Учебно-методический комплекс по дисциплине “технология изделий электронно-оптической техники” для студентов специальности т 08. 03. 00 «Электронно-оптические системы и технологии»
|
|
Скачать 2.83 Mb.
|
|
Фотолитография — это сложный технологический процесс, основанный на использовании необратимых фотохимических явлений, происходящих в нанесенном на подложки слое фоторезиста при его обработке ультрафиолетовым излучением через маску (фотошаблон). Технологический процесс фотолитографии можно разделить на три стадии: формирование фоторезистивного слоя (обработка подложек для их очистки и повышения адгезионной способности, нанесение фоторезиста и его сушка); формирование защитного рельефа в слое фоторезиста (совмещение, экспонирование, проявление и сушка слоя фоторезиста, т. е. его задубливание); создание рельефного изображения на подложке (травление технологического слоя — пленки SiO2, Si3N4, металла, удаление слоя фоторезиста, контроль). Последовательность выполнения основных операций при фотолитографии показана на рисунке 3. Поверхность подложек предварительно очищают, чтобы обеспечить их высокую смачиваемость и адгезию фоторезиста, а также исключить посторонние включения. Затем на подложки тонким слоем наносят слой фоторезиста (светочувствительную полимерную композицию) и сушат его для удаления растворителя. Совмещение фотошаблона с подложкой и экспонирование выполняют на одной установке. Цель операции совмещения — совпадение рисунка фотошаблона с нанесенным на предыдущей операции на подложку рисунком. Далее слой фоторезиста экспонируют — подвергают воздействию ультрафиолетового  Рисунок 7.2.1. Последовательность выполнения основных операций при фотолитографии излучения через фотошаблон. В результате этого рисунок с фотошаблона переносится на слой фоторезиста. При проявлении слоя фоторезиста отдельные его участки вымываются и на подложке при использовании позитивного фоторезиста остаются неэкспонированные (незасвеченные) участки, а если применялся негативный фоторезист, то экспонированные. Затем слой фоторезиста термообрабатывают при повышенной температуре, т. е. задубливают, вследствие чего происходит его частичная полимеризация и повышается стойкость к травителю. Заканчивается процесс фотолитографии травлением незащищенных фоторезистом участков подложки, созданием рельефного рисунка на технологическом слое и удалением остатков фоторезиста. Таким образом, слой фоторезиста служит для передачи рисунка с фотошаблона на технологический слой. ^ Фоторезисты — это светочувствительные материалы с изменяющейся по действием света растворимостью, устойчивые к воздействию травителей и применяемые для переноса изображения на подложку. Фоторезисты являются многокомпонентными мономерно-полимерными материалами, в состав которых входят: светочувствительные (поливинилциннаматы — в негативные фоторезисты и нафтохинондиазиды - в позитивные) и пленкообразующие (чаще всего это различные фенолформальдегид-ные смолы, резольные и новолачные смолы) вещества, а также растворители (кетоны, ароматические углеводороды, спирты, диоксан, циклогексан, диметилформамид и др.). В процессе фотолитографии фоторезисты выполняют две функции: с одной стороны, являясь светочувствительными материалами, они позволяют создавать рельеф рисунка элементов, а с другой, обладая резистивными свойствами, защищают технологический слой при травлении. Как уже отмечалось, рельеф образуется в результате того, то под действием актиничного излучения, падающего через фотошаблон на определенные участки слоя фоторезиста, он изменяет свои первоначальные свойства. Для большинства фоторезистов актиничным является ультрафиолетовое излучение. . В основе создания рельефа в пленке негативных фоторезистов лежит использование фотохимической реакции фотоприсоединения - фотополимеризацш, а в пленке позитивных фоторезистов - реакции фоторазложения - фотолиза. При фотополимеризации происходит поперечная сшивк; молекул полимера, в результате чего они укрупняются. Поел* экспонирования под действием актиничного излучения изме няется структура молекул полимера, они становятся трехмер ными и их химическая стойкость увеличивается. При фотолизе в фоторезисте под воздействием актиничного излучения у молекул полимера происходит обрыв слабых связей и образуются молекулы менее сложной структуры. Таким образом, фотолиз является процессом, противоположных фотополимеризации. Получающийся в результате фотолиз, полимер обладает пониженной химической стойкостью. Многие полимерные вещества, из которых изготовляю: фоторезисты, содержат функциональные группы, поглощающие свет в ультрафиолетовой области