2_ФР

2. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
ИЗУЧЕНИЕ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА УДАЛЕНИЯ
ФОТОРЕЗИСТА В ВЧ-РАЗРЯДЕ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ
2.1. Цель работы
Практическое изучение процесса удаления сплошной пленки фоторезиста
с поверхности кремниевых пластин в кислородной плазме ВЧ-разряда низкого
давления на установке «Плазма-600».
2.2. Теоретические сведения
Фоторезист (ФР) представляет собой светочувствительное органическое
вещество, используемое в планарной технологии микроэлектроники в качестве
защитной маски при избирательном вытравливании окон (рис. 2.1) в диэлектрических пленках SiO2 или Si3N4 для проведения избирательной диффузии в
полупроводниковую пластину, а также в пленке Al в процессе металлизации.
1
p
5
2
6
3
7
4
8
n
p
Рис. 2.1. Фотолитографический процесс при создании планарного p-n перехода:
1 – исходная полупроводниковая пластина; 2 – нанесение диэлектрической пленки SiO2; 3 – нанесение фоторезиста; 4 – экспонирование фоторезиста через фотошаблон; 5 – проявление фоторезиста; 6 – избирательное плазменное травление SiO2 через маску фоторезиста; 7 – диффузия примеси через маску SiO2; 8 – удаление пленки фоторезиста
Роль фоторезиста в фотолитографическом процессе наглядно иллюстрируется последовательностью технологических операций при создании планарного
p–n-перехода (рис. 2.1). Интересующий нас процесс удаления фоторезиста
изображен операцией 8.
Из рис. 2.1 следует, что защитная маска фоторезиста должна быть стойкой
к реакционной среде, с помощью которой производится травление SiO2. Отме-
тим, что фоторезист первоначально был разработан и использовался в жидкостно-химическом травлении. Он оказался стойким и в плазменной технологии травления.
Структурная формула одного из фоторезистов ФП-РН-7 и его наполнителя
(новолака) представлены на рис. 2.2.
O
O
N2
N2
I
I
CH3
S O 2O
O O 2S
C
CH3
I
I
OH
OH
CH2
Н о во л ак, напо л нител ь
n
Рис. 2.2. Структурная формула позитивного фоторезиста ФП-РН-7
Различают позитивные и негативные фоторезисты. Позитивный фоторезист (ФП) удаляется с экспонированных ультрафиолетом участков в травителе,
так как под действием света разрушаются связи между группами молекул
бензольных колец. Негативный фоторезист (ФН) в экспонированных участках
полимеризуется и при травлении с этих участков не удаляется. ФП дает позитивное изображение фотошаблона, а ФН – негативное. ФП обладает большим
разрешением по сравнению с ФН; последний является более светочувствительным.
В историческом плане важно отметить, что процесс «выжигания» пленки
ФР в кислородной плазме был первым плазменным технологическим процессом в микроэлектронике (1968 г.). Первоначально этот процесс приводил к
сильной деградации приборов из-за незнания механизма процесса. Поэтому, в
период с 1972 по 1973 г. от него отказались. И только широкое применение
плазменного процесса травления двуокиси кремния (SiО2) и особенно нитрида
кремния (Si3N4), разработанных в 1973 – 1978 гг., заставило возвратиться к
плазменной технологии, так как жидкостное удаление побывавшей в плазме
пленки ФР оказалось невозможным. С 1976 г. большинство зарубежных фирм
включило плазменный процесс удаления ФР в качестве базового технологического процесса микроэлектроники.
2
Сущность плазмохимического процесса удаления ФР заключается в следующем. При взаимодействии кислородной плазмы (содержащей в частности
атомы кислорода молекулярные ионы кислорода и колебательно возбужденные
молекулы кислорода) при температуре в несколько сот градусов происходит
процесс окислительной деструкции ФР с образованием летучих компонентов
продуктов реакции, которые непрерывно удаляются из реакционной камеры вакуумным насосом.
В результате спектроскопических исследований эмиссионного излучения
плазмы ВЧ разряда в процессе удаления фоторезиста в кислородно-азотной
плазме было установлено наличие следующих компонент: СО, CN, CH, OH, Н,
С2, N2, H2, которые затем при выходе из зоны разряда образуют конечные продукты реакции СО2, Н2О, N2. Полагая, что полимерные молекулы фоторезиста
преимущественно состоят из фрагментов [–СН–], а СО, СО2 и Н2О являются
единственными продуктами реакции, процесс деструкции фоторезиста можно
записать следующим образом:
[– CH –]n + О2  СО2 + CO + Н2О,
(1)
или 2[– CH –] + 2О2 = СО2 + CO + Н2О.
