспонирования полупроводниковых пластин в производстве БИС и СБИС.

Рис. 24. Установка проекционного экспонирования ЭМ-5084АМ1

Установка является сложным оптико-механическим комплексом, в состав которого входит: координатный стол, снабженный трехкоординатной лазерной измерительной системой на интерферометрах; система автофокусировки и выравнивания; фотоэлектрическая система совмещения промежуточного шаблона и подложки; блок загрузки полупроводниковых пластин и другие устройства.

Установка позволяет получать минимальные размеры элементов 0,8 мкм при точности совмещения ± 0,1 мкм. Производительность установки 45 пл/час (для пластин диаметром 150 мм).

3. 
   Проявление фоторезиста
   

Основными факторами, определяющими качество изображения при проявлении негативных ФР, являются тип проявителя и полнота реакции полимеризации ФР при экспонировании.

Проявитель должен обладать хорошей растворяющей способностью и минимальным воздействием на облученные участки фотослоя. Проявители для негативных ФР представляют собой органические растворители: толуол, бензол, уайт-спирит, трихлорэтилен, хлорбензол, диоксан и др.

При неправильно выбранной экспозиции облученные участки при проявлении сильно набухают, что приводит к искажению рисунка. При формировании прецизионных фоторезистивных масок набухание приводит к смещениям, смыканиям и деформациям элементов рисунка. Недоэкспонирование негативных ФР приводит к увеличению набухания при проявлении и, следовательно, к уменьшению разрешающей способности всего процесса фотолитографии. Если экспонирование выполнено при оптимальной экспозиции, перепроявление негативного ФР не опасно, поэтому процессы проявления легко автоматизировать.

Отсутствие ионов щелочных металлов является ценным фактором при проявлении негативных ФР.
Проявление позитивных ФР

Основными факторами, определяющими качество изображения при проявлении позитивных ФР, являются:

• 
  концентрация проявителя;
  
• 
  значение рН проявителя;
  
• 
  температура проявителя (см. рис. 25, кривая 2);
  
• 
  время проявления (см. рис. 25, кривая 1).
  

При проявлении ФР на основе НХД идет химическая реакция превращения полученной при экспонировании инденкарбоновой кислоты в хорошо растворимую соль, которая затем легко вымывается. После облучения поверхность позитивного ФР переходит из гидрофобного в гидрофильное состояние, поэтому облученные участки фоторезистивного слоя, в отличие от необлученных, хорошо смачиваются проявителем. В качестве проявителей применяются водные щелочные растворы (0,3-0,5%-ный раствор едкого кали, 1-2%-ный раствор тринатрийфосфата) или органические щелочи - этанамины.

Рис. 25. Зависимость ухода ширины линии b проявленных элементов рисунка в слое позитивного ФР ФП-383 толщиной 0,6 мкм от температуры проявителя (1) и времени проявления (2)

Если слой проэкспонирован не полностью, раствор окрашивается в малиновый цвет, так как часть молекул инденкарбоновой кислоты превращается не в соль натрия, а соединяется с неразрешенными молекулами НХД, образуя краситель. Если молекулы НХД разрушены полностью на всю глубину фоторезистивного слоя, проявитель остается бесцветным.

С целью регулирования скоростей растворения в проявитель добавляют вещества, замедляющие процесс проявления. Такой проявитель называется буферным.

В технологии ИМС составы проявителей подбирают экспериментально. При этом параметрами качества ФР служат как характеристики изображения (точность воспроизведения рисунка и т. п.), так и показатели процесса, например производительность и выход годных.

Экспонирование и проявление неразрывно связаны между собой. Для выбора режимов, обеспечивающих точную передачу размеров элементов, одновременно изменяют время проявления и экспонирования либо подбирают оптимальное значение одного параметра при фиксации другого.

При постоянных условиях проявления с ростом экспозиции увеличиваются размеры элементов для позитивного фоторезиста и уменьшаются — для негативного. При этом для негативного фоторезиста режимы проявления слабо влияют на точность передачи изображения и перепроявление для них неопасно. Для позитивного же фоторезиста проявление сопряжено с частичным растворением, а именно, с уменьшением толщины и подтравливанием по контуру незасвеченных участков.