спектра. Собственная светочувствительность полимера при введении в него специальные добавок — стабилизаторов и сенсибилизаторов* может изменяться в широких пределах. Одна и та же добавка для различных полимеров может служить и стабилизатором и сенсибилизатором. Объясняется это тем, что эффект действия добавок определяется не только их химическим составом, но и энергетическим взаимодействием с исходным полимером. В зависимости от характера протекающих в фоторезисте фотохимических реакций определяется и тин фоторезиста — позитивный или негативный. Негативные фоторезисты под действием актиничного излучения образуют защищенные участки рельефа. После термообработки - задубливания - в результате реакции фотополимеризации освещенные при экспонировании участки не растворяются в проявителе и остаются на поверхности подложки. При этом рельеф представляет собой негативное изображение элементов фотошаблона. В качестве негативных фоторезистов применяют составы на основе сложного эфира поливинилового спирта  и коричной кислоты С6Н5—СН = СН—СООН . Эти составы называют поливинилциннаматами (ПВЦ) и их формула имеет вид R1 — [O — R2]n , где R1 — макромолекула поливинилового спирта, содержащая большое количество атомов; R2 - светочувствительные циннамоильные группы, представляющие собой продукты коричной кислоты. Молекулы ПВЦ представляют собой длинные спирали, состоящие из десятков тысяч атомов (молекулярная масса до 200 тыс. ед.). При поглощении фотонов ультрафиолетового излучения в результате фотохимической реакции фотополимеризации происходит разрыв слабой двойной связи — С = С -циннамоильной группы и образовавшиеся свободные связи сшивают молекулы полимера в химически стойкую трехмерную структуру. В зависимости от способов получения и свойств исходных продуктов фоторезисты на основе ПВЦ могут обладать различными характеристиками по светочувствительности, разрешающей способности, кислотостойкое и др. Фоторезисты на основе ПВЦ представляют собой белый порошок, растворяющийся в органических растворителях (смесях толуола с хлорбензолом, ацетата этиленгликоля с метаксилолом и др.). Проявителями для этих фоторезистов служит трихлорэтилен или его смесь с изопропиловым спиртом. Время проявления 0,5 — 1 мин. Фоторезисты на основе ПВЦ имеют удовлетворительную кислотостойкость: они не выдерживают воздействия концентрированной плавиковой кислоты, но устойчивы к травителям с небольшим ее содержанием. Повышенной кислотостойкостью обладают негативные фоторезисты на основе изопропилового каучука, циклокаучука и других каучуков с различными добавками. Так как сами каучуки не являются светочувствительными веществами, в состав фоторезистов вводят светочувствительные диазосоеди-нения — сенсибилизаторы. Под действием света молекула диа-зосоединения разлагается с потерей молекулы азота, образуя новые вещества — нитрены, которые вступают в реакцию с макромолекулами каучука. В результате образуется стойкая трехмерная структура. Растворителем для таких фоторезистов служит смесь ксилола с толуолом, а в качестве проявителей используются составы на основе ксилола^ толуола, уайт-спирита. Примерами негативных фоторезистов являются ФН-11, ФН-11К, ФН-4ТВ, ФН-ЗТ и ФН-106. Негативные фоторезисты чувствительны к ультрафиолетовому излучению в диапазоне длин волн 260 - 320 нм. При добавлении стабилизаторов светочувствительность увеличивается в 100 — 300 раз. Разрешающая способность негативных фоторезистов 100 — 300 лин/мм при толщине слоя от 0,3 до 0,5 мкм. Современные негативные фоторезисты обеспечивают формирование микроизображений с шириной линий 2 —■ 3 мкм. Позитивные фоторезисты, наоборот, передают один к одному рисунок фотошаблона, т. е. рельеф повторяет конфигурацию его непрозрачных элементов. Актиничное излучение так изменяет свойства позитивного фоторезиста, что при обработке в проявителе экспонированные участки слоя разрушаются и вымываются. В позитивных фоторезистах при освещении происходит распад молекул полимера и уменьшается их химическая стойкость. В качестве позитивных фоторезистов используют смеси сульфоэфиров нафтохинондиазидов (НХД) с фенолформаль-дегидными смолами (новолачными или резольными) в органических растворителях. Светочувствительной основой такого фоторезиста является НХД, а смола играет роль кислотостойкого полимера. При экспонировании в результате фотохимических реакций фотолиза гидрофобные производные НХД разрушаются и становятся гидрофильными, приобретая способность растворяться в слабых водных растворах щелочей, которые и являются проявителем для позитивных фоторезистов. Позитивные фоторезисты и режимы их обработки Та б л и ц а 7.2.1.