(2)
2.3. Описание экспериментальной установки «Плазма-600»
«Плазма-600», одна из первых отечественных плазменных установок заводского типа, представляет собой полуавтомат, предназначенный для плазмохимической обработки пластин: удаления фоторезиста, травления пленок SiO2,
S3N4 и Al, а также для очистки поверхности перед основной операцией без разгерметизации реакционной камеры. Функциональная схема установки «Плазма600» представлена на рис. 2.3.
Центральным блоком установки является реакционная камера, представляющая собой кварцевый цилиндр, в который помещаются обрабатываемые
пластины. Затем в камеру напускается реактивный газ (О2) и путем непрерывной откачки форвакуумным насосом 2НВР-5Д устанавливается динамическое
давление в пределах 50 – 140 Па. Давление в камере измеряется встроенным
вакуумметром ВТБ-1. После включения ВЧ генератора в реакционной камере
зажигается ВЧ разряд низкого давления и начинается процесс удаления фоторезиста. На передней панели установки размещены элементы индикации и управления: стрелочные приборы, кнопки и выключатели, световые индикаторы,
позволяющие устанавливать и поддерживать заданный режим обработки.
3
1
2
3
4
5
6
7
Рис. 2.3. Функциональная схема плазменной установки «Плазма-600»:
1 – блок управления; 2 – ВЧ генератор; 3 – реакционная разрядная камера; 4 – система напуска газа; 5
– вакуумметр; 6 – клапан вакуумной системы; 7 – вакуумный насос
2.4. Порядок работы на установке «Плазма-600»
2.4.1. Подготовительная работа
Ознакомиться с теорией плазменного процесса удаления фоторезиста; изучить устройство и принцип работы плазменной установки «Плазма-600», особое внимание уделить изучению конструкции реакционно-разрядной камеры;
определить параметры образца (площадь и толщину пленки фоторезиста).
2.4.2. Порядок включения установки
Определить органы управления вакуумно-плазменной установки и порядок
ввода установки в рабочий режим. Доложить о готовности начать плазменный
процесс преподавателю и изложить предполагаемый порядок действий, с получением разрешения преступить к выполнению.
Загрузить в реакционную камеру пластину с фоторезистом и закрыть камеру. Пластину установить на специальной кварцевой подставке с прорезями для
ее посадки в центральной части камеры.
Включить тумблер «сеть» на блоке управления.
Включить тумблер «накал».
Включить форвакуумный насос кнопкой «пуск».
4
Открыть клапан вакуумпровода (тумблер 7 перевести в верхнее положение),
произойдет соединение насоса с камерой и начнется ее откачка.
Через 20-30 секунд включить вакуумметр ВТБ-1 и зафиксировать показание
вакуумметра.
После 3-4 минутного прогрева накала лампы генератора произвести напуск
плазмообразующего газа (кислорода или воздуха) в реакционную камеру через
клапан 5.
После установления динамического режима прокачки и стабилизации рабочего давления реакционного газа, снять показание вакуумметра (давления в рабочей камере).
Зажечь разряд в реакционной камере, плавно поворачивая по часовой
стрелке регулятор мощности «М» до упора и появления свечения плазмы. Зарегистрировать по показаниям стрелочных приборов значения анодного и сеточного токов.
2.4.3. Порядок выключения установки:
*
после проведения процесса удаления фоторезиста погасить разряд в реакционной камере, выведя регулятор «М» на минимум;
*
отключить напуск реакционного газа (тумблер 5);
*
выключить вакуумметр, выключить насос кнопкой «стоп»;
*
разгерметизировать камеру через специальный клапан, удерживая тумблер 7 в нижнем положении;
*
открыть реакционную камеру и пинцетом извлечь пластину; провести
визуальный контроль качества удаления фоторезиста; в случае неполного удаления фоторезиста повторить техпроцесс в течение необходимого времени;
*
выключить накал; через 5 минут, необходимых для охлаждения генераторной лампы, выключить установку.
2.5. Требования к оформлению протокола
Протокол должен содержать:
*
название работы, Ф.И.О. исполнителей;
*
химическое уравнение процесса с указанием конечных продуктов реакции и времени удаления, а также площади образца;
*
схему-чертеж (вид спереди и сбоку) реакционно-разрядной камеры, с
указанием расположения обрабатываемой пластины, электродов и схемы протекания газоплазменной среды;
*
режим работы экспериментальной установки и параметры технологического процесса: давление в реакционной камере, частота колебаний генератора,
состав газовой среды, мощность генератора, значения анодного и сеточного токов генераторной лампы;
*
вывод формулы и расчет плотности потока продуктов реакции (молекул
CO, CO2, H2O) в процессе удаления фоторезиста, полагая, что его плотность составляет величину 0,8 г  см3;
*
вывод формулы и расчет коэффициента использования кислорода, считая, что расход плазмообразующего газа был 0,5 см3/с.
5