Таким образом, для негативных фоторезистов точность воспроизведения рисунка зависит практически только от режимов экспонирования. Для позитивных фоторезистов режимы проявления являются определяющими для качества изображения и должны быть согласованы с режимами экспонирования.

Качество воспроизведения изображения при проявлении зависит от отношения скоростей растворения облученных Vо и необлученных Vн участков фоторезиста, которые определяются условиями реакции растворения — температурой, концентрацией проявителя и его водородным показателем рН (величиной, характеризующей концентрацию ионов водорода в проявителе). При повышении концентрации и температуры проявителя скорости Vo и Vн возрастают, но отношение их уменьшается.

Наилучшего качества изображения (при оптимальных времени экспонирования и времени проявления) достигают в диапазоне температур 15—35°С и рН = 12,2 - 12,6. При определенных времени проявления, рН и толщине фотослоя наблюдается зависимость между временем экспонирования и временем проявления, соответствующая наилучшему изображению (рис. 26).

После проявления в защитном рельефе обнаруживается неидеальность перехода от участков, покрытых фоторезистом, к участкам, свободным от него. В результате паразитного облучения слоя фоторезиста за счет дифракции света на краю непрозрачного элемента фотошаблона, диффузионного рассеяния в слое и частичного отражения от подложки (см. рис. 8) происходит экспонирование незначительной части слоя, лежащего на границе прозрачных и непрозрачных элементов фотошаблона. Образующийся после проявления на границе защитного рельефа ореол снижает разрешающую способность процесса фотолитографии.

Рис. 26. Зависимость времени проявления t пр и времени экспонирования t э от толщины ФР ФП – 383 (травитель буферный): h1>h2>h3

Профиль края проявленного рельефа можно представить в виде «краевого клина», заменив истинную форму на треугольную (рис. 27). При увеличении длительности экспонирования, исходной толщины слоя фоторезиста и отражающей способности подложки «краевой клин» будет увеличиваться.

1 – ФР, 2 – подложка;

Распространенными способами проявления являются: погружение в раствор проявителя, выдержка в парах органического соединения, пульверизация.

Проявление погружением в раствор проявителя не требует специального оборудования и при высокой производительности позволяет воспроизводить элементы размером более 3 мкм при толщине пленки фоторезиста до 1 мкм.

При воспроизведении элементов размерами менее 3 мкм (особенно при толщине пленок фоторезиста более 1 мкм) данный способ не обеспечивает надежного удаления проявляемых участков ФР. В отдельных элементах возникает остаточная тонкая пленка, не поддающаяся дальнейшему вымыванию. В этих случаях эффективен способ пульверизации (струйного проявления).

Этот метод обеспечивает необходимую чистоту процесса, достаточно полное удаление продуктов реакции и высокую производительность, а также возможность объединения в едином цикле на одной установке операций проявления, промывки и сушки на центрифуге.

При дисперсионном проявлении ФР (рис. 28) подложки подаются на столик центрифуги и удерживаются на нем при вращении вакуумным присосом. При включении центрифуги на подложки подается под давлением мелкодисперсная струя проявителя. После проявления слоя ФР подложки промывают деионизованой водой и сушат.

2 – форсунки проявления и промывки, 3 – платформа с пластинами, 4- съемная крышка, 5 - полый ротор

Проявление и последующую промывку осуществляют при частоте вращения ротора 100 - 150 об/мин, сушку - при 1500 - 3000 об/мин.

После проявления контролируют качество изображения под микроскопом. В зависимости от видов дефектов наблюдение ведется в темном и светлом поле микроскопа.

В темном поле наблюдают: поверхностные загрязнения и неоднородности, чистоту изображения в пленке фоторезиста, непроявленные остатки фоторезиста, наличие проколов в пленке; в светлом поле — резкость края, клин проявления, геометрию и размеры элементов, чрезмерное проявление и экспонирование.