Примечани е. ДМФА - диметилформамид; МЦА — метилцеллозольвацетат; ЭЦА — этилцеллозольвацетат. Растворителями позитивных фоторезистов являются спирты, кетоны, ароматические углеводороды, диоксан, ксилол или их смеси. Позитивные фоторезисты на основе НХД чувствительны к ультрафиолетовому излучению в диапазоне длин волн 250 — 450 нм. Разрешающая способность их выше, чем негативных фоторезистов (500 — 600 лин/мм при толщине слоя 1 мкм), что позволяет формировать микроизображения с шириной линий 1—2 мкм. Позитивные фоторезисты обладают высокой кислотостойкостыо; выдерживают действие концентрированных плавиковой и азотной кислот. Основные позитивные фоторезисты и режимы их обработки приведены В таблице 1. 7.3.Фоторезисты (ФР), виды, требования к ним, методы нанесения Основными параметрами фоторезистов являются светочувствительность, разрешающая способность, кислотостойкость, адгезия к подложке и технологичность. СветочувствительностьS, см2 /(Вт • с),- это величина, обратная экспозиции, т. е. количеству световой энергии, необходимой для облучения фоторезиста, чтобы перевести его в нерастворимое (негативный) или растворимое (позитивный) состояние :  (7.3.1)где Н - экспозиция Вт • с/см ; Е — энергооблученноеть, Вт/см2; t — длительность облучения, с, Точную характеристику светочувствительности можно получить, учитывая не только процесс экспонирования, но и проявления. Так как проявитель химически взаимодействует с экспонированными и неэкспонированными участками слоя фоторезиста, процесс проявления оказывает прямое влияние на его светочувствительность. В прямой зависимости от процесса проявления, а следовательно, и светочувствительности фоторезиста находится качество формируемого в его слое при проявлении рисунка элементов. Таким образом, критерием светочувствительности фоторезиста служит четкость рельефа рисунка в его слое после проведения процессов экспонирования и проявления. При этом рельеф рисунка должен иметь резко очерченную границу между областями удаленного и оставшегося на поверхности подложки слоя фоторезиста. Критерием светочувствительности негативных фоторезистов является образование после экспонирования и проявления на поверхности подложки локальных полимеризованных участков — рельефа рисунка, т. е. полнота прохождения фотохимической реакции полимеризации (сшивки) молекул основы фоторезиста. Критерием светочувствительности позитивных фоторезистов является полнота разрушения и удаления (реакция фотолиза) с поверхности подложки локальных участков слоя фоторезиста после экспонирования и проявления и образование рельефного рисунка. Фоторезисты характеризуются также пороговой светочувствительностью Sn = 1/H1, определяемой началом фотохимической реакции. Светочувствительность и пороговая светочувствительность фоторезиста зависят от толщины его слоя, а также состава и концентрации проявителя. Поэтому, говоря о значении светочувствительности и пороговой светочувствительности, учитывают конкретные условия проведения процесса фотолитографии. Определяют светочувствительность экспериментально, исследуя скорость проявления фоторезиста, которая зависит от степени его облучения. ^ это один из самых важных параметров фоторезистов, характеризующий их способность к созданию рельефа рисунка с минимальными размерами элементов. Разрешающая способность фоторезиста определяется числом линий равной ширины, разделенных промежутками такой же ширины и умещающихся в одном миллиметре. Для определения разрешающей способности фоторезистов используют штриховые миры, представляющие собой стеклянные пластины с нанесенными на их поверхность штрихами шириной от одного до нескольких десятков микрометров. Разрешающую способность определяют проводя экспонирование подложки, покрытой слоем фоторезиста, через штриховую миру, которую используют в качестве фотошаблона. После проявления выделяется участок с различными штрихами наименьшей ширины, которые и характеризуют разрешающую способность данного фоторезиста. Следует различать разрешенную способность фоторезиста и разрешающую способность процесса фотолитографии, которая зависит от режимов травления. На практике необходимо ориентироваться на разрешающую способность фотолитографического процесса. При эпитаксиально-планарной технологии разрешающая способность фотолитографии — это предельное количество линий в одном миллиметре, вытравленных в слое диоксида кремния толщиной 0,5 — 1,0 мкм через промежутки равной ширины. Разрешающая способность лучших современных фоторезистов достигает 