4. 
   Сушка фоторезиста
   

От температуры и характера повышения ее во время сушки зависит точность передачи размеров изображений. Резкий нагрев вызывает оплывание краев, поэтому для точной передачи малых (1— 2 мкм) размеров следует применять плавное или ступенчатое повышение температуры. Так, при обработке позитивного фоторезиста ПФ-383 рекомендуется следующий режим сушки: 10—15 мин. — при комнатной температуре, 20—25 мин. — при 120°С, затем плавный подъем температуры до 150—160°С. Для поливинилцинноматов (негативные ФР) качество фотолитографии улучшается по мере увеличения температуры сушки рельефа до 200—220°С и времени выдержки до 1 ч.

Низкотемпературный этап сушки характеризуется диффузией растворителей к внешней поверхности пленки и их испарением с этой поверхности. При этом необходимо обеспечить равенство скоростей обоих процессов, так как при преобладании испарения на поверхности пленки образуется плотный слой, препятствующий дальнейшей диффузии. Если скорость испарения становится меньше скорости диффузии, то возрастает время сушки, что нежелательно с технологической точки зрения.

При переходе к высокотемпературному этапу сушки происходит дополнительная пространственная полимеризация пленки, увеличивающая ее кислотостойкость, а также адгезию пленки к подложке.

Этап создания фоторезистивной маски является основным этапом формирования топологического слоя, поскольку точность передачи рисунка на материал интегральной микросхемы (ИМС) во многом зависит от точности полученного на данном этапе фоторезистивного слоя (маски).

3. 
   Этап 3. Перенос рельефа фоторезиста на
   

Задачей заключительного этапа ФЛ является формирование топологического рельефа технологического слоя, по которому проводится обработка. Этап состоит из следующих операций - травление (маскирующих, диэлектрических, проводящих) слоев через резистивную маску, удаление фоторезистивной маски и отмывка подложки перед следующей технологической операцией изготовления приборов.

Все эти операции осуществляются с применением химических (мокрых) или плазменных (сухих) методов обработки.

1. 
   Химические методы обработки (мокрые)
   

Процесс травления можно подразделить на следующие стадии: диффузия реагентов травителя к поверхности подложки; адсорбция реагентов; химическая реакция; десорбция продуктов взаимодействия; диффузия продуктов реакции от поверхности подложки.

Скорость травления определяется наиболее медленной его стадией. При применении растворов травителей с низкими концентрациями реагентов определяющей будет их диффузия к поверхности подложки. При этом наблюдается резко выраженная зависимость скорости процесса от интенсивности перемешивания травителя, вязкости его раствора и малая зависимость от температуры и структуры поверхности.

Если же определяющей является стадия химической реакции, наблюдается зависимость скорости реакции от температуры и структуры поверхности, а вязкость травителя и перемешивание его не оказывают заметного влияния на скорость травления.

При травлении используются водные растворы неорганических соединений (обычно кислот). Химический состав и концентрация травителя в растворе подбирается так, чтобы активно растворялся только материал технологического слоя, а нижележащий материал не растворялся (селективные травители). С травлением в жидких травителях связано явление подтравливания под фотомаску и разброс величины подтравливания по всем элементам одного слоя.

К моменту окончания растворения технологического слоя в «окне» фотомаски боковое травление оказывается примерно равным толщине слоя (рис. 29), однако его окончание зависит от размеров вытравливаемого элемента («окна» в маске). В процессе травления происходит отвод продуктов химической реакции от поверхности в раствор и подвод из раствора свежего травителя. Оба процесса протекают благодаря взаимодиффузии, скорость которой и определяет скорость травления. В мелких элементах массообмен затруднен и скорость травления ниже, чем в крупных элементах. Поскольку технологическое время травления устанавливают по самому мелкому элементу, более крупные элементы получают «перетрав», то есть большие погрешности размера. Все это приводит к изменению линейных размеров вытравливаемого материала по отношению к размерам фоторезистивной маски.

Точность травления повышается, то есть уменьшается разброс размеров элементов из-за подтравливания, при динамическом воздействии травителя на обрабатываемую поверхность.

Для получения устойчивых результатов необходимо в процессе жидкостного травления обеспечить термостатирование травильного раствора с отклонением не более ±(1-2) °С и перемешивание раствора. Подложки в травильных ваннах помещают в вертикальном положении и осуществляют их возвратно- поступательное движение в вертикальной плоскости.

Рис. 29. Боковое подтравливание под фотомаску:

1 - подложка; 2- фронт травления при нормальном режиме; 3- фронт травления при «перетравливании»; 4- фотомаска

Обработка пластин считается законченной, если в течение 15— 20 с. дополнительного травления цвет в вытравленных окнах не изменяется. Изменение размеров воспроизводимых элементов не должно превышать допусков, указанных в конструкторской документации. После травления контрольной пластины приступают к травлению рабочей партии пластин.

Конечный результат травления — конфигурация вытравленного профиля элементов схемы — определяется:

• 
  условиями формирования защитной фоторезистивной пленки (вязкость, чистота, качество нанесения и т. д.);
  
• 
  адгезией пленки ФР к поверхности (степень загрязненности поверхности под ФР, правильно выбранный режим термообработки пленки на этапах «сушка», «дубление»);
  
• 
  геометрией вытравливаемых элементов (влияние «клина» проявления на ширину «узких» элементов);
  

Химическое травление чистых полупроводников основано на окислении их поверхности и удалении (растворении) образовавшегося оксида. Соответственно травители, применяемые для травления полупроводников, состоят из окислителя и растворителя, а также добавок, вызывающих ускорение или замедление химических реакций.

Большую часть травителей для германия и кремния представляет собой смеси на основе плавиковой HF и азотной HN0₃ кислот. В процессе травления кремний, взаимодействуя с азотной кислотой, образует оксид, который затем растворяется в плавиковой кислоте:

Si + 2HNО₃ → SiО₂ + NO₂ ↑+ NO↑+ Н₂О

SiО₂ + 4HF → SiF₄ ↑ + 2H₂О

Скорость образования оксида кремния должна быть ниже скорости непрерывного удаления SiО₂ с поверхности. Для этого в состав травителя вводят замедлитель процесса окисления — уксусную кислоту СН₃СООН.

В зависимости от рельефа поверхности и содержания плавиковой кислоты применяют медленные травители (для мелких рельефов скорость травления ~0,1 мкм/мин) и быстрые (для глубоких рельефов скорость травления 4 - 8 мкм/мин). Соотношение компонентов травителя HF : HNО₃: СН₃СООН для медленных травителей ~ 1 : 7 : 3, для быстрых ~ 1 : 3 : 1.

В производстве полупроводниковых приборов и ИМС большую часть фотолитографических процессов проводят на слое оксида кремния Si0₂, который активно растворяется в плавиковой кислоте:

SiО₂ + 4HF→ SiF₄ ↑ + 2Н₂О

Скорость реакции достаточно высока, однако выделяющийся при этом газообразный четырехфтористый кремний приводит к образованию трещин в пленке фоторезиста и его отслаиванию на границе проявленных элементов. Это вызывает появление толстого, рваного клина и растравливание оксида под слоем фоторезиста. Поэтому для травления SiО₂ часто применяют травитель (буферный) с замедляющей добавкой, которой является фтористый аммоний NH₄F. Процесс травления SiО₂ в таком травителе происходит следующим образом:

SiО₂ + 4HF + 2NH₄F →(NH₄)₂SiF₆ + 2Н₂О

Рекомендуемый состав буферного травителя: плавиковая кислота (48%), фтористый аммоний (40%) и вода в соотношении 2:7:1.