1500 — 2000 линий/мм. Разрешающая способность отечественных фоторезистов ФП-383 и ФП-РН-7 составляет 400 — 500 линий/мм, что позволяет получать контактной и проекционной фотолитографией рисунки элементов, соответственно имеющие размеры 1,25 — 1,5 и 0,5 — 0,6 мкм. Кислотоетойкостъ — это способность слоя фоторезиста защищать поверхность подложки от воздействия кислотного травителя. Критерием кислотостойкости является время, в течение которого фоторезист выдерживает действие травителя до момента появления таких дефектов, как частичное разрушение, отслаивание от подложки, локальное точечное расстрав-ливание слоя или подтравливание его на границе с подложкой, Стойкость фоторезиста к химическим воздействиям зависит не только от состава, но и от толщины и состояния его слоя. Поэтому кислотостойкость оценивают фактором травления К = h/х.,(где h - глубина травления; х - боковое подтравливание) . Таким образом, чем меньше боковое подтравливание при заданной глубине травления, тем выше кислотостойкость фоторезиста. Боковое подтравливание характеризуется клином травления. Адгезия - это способность слоя фоторезиста препятствовать проникновению травителя к подложке по периметру создаваемого рельефа рисунка элементов. Критерием адгезии является время отрыва слоя фоторезиста заданных размеров от подложки в ламинарном потоке проявителя. В большинстве случаев адгезию считают удовлетворительной, если слой фоторезиста 20x20 мкм2 отрывается за 20 мин. Об адгезии фоторезиста к подложке можно судить по углу смачивания, т. е. состоянию поверхности подложки. Стабильность свойств фоторезистов характеризуется их сроком службы при определенных условиях хранения и эксплуатации и обеспечение ее является одной из важнейших проблем производства изделий микроэлектроники.^ Качество процесса фотолитографии во многом определяется механическим и физико-химическим состоянием поверхности подложек. Механическое состояние поверхности подложек влияет на точность получения элементов рисунка, поэтому любые неровности, микробугорки, впадины, царапины и риски приводят к их искажению. Кроме того, при нанесении слоя фоторезиста эти дефекты вызывают появление пузырьков или проколов в слое фоторезиста. Необходимое качество поверхности подложек обеспечивается на начальных стадиях их изготовления механической обработкой: резкой слитков на пластины, шлифовкой и полировкой пластин, в результате которой их поверхность доводится до зеркального блеска и приобретает идеальную плоскостность и плоскопараллельность. Физико-химическое состояние поверхности подложек влияет на ее смачиваемость и адгезию фоторезиста. Поэтому на рабочих поверхностях подложек не должно быть инородных частиц, а также адсорбированных атомов и ионов жидкостей и газов. Так как большинство фоторезистов содержит в своей основе полимеры, обладающие гидрофобными свойствами, то и поверхность подложек должна быть гидрофобной. Критерием оценки состояния поверхности подложки может служить краевой угол ее смачивания каплей деионизованной воды. Если капля воды растекается по поверхности подложки, т. е. ее угол смачивания менее 40 °, такую поверхность называют гидрофильной. Поверхность, на которой капля воды не растекается и образует угол смачивания более 90 °, называют гидрофобной. При фотолитографии необходимо, чтобы поверхность подложек была гидрофильна к фоторезисту и гидрофобна к травителю, тогда вытравленный рисунок будет точно повторять рисунок фотошаблона. Перед нанесением слоя фоторезиста или какой-либо пленки полупроводниковые подложки для удаления органических загрязнений обрабатывают в химических реактивах, а затем подвергают гидромеханической отмывке (Рисунок 7.3.1,а, б).  Рисунок 7.3.1. Схемы гидромеханической отмывки подложек цилиндрической (а) и конической (б) щетками: 1 - форсунка, 2 - щетки, 3 - подложка Для формирования полупроводниковых структур используют пленки полупроводников (Si, Ge, GaAs), диэлектриков (оксида SiO2 и нитрида Si3N7.3.1 кремния, примесно-силикатных стекол) и металлов (Al, V, W, Ti, Аи), а также силицидов и оксидов тугоплавких металлов. Поверхность подложек с выращенными термическим окислением пленками SiO2 сразу после образования пленки гидрофобна. Поэтому рекомендуется непосредственно после окисления, не превышая межоперационное время более 1 ч, передавать подложки на фотолитографию. Через несколько часов поверхность подложек с пленкой SiO2 становится гидрофильной, на ней адсорбируются молекулы воды из атмосферы, угол смачивания уменьшается до 20 - 30 ° и адгезия фоторезиста падает, что приводит к браку. Для придания поверхности таких подложек гидрофобных свойств их термообрабатывают при 700 — 800 ° С в сухом инертном газе или в вакууме. Если слой фоторезиста наносят на пленку примесно-силикат-ного стекла, следует иметь в виду, что поверхность боросиликат-ного стекла гидрофобна и аналогична по поведению пленке SiO2 а фосфоросиликатного стекла гидрофильна (угол смачивания не превышает 15 °). Гидрофобные свойства поверхности фосфоросиликатного стекла придают термообработкой при 100 — 500 °С в течение 1 ч в сухом инертном газе или в вакууме. Режим термообработки выбирают в зависимости от технологии изготовления и конструкции микроэлектронного изделия. Гидрофобность силикатных стекол повышают также обработкой их в трихлорэтилене или ксилоле. Характеристики поверхности пленок Al, V, W, Ti и Аu наносимых вакуумным распылением, зависят от режима проведения процесса и смачиваемости подложек. Перед фотолитографией пленки обязательно обезжиривают в растворителях. Эффективным методом повышения адгезии фоторезиста к пленке является ее обработка в парах специальных веществ — адгезивов, придающих поверхности гидрофобные свойства. Наиболее распространенным адгезивом является гексаметил-дисилазан. Нанесение слоя фоторезиста. Нанесенный на предварительно подготовленную поверхность подложек слой фоторезиста должен быть однородным по толщине по всему их полю, без проколов, царапин (т. е. быть сплошным) и иметь хорошую адгезию. Наносят слой фоторезиста на подложки в обеспыленной среде, соблюдая технологические режимы. Используемый фоторезист должен соответствовать паспортным данным. Перед употреблением его необходимо профильтровать через специальные фильтры, а в особо ответственных случаях (при производстве БИС) обработать на центрифуге при частоте вращения 10 - 20 тыс. об/мин в течение нескольких часов. Это делают для того, чтобы удалить из фоторезиста инородные микрочастицы размером менее 1 мкм, которые могут привести к браку фоторезистивного слоя. Кроме того, необходимо проверить вязкость фоторезиста и довести ее до нормы. Для нанесения слоя фоторезиста на подложки используют методы центрифугирования, пульверизации, электростатический, окунания и полива. Кроме того, применяют накатку пленки сухого фоторезиста. Методом центрифугирования (Рисунок 7.3.2), наиболее широко используемым в полупроводниковой технологии, на несложном оборудовании наносят слои фоторезиста, толщина которых колеблется в пределах ± 10 %. При этом методе на подложку 2, которая устанавливается на столике 3 центрифуги и удерживается на нем вакуумным присосом, фоторезист подается капельницей-дозатором 1. Когда столик приводится во вращение, фоторезист растекается тонким слоем по поверхности подложки, а его излишки сбрасываются с нее и стекают по кожуху 4. При вращении центрифуги с большой частотой происходит испарение растворителя и вязкость фоторезиста быстро возрастает.  Рисунок 7.3.2 (cлева). Установка несения слоя фоторезиста центрифугированием: 1 — дозатор (капельница), 2 — подложка, 3 - столик, 4 - кожух для сбора избытка фоторезиста, 5 - вакуумные уплотнители, 6 - электродвигатель, 7 - трубопровод к вакуумному насосу Рисунок 7.3.3(справа). Зависимость толщины слоя фоторезиста от частоты вращения центрифуги при различных коэффициентах его вязкости: 1 - v 0,05 см/с, 2 - v = 0,04 см/с, 3 - v = 0,02 см/с Наносимые центрифугированием слои фоторезиста могут иметь дефекты в виде "комет", образующиеся, если на поверхности подложек имелись остаточные загрязнения или фоторезист был плохо отфильтрован. Такие дефекты выглядят, как направленные от центра локальные утолщения или разрывы слоя фоторезиста. Полуавтомат для нанесения слоя фоторезиста центрифугированием состоит из блоков центрифуг и дозаторов, блока управления, а также блока подачи и приема подложек и выполнен в виду двух треков. В блоке центрифуг имеется электродвигатель малой инерционности, частота вращения которого контролируется специальным электронным блоком. Подложки удерживаются на столиках центрифуг вакуумным присосом, создаваемым системой вакуумной откачки. Блок дозаторов укреплен на задней стенке полуавтомата. Дозирование фоторезиста ведется с помощью электроиневмоклапанов, а подача осуществляется под давлением азота. Блок управления обеспечивает согласование работы всех блоков полуавтомата. Полуавтомат предназначен для одновременного нанесения слоя фоторезиста по двум трекам, на которые загружаются стандартные кассеты с 25 