Качество вытравленного рельефа на различных оксидах зависит от применяемого травителя, соотношения его компонентов, температуры травления и состояния обрабатываемой поверхности. Увеличение концентрации кислоты в травителе повышает скорость травления SiО₂, но качество вытравленного рельефа при этом ухудшается. Увеличение концентрации фтористого аммония уменьшает скорость травления SiО₂ и улучшает качество вытравленного рельефа.

Повышение температуры травильного раствора увеличивает скорость травления диоксида кремния, однако качество вытравленного рельефа при этом ухудшается. Оптимальная температура травления 20°С.

О полном удалении оксида свидетельствует изменение интерференционных цветов или характера смачивания поверхности пластины -«свидетеля». При стравливании SiО₂ поверхность переходит из гидрофильного в гидрофобное состояние: обнажившийся кремний не смачивается травителем.

Нитрид кремния Si₃N₄ обладает высокой стойкостью к большинству химических реагентов. Пленки нитрида кремния слабо растворяются в соляной, серной, азотной кислотах, а также в водных растворах щелочей.

Для травления нитрида кремния используют 87%-ную ортофос-форную кислоту Н₃Р0₄, насыщенную фосфорным ангидридом Р2О5 из расчета 9,5 г Р₂О₅ на каждые 58 мл Н₃РО₄. Оптимальная температура травления 180 - 200°С, скорость ~ 10 нм/мин.

Маски из фоторезиста не могут обеспечить качественного травления нитрида кремния в столь жестких условиях. При воздействии кипящей концентрированной ортофосфорной кислоты на фоторезист происходит его растрескивание и отслаивание. В качестве защитной маски в данном случае используют диоксид кремния толщиной 0,20 – 0,25 мкм. На операцию фотолитографии поступают кремниевые пластины с двухслойной поверхностной структурой — пленкой нитрида кремния толщиной 0,15—0,20 мкм, закрытой маской диоксида кремния.

На первом этапе проводят фотолитографию по слою диоксида кремния с последующим локальным травлением его в буферном травителе. После снятия защитной маски фоторезиста приступают к травлению нитрида кремния.

При изготовлении металлизированной разводки, формировании топологии контактных площадок приборов проводят фотолитографию по слою металла (алюминия, золота, хрома и др.).

При травлении алюминия наблюдается значительное изменение линейных размеров элементов, большой клин травления, низкая воспроизводимость процесса. Это объясняется плохой адгезией фоторезиста к алюминию вследствие значительного изменения краевого угла его смачивания (20—80°).

При создании масок из негативных фоторезистов для травления алюминия используют 20%-ные щелочи КОН или NaOH, нагретые до 60 - 90°С. Химическая реакция алюминия со щелочью может быть представлена следующим уравнением:

2А1 +2NaOH + 6Н₂0 → 2Na [ А1 (ОН₄)] + ЗН₂↑

При создании масок из позитивных фоторезистов для травления алюминия используют составы на основе ортофосфорной кислоты при 60 - 70°С:

2А1+ 6Н₃РО₄ → 2А1 (H₂РО₄)₃+ЗН₂О

Для травления золота применяют смесь концентрированных кислот НС1: HNО₃=3: 1 (царскую водку), а также травитель, состоящий из йодистого калия KJ, йода J₂ и воды в соотношении 4:1:1.

Химическое удаление фоторезиста чаще всего производят его растворением в кипящей концентрированной серной кислоте (двух- и трехкратное кипячение по 5- 10 мин). При этом происходит химическая деструкция (разрушение) полимеров. После обработки в серной кислоте требуется тщательная отмывка подложек деионизованной водой.

Для подложек, взаимодействующих с серной кислотой, применяют кипячение или длительную выдержку в органических растворителях (ацетоне, метилэтилкетоне, целлозольве). После разбухания пленки фоторезиста ее удаляют влажным тампоном.

Химическое травление и удаление фоторезиста характеризуется: агрессивностью реагентов; зависимостью интенсивности процессов от температуры реагентов; необходимостью нейтрализации химических реагентов после окончания процессов обработки.

Для формирования топологии химическим способом используют установки, входящие в комплекс универсального оборудования. Обработку производят во фторопластовых ваннах, снабженных нагревателями и эжекторами для откачки реагентов после окончания технологического процесса.

2. 
   Плазменные методы обработки (сухие)
   

При «сухих» методах существенно уменьшено боковое подтравливание, характерное для химического жидкостного травления (рис. 30, а), поэтому клин травления уменьшается, и вертикальный профиль рельефного рисунка элементов приближается к идеальному (рис. 30, б-г). Кроме того, «сухое» травление слабо зависит от адгезии защитной маски ФР к подложкам, которые после обработки не требуют операций промывки и сушки. При соответствующем подборе режимов и рабочих сред оно обладает высокой степенью анизотропии и селективности.

Плазма представляет собой ионизированный газ, состоящий из почти равных количеств положительно и отрицательно заряженных частиц. В методах плазменного травления используют слабоионизированные газы, получаемые с помощью электрических разрядов при низких давлениях – низкотемпературную газоразрядную плазму. Неупругие столкновения молекул газа с электронами, разогнанными электрическим полем, приводят к образованию ионов и электрически нейтральных свободных радикалов, образующихся при диссоциации молекул рабочего газа и проявляющих высокую химическую активность. В зависимости от состава рабочего газа, давления и энергии ионов плазмы характер процессов может меняться от чисто физического (распыление) до чисто химического (травление).

Рис. 30. Профили элементов рисунка после травления: а – жидкостного, б – ионно-химического, в,г – плазмохимического. 1- слои ФР, 2 – технологический слой

При физическом распылении используется высокая кинетическая энергия плазменных частиц. Они ускоряются электрическим полем до необходимых энергий и приобретают способность при соударении с поверхностью материала физически распылять его. При химическом характере процессов используется потенциальная энергия частиц, определяемая наличием ненасыщенных химических связей у свободных радикалов. Взаимодействие таких частиц с обрабатываемым материалом ведет к формированию летучих химических соединений.

При физическом распылении поверхность образца постепенно удаляется бомбардировкой потоком ионов высокой энергии. Физическое распыление происходит в том случае, если энергия ионов, бомбардирующих поверхность твердого тела, превышает энергию химической связи атомов распыляемого материала. При этом импульс, сообщаемый атому ионами, должен быть направлен от поверхности твердого тела наружу.

Эффективность удаления материала бомбардирующими ионами характеризуется коэффициентом распыления S, который определяется количеством атомов, испускаемых подложкой на каждый падающий ион. Коэффициент распыления зависит от обрабатываемого материала, вида бомбардирующих атомов, их энергии, угла падения ионов и давления газов. При увеличении энергии падающих ионов коэффициент распыления быстро растет, достигая величины, равной единице при энергиях в несколько сотен электрон-вольт. Выше этого уровня начинается область насыщения. Эффективный режим ионного травления соответствует энергиям частиц от нескольких сотен до тысячи электрон-вольт.

В качестве бомбардирующих в установках ионного травления используют ионы инертных газов — аргона, ксенона и др. Наряду с высокой распылительной способностью ионы этих газов не вступают в химические реакции с материалом мишени. Добавление химически активного газа (например, кислорода) в плазму аргона изменяет скорости травления вследствие химического взаимодействия между подложкой и добавленным газом. Введение кислорода уменьшает скорость распыления таких металлов, как Ti, Gr, А1 и других легко окисляемых материалов, но мало влияет на большинство благородных металлов, например Аu и Pt.

В современных установках физического распыления используют ионно-лучевое травление, при котором ионный луч генерируется в источнике плазмы, изолированном от обрабатываемой поверхности (рис. 31), а также ВЧ-травление, при котором подложки располагаются на катоде в зоне плазмообразующего разряда (рис. 32).