подложками. После нанесения фоторезиста подложки поступают в разгрузочную кассету или проходят по треку на сушку в конвейерную печь. Достоинствами методами центрифугирования являются его простота, отработанность и удовлетворительная производительность оборудования, а также возможность нанесения тонких слоев фоторезиста с небольшим разбросом по толщине. Недостатки этого метода — трудность нанесения толстых слоев фоторезиста (более 3 мкм), необходимость тщательного контроля его коэффициента вязкости и режимов работы центрифуги. Метод пульверизации (Рисунок 7.3.4), являющийся весьма перспективным, основан на нанесении слоя фоторезиста в виде аэрозоля с помощью форсунки, действующей под давлением сжатого воздуха или инертного газа. Подложки располагаются на расстоянии в несколько сантиметров от форсунки, и фоторезист, осаждаясь в виде капель, покрывает их сплошным слоем. Метод пульверизации позволяет в автоматическом режиме вести групповую обработку подложек. При этом толщина слоя фоторезиста составляет от 0,3 до 20 мкм с точностью не хуже 5 %. Достоинствами метода пульверизации являются: возможность изменения толщины слоя фоторезиста в широких пределах: однородность слоев по толщине; отсутствие утолщений по краям подложек; нанесение фоторезиста на профилированные подложки (в малейшие углубления и отверстия): сравнительно малый расход фоторезиста; высокая производительность и автоматизация процесса; хорошая адгезия слоя к подложкам (лучшая, чем при центрифугировании). Недостатки этого метода состоят в том, что при его использовании необходимо специально подбирать растворители, так как слой фоторезиста не должен стекать по подложкам. Кроме того, следует тщательно очищать фоторезист и используемый для пульверизации газ. Основными элементами установки для нанесения слоя фоторезиста .пульверизацией являются форсунка-пульверизатор и стол, на котором закрепляют подложки. Для равномерного покрытия подложек слоем фоторезиста стол и форсунка перемещаются в двух взаимно перпендикулярных направлениях.  Рисунок 7.3.4. Нанесение слоя фоторезиста пульверизацией: 1 — область разрежения, 2 — сопло, 3 — форсунка, 4 — регулирующая игла, 5 — распыляющий газ, 6 - подача фоторезиста При электростатическом методе (Рисунок 7.3.5) спой фоторезиста наносят на подложки в электрическом поле напряженностью 1—5 кВ/см. Для создания такого поля между подложкой 3 и специальным кольцевым электродом 2 подают постоянное напряжение 20 кВ. При впрыскивании фоторезиста форсункой 1 в пространство между электродом и подложкой капельки фоторезиста диаметром в несколько микрометров заряжаются, летят под действием электрического поля к подложке на ней. Этот метод имеет высокую производительность и позволяет наносить слой фоторезиста на подложки большой площади. Недостаток его - трудность стабилизации процесса и сложность оборудования. Методы окунания и полива являются простейшими среди всех методов нанесения слоя фоторезиста. При окунании подложки погружают на несколько секунд в ванну с фоторезистом, а затем с постоянной скоростью вытягивают из нее в вертикальном положении специальными подъемными устройствами и сушат, установив вертикально или наклонно. Полив фоторезиста на горизонтально расположенные подложки обеспечивает лучшую по сравнению с окунанием однородность слоя по толщине. Следует отметить, что при этом методе неизбежны утолщения слоя фоторезиста по краям. Окунание и полив применяют для нанесения слоя фоторезиста на подложки больших размеров, а также его толстых слоев (до 20 мкм) на обе стороны подложек. Недостаток этих методов - неоднородность слоя фоторезиста по толщине. ^ Накатка пленки сухого фоторезиста значительно упрощает процесс и обеспечивает получение равномерного покрытия на подложках большой площади. Пленочный фоторезист представляет собой трехслойную ленту, в которой слой фоторезиста заключен между двумя полимерными пленками: одна (более прочная) является несущей, а другая — защитной. Предварительно защитную пленку удаляют, а фоторезист вместе с несущей пленкой накатывают валиком на подложки, нагретые до 100 °С. Под действием температуры и давления фоторезист приклеивается к подложке. При этом его адгезия к подложке выше, чем к несущей пленке, которую затем снимают.  Рисунок 7.3.5. Нанесение фоторезиста в электростатическом поле: 1 - форсунка, 2 - кольцевой электрод, 3 — подложка, 4 — столик Недостатки этого метода - большая толщина (10 — 20 мкм) и низкая разрешающая способность слоя сухого фоторезиста. Поэтому накатку пленки сухого фоторезиста используют только при больших размерах элементов ИМС. Сушка слоя фоторезиста. Для окончательного удаления растворителя из слоя фоторезиста его просушивают. При этом уплотняется молекулярная структура слоя, уменьшаются внутренние напряжения и повышается адгезия к подложке. Неполное удаление растворителя из слоя фоторезиста снижает его кислотостойкость. Для удаления растворителя подложки нагревают до температуры, примерно равной 100 °С. Время сушки выбирают оптимальным для конкретных типов фоторезистов. Температура и время сушки значительно влияют на такие важные параметры фоторезистов, как время их экспонирования и точность передачи размеров элементов после проявления. Большое значение при сушке имеет механизм подвода теплоты. Существует три метода сушки фоторезиста: конвекционный, инфракрасный и в СВЧ-поле. При конвективной сушке подложки выдерживают в термокамере при 90 — 100 °С в течение 15 — 30 мин. Недостаток этого метода — низкое качество фоторезистового слоя. При инфракрасной сушке источником теплоты является сама полупроводниковая подложка, поглощающая ИК-излучение от специальной лампы или спирали накаливания. Окружающая среда (очищенный и осушенный инертный газ или воздух) при этом сохраняет благодаря непрерывной продувке примерно комнатную температуру. Так как "фронт сушки" перемещается от подложки к поверхности слоя фоторезиста, качество сушки по сравнению с конвективной существенно выше, а время сокращается до 5 - 10 мин. В электронной промышленности широко используются установки ИК-сушки УИС-1 и конвейерные печи с инфракрасными нагревателями. Система измерения и стабилизации температуры в них основана на определении температуры эталонных подложек, закрепленных на рамке внутри рабочей камеры, для продувки которой служат вентиляторы. Источниками теплоты являются лампы ИК-излучения. Время и температура сушки поддерживаются автоматически. При СВЧ-сушке подложки нагреваются, поглощая электромагнитную энергию СВЧ-поля. Такая сушка производится в печах мощностью 200 — 400 Вт при рабочей частоте 2,45 ГГц. Время сушки — несколько секунд. Достоинством этого метода является высокая производительность, а недостатками — сложность оборудования и необходимость тщательного экранирования рабочего объема во избежание облучения оператора, а также неравномерность сушки слоя фоторезиста на различных по электрическим характеристикам участках подложек. Поэтому сушке в СВЧ-поле подвергают только однородные подложки. При любом методе сушки ее режимы (время, температура) должны исключать появление структурных изменений в слое фоторезиста. Высушенный слой необходимо экспонировать не позднее чем через 10 ч. Сушку подложек следует выполнять в тщательно обеспыленной среде 10-го и 1-го классов чистоты. Контролируют качество сушки визуально или под микроскопом. ^ При нанесении слоя фоторезиста могут появиться различные виды брака. Плохая адгезия фоторезиста к подложке вызывает при последующем травлении растравливание и искажение рисунков элементов. Причиной плохой адгезии является некачественная подготовка поверхности подложек. Локальные неоднородности рельефа слоя фоторезиста, имеющие вид капелек, обусловлены попаданием пылинок на подложки или присутствием посторонних частиц в фоторезисте. Микродефекты (проколы) слоя фоторезиста связаны с теми же причинам, что и локальные неоднородности рельефа. Неоднородности рельефа слоя фоторезиста в виде радиаль-но расходящихся длинных лучей вызываются нарушением режима центрифугирования в процессе нанесения слоя (вибрацией столика при вращении). Неоднородность толщины слоя фоторезиста на подложках и разброс ее на разных подложках являются результатами перекоса столика, уменьшения частоты его вращения и увеличения времени разгона центрифуги. Отклонение толщины слоя фоторезиста от заданной может быть также связано с изменением вязкости фоторезиста. ^ . Передача изображения с фотошаблона на подложку должна выполняться с точностью до десятых долей минимального размера элемента, что обычно составляет 0,1 — 0,5 мкм. Поэтому процессы совмещения и экспонирования проводят на одном рабочем месте одновременно на одной установке, не допуская даже малой вибрации фотошаблона и подложки. Совмещение и экспонирование являются наиболее ответственными операциями процесса фотолитографии. Перед экспонированием слоя фоторезиста фотошаблон следует правильно сориентировать относительно подложки у рисунка предыдущего слоя. Для полного формирования струю туры полупроводникового