Рис. 31. Схема ионно-лучевого травления с автономным ионным источником: 1- камера подложек, 2- подложки, 3 – нейтрализатор (источник электронов), 4 – ионный источник, 5 – соленоид, 6 – натекатель, 7 – анод, 8 - термокатод, 9 – вытягивающая система, 10 – вращающийся подложкодержатель

Рис. 32. Схема процесса ВЧ-распыления: 1 – анод, 2 – плазменный разряд, 3 – темное пространство, 4 – катод с подложками

Как видно из таблицы, скорость травления фоторезиста соизмерима со скоростью травления большинства материалов подложки. Следовательно, толщина фоторезистивных масок при использовании ионного распыления должна составлять 3-7 мкм.

Увеличение толщины фоторезистивной маски приводит к снижению разрешающей способности фотолитографии. Поэтому в качестве масок следует использовать не фоторезист, а металлы с низкой скоростью травления (Ti, V, Сг, Та, А1), которые, с одной стороны, легко наносятся, а с другой — легко растворяются слабыми кислотами.

Основным недостатком ионного травления является его низкая селективность: относительные скорости травления для пленок двух различных материалов отличаются не более чем в 20 раз. Другим недостатком данного вида обработки является запыление (реиспарение) распыляемого материала. При реиспарении поверхность травления быстро покрывается пленкой толщиной несколько монослоев, которая представляет собой смесь материалов маски, подложки и катода. Вследствие этого все материалы обрабатываемой структуры травятся с одинаковой скоростью. Кроме того, при ионном травлении наблюдаются радиационные повреждения, вводимые ионами в оксид и поверхностный слой полупроводника.

В зависимости от среды, в которой находятся подложки, плазмо-химическое травление подразделяют на:

- плазменное (образцы находятся непосредственно в плазме химически активных газов);

- радикальное (образцы находятся в вакуумной камере, отделенной от газоразрядной с химически активной плазмой перфорированными металлическими экранами или магнитными и электрическими полями).

Для плазмо-химического травления различных материалов и удаления фоторезиста используют, как правило, ВЧ-газоразрядную плазму. В качестве рабочей среды применяют галогеносодержащие газы (CF₄, C₃F₈, CHF₃ и т. д.), химически активные радикалы которых участвуют в различных процессах - травлении, полимеризации, газофазных реакциях. Скорость плазмо-химического травления зависит от давления травящего газа, мощности электрического разряда, температуры и скорости газового потока, что отрицательно сказывается на воспроизводимости процесса и требует его стабилизации.

Основой плазмо-химического травления кремния является химическая реакция между радикалом фтора (F* ) и кремнием, в результате которой происходит образование летучего соединения - четырехфтористого кремния SiF₄. Аналогично происходит удаление кремния с поверхности при травлении его диоксида и нитрида. При температуре выше 80°С SiF₄ летуч. Реакции плазмо-химического травления кремния и кремнийсодержащих соединений SiО₂ и Si₃N₄ в общем виде приведены ниже:

4F* + Si → SiF₄ ↑

4F* + Si0₂→ SiF₄ ↑+О₂

12F* + Si₃N₄ →3SiF₄ ↑ +2N₂↑

Плазмо-химическое травление в обычных условиях (т. е. при давлении 10—100 Па и незначительной ионной бомбардировке поверхности), так же как и жидкостное травление, является изотропным процессом, при этом боковое подтравливание равно глубине травления. Анизотропное плазмо-химическое травление получают при условии направленного воздействия активных частиц на обрабатываемую поверхность.

Хаотическое воздействие активных ионов на обрабатываемую поверхность снижается, если длина свободного пробега иона λ_i рабочего газа больше толщины ионного слоя у поверхности d_i, в пределах которого они ускоряются (рис. 33, б). При λ_i < di происходит столкновение ионов с нейтральными атомами и молекулами, приводящее к изменению направления их движения и хаотическому воздействию на поверхность, вызывая травление боковых стенок (рис. 33, а). Поэтому для получения анизотропного травления давление должно быть меньше 10 Па. Введение водорода в плазму CF₄ также приводит к прекращению травления на вертикальных стенках и увеличению его анизотропности.

Для удаления фоторезиста используют низкотемпературную кислородную плазму при давлении 5∙10² Па. В такой плазме происходит ряд химических превращений, в результате которых образуются активные частицы: атомарный кислород, озон, возбужденные молекулы кислорода. Взаимодействие кислорода с фоторезистом приводит к образованию СО₂, NО₂, Н₂О и других летучих соединений. Введение в кислородную плазму 1% азота позволяет увеличить скорость удаления фоторезиста на 20%, а 1% водорода - на 100% по сравнению со скоростью удаления в чистой кислородной плазме. Эти добавки приводят к увеличению степени диссоциации кислорода и, соответственно, к росту концентрации химически активных частиц плазмы.

Скорость окислительного разрушения и удаления фоторезиста в плазме зависит от количества активного кислорода (рабочего давления в камере), его расхода, содержания и вида примесей в кислороде, типа фоторезиста и толщины его слоя, конструктивных особенностей установки и ВЧ-мощности в разряде.

Рис. 33. Модель плазменного травления при λ_i ≤ di (а)

и λ_i > di (б): 1 – ионы, 2 – радикалы, 3 – электроны,

4 – маска, 5 – подложка

Рис. 34. Цилиндрический реактор плазмохимического травления с объемным расположением подложек: 1 – стенки реактора (кварц),

2 – лодочка (кварц), 3 – подлодки, 4 – перфорированный цилиндр (металл), 5 – область ВЧ-разряда, 6 - ВЧ-генератор
Перфорированный цилиндр внутри реактора защищает пластины от непосредственной бомбардировки электронами и ионами, тогда как активные ионы и радикалы, имеющие относительно большое время жизни, проникают к пластинам через перфорированные стенки цилиндра.

Благодаря высокой производительности цилиндрического реактора он хорошо подходит для выполнения таких операций, как снятие ФР. Однако этот реактор, как правило, не годится для анизотропного травления. Поэтому реакторы данного типа не пригодны для большинства операций травления при изготовлении СБИС, требующих высокого разрешения и точности.

Несмотря на сравнительно низкие показатели по производительности, планарные реакторы находят все более широкое применение, так как позволяют выполнять прецизионное анизотропное травление. Более того, они обеспечивают повышенную избирательность (селективность) и позволяют выполнять такие операции, которые для цилиндрических реакторов недоступны, в частности травление контактных окон.

Рис. 35. Планарный реактор с плоскими электродами: 1, 2 – нижний и верхний электроды, 3 – подложки, 4 – область плазменного разряда, 5 - цилиндрический корпус (стекло, кварц), 6 – система газораспределения

Ионно-химическое травление осуществляют в тех же установках, что и ионное травление, только в качестве рабочего используют не инертный, а химически активный газ. В диодных системах в большинстве случаев используют для получения плазмы ВЧ-напряжение, обеспечивающее стабильный разряд в химически активных газах. В установках с автономными ионными источниками (см. рис. 31) нельзя применять накаливаемый катод, который быстро выходит из строя при взаимодействии с химически активной плазмой.

К преимуществам ионно-химического и плазмо-химического травления по сравнению с ионным также относится большая скорость обработки, обусловленная сочетанием физического (бомбардировка) и химического (активный газ) воздействий. Создание в реакторах магнитного поля увеличивает скорость и селективность любого из этих методов травления в результате повышения ионизации молекул рабочего газа.

Плазменное травление по сравнению с жидкостным химическим дает небольшое преимущество по надежности и выходу годных микросхем с большими технологическими проектными нормами (3-5 мкм). Но при более жестких нормах (1-2 мкм и менее) применение только этих методов позволяет изготавливать приборы и структуры, которые находятся за пределами возможностей методов жидкостного химического травления.

Основными преимуществами «сухих» методов обработки в ФЛ являются возможности удаления фоторезистивной маски после травления в едином технологическом цикле, очистка подложек от остатков ФР и других загрязнений, а также слабая зависимость процесса его удаления от предшествующих режимов термообработки (задубливания). Кроме того, «сухие» методы обеспечивают высокую чистоту подложек и не токсичны.