прибора или ИМС необходим комплект фотошаблонов со строго согласованными топологическими рисунками элементов. При первой фотолитографии, когда поверхность подложек еще однородна, фотошаблон ориентируют относительно базового среза подложки. При последующих фотолитографиях, когда на подложках сформированы топологические слои, рисунок фотошаблона ориентируют относительно рисунка предыдущего слоя. Совмещают рисунки фотошаблона и подложки в два эта па. На первом этапе с помощью реперных модулей — "пустых кристаллов" выполняют грубое совмещение в пределах всего поля подложки. На втором этапе с помощью микроскопа в пределах единичного модуля по специальным знакам - фигурам совмещения, предусмотренным в рисунке каждого топологического слоя, выполняют точное совмещение. Форму фигур совмещения (кресты, круги, квадраты) выбирают в зависимости от типа используемого при фотолитографии фоторезиста (Рисунок 7.3.6,а - в).  Рисунок 7.3.6. Фигуры совмещения на фотошаблонах (I) и подложках после второй (II) и четвертой (III) фотолитографии: а - концентрические окружности, б — вложенные квадраты, в - биссекторные знаки Сложность операции совмещения состоит в том, что приходится с высокой точностью совмещать элементы малых размеров на большой площади. Для этого увеличение микроскопа должно быть не менее 200 раз. Современные установки обеспечивают точность совмещения 0,25 — 1 мкм. Точность совмещения последовательных рисунков зависит от следующих факторов: точности совмещения фотошаблонов в комплекте; точности воспроизведения форм и размеров элементов рисунков в процессе фотолитографии; качества подложек и слоев фоторезиста; совершенства механизма совмещения установки; разрешающей способности микроскопа; соблюдения температурного режима. Существует два метода совмещения фотошаблонов с подложками: визуальный, при котором, выполняя совмещение, наблюдают за контрольными отметками в микроскоп; при этом точность совмещения составляет 0,25 — 1 мкм и зависит от возможностей установки; автоматизированный фотоэлектрический с помощью фотоэлектронного микроскопа, обеспечивающий точность совмещения 0,1 — 0,3 мкм. При контактной фотолитографии операцию совмещения выполняют с помощью специального механизма совмещения микроизображений (Рисунок 7.3.7), основными элементами которого являются предметный шаровой столик 1 со сферическим основанием - гнездом 2, рамка 16 для закрепления фотошаблона 15 и устройство перемещения рамки и поворота предметного столика. Предварительно подложку размещают на предметном столике так, чтобы слой фоторезиста был сверху, и закрепляют фотошаблон в подвижной рамке над поверхностью подложки 14. Между подложкой и фотошаблоном должен быть зазор для свободного перемещения рамки. Для совмещения рисунков на фотошаблоне и подложке передвигают рамку с фотошаблоном в двух взаимно перпендикулярных направлениях в плоскости подложки и поворачивают предметный столик с подложкой вокруг вертикальной оси. Современные установки совмещения и экспонирования представляют собой сложные оптико-механические комплексы. Точность совмещения и производительность зависят от выбранного метода совмещения - визуального или фотоэлектрического. В отечественных установках контактного совмещения и экспонирования (ЭМ-576, ЭМ-5006) используется принцип контактной печати с наложением фотошаблона на подложку. При идеальной плоскостности фотошаблона и подложки передача изображения осуществляется с минимальными искажениями при большой производительности. После выполнения совмещения (Рисунок 7.3.8, а) подложку прижимают к фотошаблону и экспонируют слой фоторезиста (Рисунок 7.3.8, б). Основной целью экспонирования является высокоточное воспроизведение слоем фоторезиста всех элементов топологии полупроводниковых приборов или ИМС. Правильность экспонирования влияет на качество переноса изображения с фотошаблона на слой фоторезиста.  Рисунок 7.3.7. Механизм совмещения микроизображений фотошаблона и подложки при контактной фотолитографии: 1,2 — предметный столик и его гнездо, 3 - направляющие, 4 — микрозазор, 5 — штифт, 6 — регулировочный винт, 7, 10 - диафрагмы, 8, 11 -камеры, 9 - фиксатор, 12, 13 -трубопроводы, 14 — подложка, 15 — фотошаблон, 16 — рамка |
Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Похожие:
База данных защищена авторским правом ©MedZnate 2000-2016
allo, dekanat, ansya, kenam
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям
allo, dekanat, ansya, kenam
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям