1-1
advertisement
3. ФОТОЛИТОГРАФИЯ Фотолитография – это процесс формирования на поверхности подложки с помощью светочувствительного материала защитного рельефного покрытия с изображением элементов схемы и последующего переноса изображения на подложку. Светочувствительные материалы, состоящие из органических светочувствительных соединений, полимеров, растворителей и других добавок, используемые в фотолитографических процессах и изменяющие свою растворимость при актиничном облучении, называют фоторезистами. Термин фоторезист по своему содержанию определяет свойства светочувствительной пленки, сформированной на подложке из растворов светочувствительных соединений и других компонентов, т. е. светочувствительность и устойчивость к воздействию агрессивных факторов. Однако на практике этим термином обозначают и растворы светочувствительных композиций. Сущность фотолитографического процесса заключается в следующем: на поверхности подложки (например, пластине окисленного кремния) формируют тонкую пленку фоторезиста и экспонируют, т. е. воздействуют актиничным облучением через фотошаблон с изображением элементов схем (рис. 6.1). В зависимости от характера изменения свойств при облучении фоторезисты подразделяются на негативные и позитивные. Негативными называются фоторезисты, при экспонировании которых через фотошаблон в местах воздействия света пленка теряет растворимость (например, протекает реакция сшивания). В результате последующей обработки соответствующим растворителем (проявление) с поверхности подложки удаляются только необлученные участки, и на подложке возникает негативное изображение фотошаблона: фоторезист остается на участках, соответствующих светлым полям фотошаблона (рис. 6.1 а). Позитивными называются фоторезисты, в которых под действием света протекают процессы, приводящие к появлению растворимости, например, в водно-щелочных растворах. При облучении таких фоторезистов через фотошаблон и последующем проявлении удаляются облученные участки слоя и на подложке образуется позитивное изображение фотошаблона. Фоторезист остается на участках подложки, соответствующих темным полям фотошаблона (рис. 6.1 б). 106 Рис. 6.1. Схема воспроизведения изображения методом фотолитографии: а – с негативным фоторезистом; б – с позитивным фоторезистом; 1 – фоторезист, 2 – подложка, 3 – фотошаблон Последующее воздействие агрессивных факторов (например, химическое травление) позволяет удалять материал, находящийся на участках, свободных от защитной маски фоторезиста, что обеспечивает воспроизведение изображения элементов схем на подложке. Фотолитографические процессы включают множество операций, начиная от изготовления фотошаблонов и кончая формированием элементов схем на подложке. Отсутствие устоявшейся терминологии, объединяющей процесс фотолитографии, вносит определенные трудности в работу технологов и приводит в ряде случаев к неправильной оценке результатов проведения фотолитографических операций. В связи с этим необходимо дать определение основных понятий, используемых при рассмотрении технологических процессов. При составлении словаря терминов использованы термины и определения, наиболее часто употребляемые. 3.1. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ Актиничное излучение – световое излучение, воздействующее на фоторезист, вызывающее протекание фотохимических реакций и изменение растворимости облученных участков покрытия. 107 Топологический слой – часть топологии структуры, воспроизведенная на одном фотошаблоне, необходимом для проведения технологических операций, одинаковых для всех изображенных на этом фотошаблоне элементов. Заготовка для фотошаблона – стеклянная прозрачная для актиничного излучения плоскопараллельная пластина определенных размеров с нанесенным на ее поверхность сплошным непрозрачным для актиничного излучения слоем. Фотошаблон – стеклянная или иная пластина либо полимерная пленка со сформированным на ее поверхности рисунком элементов схем из материала, не пропускающего актиничное излучение. Негативный фотошаблон (темнопольный) – фотошаблон, на котором изображение элементов схемы представлено в виде светлых участков на непрозрачном фоне. Позитивный фотошаблон (светлопольный) – фотошаблон, на котором изображение элементов схемы представлено в виде непрозрачных для актиничного излучения участков на светлом прозрачном фоне. Металлизированный фотошаблон – фотошаблон, на котором изображение элементов схемы сформировано тонкой металлической пленкой. Транспарентный (цветной) фотошаблон – фотошаблон, на котором изображение элементов схем сформировано покрытием, не пропускающим актиничное излучение и пропускающим неактиничное (видимая область спектра) для фоторезиста излучение. Эмульсионный фотошаблон – фотошаблон, на котором изображение элементов схемы образовано галоидо-серебряной фотографической эмульсией. Эталонный фотошаблон – фотошаблон, предназначенный для последующего изготовления рабочих фотошаблонов. Рабочий фотошаблон – фотошаблон, предназначенный непосредственно для процесса совмещения и экспонирования. Является зеркальным по отношению к рисунку реальных элементов микросхемы. Комплект рабочих фотошаблонов – группа совмещающихся между собой фотошаблонов, предназначенных для проведения операций фотолитографии. Совмещение – процесс расположения рисунков элементов схемы на фотошаблоне точно над соответствующими элементами схемы на подложке, покрытой фоторезистом. 108 Фигура совмещения – специальный топологический рисунок для обеспечения совмещения изображения элементов схемы рабочего фотошаблона с изображением элементов схемы на пластине. Подложка – металлическая, полупроводниковая или диэлектрическая пластина, монолитная или слоистая, на которую наносят фоторезист. Фоторезист – светочувствительный материал, изменяющий свои свойства (прежде всего растворимость) под воздействием актиничного света. Электронорезист – материал, изменяющий свои свойства (прежде всего растворимость) под воздействием ускоренных свободных электронов. Рентгенорезист – материал, изменяющий свои свойства (прежде всего растворимость) под действием рентгеновских лучей. Ионорезист – фоторезист, электронорезист, рентгенорезист, обладающий малой скоростью распыления в ионном или плазмохимическом разряде по отношению к удаляемым этими способами материалам подложки. Фотолитография – процесс формирования на поверхности подложки элементов микросхем с помощью чувствительных к излучениям покрытий, способных воспроизводить заданное взаимное расположение и конфигурацию этих элементов. Контактная маска – рельефное покрытие из пленки фоторезиста или другого материала, воспроизводящее заданные элементы рисунка и обеспечивающее защиту заданных участков подложки от последующего воздействия. Свободная маска – тонкий, изготовляемый и существующий отдельно от подложки экран с отверстиями, конфигурация и расположение которых соответствуют заданной конфигурации и расположению элементов микросхем. Метод свободной маски – метод получения элементов микросхем, заключающийся в экранировании с помощью свободной маски участков подложки от потока частиц напыляемого вещества. Метод селективного травления – метод получения элементов микросхем, заключающийся в экранировании с помощью контактной маски участков подложки от удаляющего (травящего) воздействия. Экспонирование – облучение актиничным излучением пленки фоторезиста, сформированной на подложке, через фотошаблон или с помощью управляемого луча. 109 Проявление фоторезиста – обработка экспонированной пленки фоторезиста с целью удаления облученных или необлученных участков для создания рельефного изображения. Рельефное изображение, рельеф из фоторезиста – изображение элементов схем, сформированное пленкой фоторезиста после проявления. Травление химическое – удаление материала подложки с участков, не защищенных контактной маской, с применением химических процессов в растворах, парах и газах. Дефект фотошаблона – непредусмотренное отклонение числа, размеров и конфигурации элементов рисунка модуля от заданных значений. Дефект пленки фоторезиста – непредусмотренные отверстия и посторонние включения, искажающие число, размеры и конфигурацию элементов рельефного изображения. Прокол – непредусмотренное сквозное отверстие в непрозрачном покрытии фотошаблона или в пленке фоторезиста. Точка (дефект) – непредусмотренный непрозрачный участок на прозрачном поле модуля фотошаблона или участок фоторезиста на пробельном поле модуля. Плотность дефектов – число дефектов, отнесенное к единице площади. Размерность: мм-2, см-2. Разрешающая способность – минимальный размер элемента, получаемый при применении данной системы воспроизведения изображения; выражается либо минимальным размером элемента, либо количеством линий на определенной длине. Селективность травления – различие между скоростями удаления (травления) разных материалов при химическом, электрохимическом или физическом воздействии. Экспозиция (Н) – доза актиничной световой энергии, падающая на пленку фоторезиста в процессе экспонирования (Н = Е × t). Пороговая экспозиция (Hпор) – минимальная доза световой энергии, вызывающая изменение свойств пленки фоторезиста на всю толщину. Интенсивность облучения – энергия светового потока, падающего на поверхность фоторезиста в единицу времени (Вт/см2). Светочувствительность фоторезиста – способность реагировать под действием света (S = 1/H = 1 / (Е × t )). Спектральная светочувствительность – величина светочувствительности при воздействии света определенной длины волны. 110 Интегральная светочувствительность фоторезиста – светочувствительность при воздействии света всех длин волн, поглощаемых фоторезистом. Кислотоустойчивость пленки фоторезиста – способность пленок фоторезистов селективно защищать поверхность подложки от воздействия травителей. Оценивается временем воздействия травителя до начала разрушения или отслаивания и качеством вытравленных структур. Клин проявления – угол наклона границы рельефного изображения по отношению к плоскости подложки. Клин травления – угол наклона границы вытравленного элемента по отношению к плоскости подложки. 3.2. ФОТОШАБЛОНЫ Фотошаблон (ФШ) является одним из основных инструментов при создании заданного рельефного защитного покрытия при проведении фотолитографии в планарной технологии. В зависимости от материала пленочного покрытия различают ФШ на основе фотографической эмульсии (эмульсионные ФШ), металлической пленки (металлические ФШ), а также ряда других материалов, например окиси железа (цветные ФШ). Ниже, в табл. 6.1, 6.2 приведены сравнительные характеристики ФШ с различными типами маскирующих слоев. Металлические ФШ обычно изготавливаются на основе пленок хрома методами термического испарения или ионного распыления. Применяются также ФШ с маскирующими покрытиями из соединений хрома (нитрид хрома), характеризующиеся большим разрешением и точностью по сравнению с хромовыми, поскольку эти покрытия имеют более низкий коэффициент отражения света. Цветные ФШ применяются для уменьшения эффектов отражения света, что достигается использованием диэлектрических или полупроводниковых покрытий. Обычно они изготавливаются на основе пленок окиси железа, оксида кремния, халькогенидных соединений и имплантированных фоторезистов. 1. ФШ на основе Fe2O3. Для осаждения тонких пленок окиси железа используют различные методы: химическое разложение пентакарбонила железа, разложение металлоорганических соеди-нений, а также реактивное катодное распыление. Пленки окиси железа дают возможность создания на обычно растворимой пленке локально нерастворимых участков при их обработке электронным или лазерным лу111 чом. Поэтому на пленку окиси железа можно нанести рисунок, не прибегая к обычной фотолитографии, а воздействуя фокусированным пучком электронов. Таблица 6.1 Сравнительные характеристики фотошаблонов с различным маскирующим слоем Параметр Эффективная разрешающая способность Прочность поверхности Отражающая способность, % Плотность оптическая Совмещение Цветной фотошаблон Эмульсионный фотошаблон Хромированный фотошаблон 1 мкм 2 мкм 1 мкм Хорошая Плохая Хорошая 10–15 5–6 50–60 2–2,5 1,5–3 1,5–3 Простое Сложное Сложное Таблица 6. 2 Сравнительные характеристики хромированного и цветных фотошаблонов Параметр Толщина маскирующего слоя, мкм Минимальная ширина линии, мкм Количество проколов на 1 см2 Износоустойчивость (число ходов резца) Отражение на длине волны 440 нм, % Хромированный фотошаблон Цветные фотошаблоны на основе: Fe2O3 SiO2 Халькогениды 0,2 0,15 0,4 0,4 2 1 1 1 0,4 4 4 0,4 100 800 400 60 80 15 20 15 2. ФШ на основе пленок кремния. Хорошую однородность для цветных ФШ обеспечивают пленки кремния толщиной 75–800 нм. Их получают вакуумным напылением, реактивным распылением, осаждением из паровой фазы. Пленки кремния дают возможность получения элементов размерами до 1 мкм. 112 3. ФШ на основе имплантированных пленок фоторезистов. Для изготовления ФШ на основе фоторезистивных покрытий используют технологию, основанную на ионном легировании. Пленки фоторезиста, подвергнутые ионной бомбардировке, графитизируются и при дозах облучения D=(1–10)1016 ион/см2 становятся непрозрачными. Необходимая доза облучения зависит от массы, энергии и плотности тока пучка внедряемых частиц. 4. ФШ на основе халькогенидов. Для увеличения износоустойчивости и уменьшения дефектности ФШ в качестве защитных покрытий используют халькогенидные маскирующие слои на основе сульфида меди, сульфида свинца и сульфида молибдена. 3.3. ФОТОРЕЗИСТЫ 3.3.1. Основные требования к фоторезистам Проблема создания фоторезистов включает в себя, кроме разработки методов повышения светочувствительности полимеров, подбор и синтез пленкообразующих полимерных и светочувствительных компонентов, разработку композиций и выявление оптимальных условий их применения. Специфика практического использования фоторезистов определяет перечень предъявляемых к ним требований, которым они должны отвечать: высокая интегральная светочувствительность и необходимая спектральная чувствительность; высокая разрешающая способность; однородность по всей поверхности, беспористость и стабильность во времени слоя фоторезиста с высокой адгезией к материалу подложки; получение резко дифференцированной границы между участками, защищенными и не защищенными фоторезистом; устойчивость к химическому воздействию; отсутствие загрязнений продуктами фотохимических превращений фоторезиста; доступность материалов, относительная простота, надежность и безопасность применения; наличие специфических проявителей и травителей. Значение спектральной чувствительности фоторезистов позволяет обоснованно выбрать источники излучения, рационально подобрать условия неактиничного освещения помещения для фотолитографиче113 ских работ. В настоящее время в производстве полупроводниковых приборов широко применяются как позитивные, так и негативные фоторезисты. Позитивные фоторезисты обладают высокой разрешающей способностью и позволяют получить четкие границы изображения. Негативные используются преимущественно в процессах, связанных с глубоким травлением металлов, гальваническими процессами. Весьма ценным свойством их является отсутствие ионов щелочных металлов при проявлении, что особенно важно в полупроводниковой технике. При совместном применении негативных и позитивных фоторезистов облегчается совмещение и контроль поля, исключаются промежуточные операции при совмещении. 3.3.2. Формирование фоторезистивных пленок Природа растворителя оказывает исключительно сильное влияние на процесс формирования пленки фоторезиста. Наиболее широко распространенный метод формирования таких пленок – центрифугирование. Данный метод состоит из двух этапов: нанесение на подложку светочувствительного раствора и получение необходимой толщины пленки за счет вращения ротора центрифуги с заданной скоростью. В некоторых случаях при формировании пленок фоторезистов наблюдается плохое смачивание ими поверхности подложек. Это явление устраняется механическим распределением фоторезиста по всей поверхности подложек, что обусловливает, однако, повышенную неравномерность формируемых пленок по толщине и увеличивает их загрязненность. Формирование пленок фоторезистов характеризуется двумя процессами: испарением летучих компонентов фоторезиста и возникновением структуры пленки, определенной условиями испарения растворителей и степенью взаимодействия компонентов системы. Известно, что испарение растворителя из пленки можно представить в виде двух этапов: свободного испарения (испарения чистой жидкости) и замедленного испарения (удаления связанного с полимером растворителя). Замедленное испарение объясняется рядом факторов: при испарении растворителя увеличивается концентрация растворенного вещества и снижается упругость паров растворителя; при уменьшении концентрации растворителя повышается вязкость системы полимер – растворитель и замедляется диффузия молекул растворителя; 114 из-за сил притяжения, возникающих между молекулами полимера и растворителя, последний удерживается в пленке. Основными физическими величинами, влияющими на скорость испарения чистой жидкости, являются упругость паров и молекулярная масса жидкости. Скорость испарения, или степень летучести, служит сравнительной характеристикой растворителя, причем за условную единицу принимают скорость испарения диэтилового эфира. По степени относительной летучести растворители классифицируют на 3 группы: легколетучие – с относительной летучестью менее 7, среднелетучие – с относительной летучестью 7–35 и тяжелолетучие – более 35. Каждая из трех групп играет определенную роль в технологических процессах изготовления пленок. Высокая скорость испарения растворителя приводит к образованию больших внутренних напряжений в пленке, так как ее структурные элементы не успевают с достаточной полнотой осуществить процесс релаксации до начала перехода системы в высоковязкое состояние. Тяжелолетучие компоненты снижают скорость испарения и способствуют растворению полимера в случае его частичного выделения на поверхности системы. Однако при использовании одного тяжелолетучего растворителя возможны «натеки» в пленке за счет слишком медленного увеличения вязкости системы. Применение очень легколетучих растворителей вызывает сильное охлаждение пленки, приводящее к конденсации влаги из воздуха, что ведет к осаждению полимера в виде пористых белесых покрытий. 3.3.3. Роль поверхности в процессе фотолитографии В процессе фотолитографии при проведении травления решающими являются такие свойства фоторезиста, как стойкость к агрессивным средам и адгезия к поверхности твердого тела. Адгезия пленки фоторезиста зависит от химического состава и строения самого фоторезиста, поверхности твердого тела и режимов формирования адгезионных соединений. Качественно оценивать адгезию полимерных пленок можно, используя явления смачивания поверхности твердых тел адгезивами. Смачивание заключается в том, что поверхность твердого тела, соприкасавшаяся с атмосферой, замещается поверхностью соприкосновения твердого тела с жидкостью. Одним из главных критериев смачиваемости является краевой угол смачивания (), измеренный внутри жидкой фазы (рис. 6.2). 115 Рис. 6.2. Смачиваемость твердого тела жидкостью На степень смачивания, т. е. на величину краевого угла , существенное влияние оказывают как свойства жидкости, так и поверхностное состояние твердого тела. Сорбция посторонних веществ на поверхности твердого тела, ее шероховатость, структура могут резко изменить величину краевого угла. Вода на свежеобработанной поверхности золота имеет краевой угол, равный 7°, в присутствии паров бензола он увеличивается до 80°. Следовательно, краевой угол смачивания можно использовать в качестве критерия не только для выбора оптимальных режимов формирования адгезионных соединений, но и для оценки воспроизводимости состояния исследуемых твердых поверхностей и методов их обработки. Этот вывод особенно важен для процессов фотолитографии при изготовлении интегральных схем, где многократно используются твердые поверхности. Контакт между фоторезистом и подложкой, необходимый для получения хорошей адгезии, может быть ухудшен поверхностными примесями. Поверхностные загрязнения, такие как пыль, масла, адсорбированные газы, ионы легирующих примесей или монослои от предыдущих покрытий фоторезиста, могут создавать области слабой адгезии. Удаление очевидных видимых примесей, таких как жир, отпечатки пальцев или пыль может способствовать получению чистой поверхности, однако часто ряд адсорбированных примесей обнаружить весьма трудно. Некоторые сильно адсорбированные примеси остаются связанными с поверхностью даже при температурах до 400 С и их можно удалить лишь обработкой в горячей серной или азотной кислотах. Плоскость подложки имеет также большое значение для получения хорошей адгезии. Чем глубже микротрещины и провалы в поверхности подложки, тем труднее высвободить окклюдированный воздух, который будет создавать области слабой адгезии. Это особенно важно при проведении повторных фотолитографических 116 процессов уже на рельефных пластинах. Жидкость удаляет воздух с твердой поверхности, если угол контакта между тремя фазами, измеренный в жидкой фазе, чрезвычайно мал и процесс протекает с помощью капиллярных сил, задерживаясь из-за более высокой вязкости. Существует также фактор времени для высвобождения воздуха, хотя и было показано, что жидкость, попавшая в поры или во впадины, не будет заполнять данное пространство далее определенной глубины, независимо от временного интервала. Для устранения этого явления фоторезист может наноситься на неподвижную поверхность с возможностью его последующего растекания по подложке и затем центрифугироваться. Увеличение вязкости фоторезиста снижает скорость высвобождения воздуха с поверхности подложки. При нанесении фоторезиста на неподвижную поверхность до начала центрифугирования должно пройти достаточно времени, чтобы обеспечить высвобождение воздуха. Независимо от способа нанесения фоторезиста захват воздуха можно уменьшить путем использования однородных и плоских пластин. Вышеперечисленные факторы являются лишь предпосылкой для обеспечения адгезии фоторезистивных покрытий к подложке. Сама же адгезия будет определяться в первую очередь химическим строением полимеров и их физическим состоянием. Как показывает анализ фоторезистов, при их создании используются в основном аморфные полимеры, а так как адгезия покрытий определяется не только условием пленкообразования, но и режимами сушки и второй термообработки фоторезистивных покрытий, при этом большое значение приобретает совпадение этих режимов с температурными переходами полимера, которые определяются экспериментальными методами. 3.3.4. Методы формирования фоторезистивных покрытий Свойства фоторезистивных пленок определяются не только составом используемых светочувствительных композиций, но и применяемым методом их формирования. К операциям нанесения пленок фоторезистов предъявляются следующие требования: возможность формирования бездефектных пленок контролируемой и воспроизводимой толщины; реализация широкого диапазона толщины покрытий; формирование пленок с высокой равномерностью по толщине; максимально высокая адгезия к подложке. 117 Существует несколько методов формирования пленок фоторезистов: центрифугирование, распыление, погружение (окунание), заливка, накатка. Центрифугирование в настоящее время является одним из наиболее распространенных методов нанесения фоторезистивных покрытий, особенно в тех областях, где тонкий слой фоторезиста наносят на подложку с одной стороны. Достоинство метода – возможность нанесения фоторезиста на небольшие участки поверхности с высокой степенью равномерности по толщине. Перед нанесением на подложки фоторезисты обязательно подвергаются очистке от механических примесей. Наиболее простым методом очистки является фильтрация. Формирование покрытий методом центрифугирования проводят обычно при частоте вращения ротора в области 2–10 тыс. об/мин; меньшие частоты вращения приводят к созданию валика фоторезиста, порожденного поверхностным натяжением раствора по периметру подложки. Для заданной концентрации фоторезиста имеется определенная критическая скорость, превышение которой не вызывает уменьшения толщины слоя (рис. 6.3). Этот момент соответствует равновесию когезионных и центробежных сил. Неравномерность толщины покрытия по площади пластины определяется во многом частотой вращения ротора. Так, при скорости Рис. 6.3. Зависимость толщины пленки фоторезиста (h) от частоты вращения ротора центрифуги (v) и вязкости фоторезиста () 118 вращения ротора 70–80 об/мин разброс составляет 3–40 % (рис. 6.4 а, б), для высокоскоростных центрифуг он колеблется в пределах 5–14 %. Рис. 6.4. Разброс толщины пленок фоторезистов при различных методах формирования: а – центрифугирование (78 об/мин); б – центрифугирование (300 об/мин); в – распыление; г – заливка; д – погружение; е – накатка Распыление (пульверизация) является наиболее гибким методом и в последние годы начинает находить практическое применение. Сущность метода заключается в диспергировании фоторезиста сжатым газом (воздухом) и нанесении его на пластину в виде мелкодисперсного аэрозоля. Основные достоинства данного метода – возможность формирования покрытий в большом интервале толщины с достаточно 119 высокой воспроизводимостью и небольшим разбросом по толщине (±15–20 %), отсутствие утолщений по краям пластины, возможность нанесения слоя фоторезиста на профилированные поверхности, высокая производительность и возможность автоматизации процесса. Метод погружения особенно удобен в случае формирования двусторонних покрытий. Поперечное сечение покрытия, нанесенного погружением, имеет форму клина. Поскольку скорость вытягивания пластины из фоторезиста обратно пропорциональна толщине покрытия, более медленное вытягивание дает более тонкое и, как правило, более однородное покрытие. Заливка заключается в том, что на поверхность подложки наносится доза фоторезиста. Подложка поворачивается поочередно в нескольких направлениях для растекания фоторезиста и его сушки. Основные недостатки метода – неоднородность покрытия и большой разброс по толщине (30–40 %). Накатка – метод нанесения фоторезистивного покрытия с высокой степенью однородности на жесткие подложки. Разновидностью этого метода является нанесение на подложки предварительно сформированных на промежуточной полимерной основе пленочных (сухих) фоторезистов. 3.3.5. Сушка фоторезистивных покрытий В описанных выше методах формирования фоторезистивных покрытий происходит лишь первый процесс из полного цикла образования пленки, а именно: распределение раствора по поверхности подложки и частичное испарение растворителей. Следует отметить, что сушка полимерных пленок является одной из важнейших операций, где закладывается фундамент успешного формирования элементов интегральных схем. Процесс сушки фоторезистивных пленок определяется предысторией их формирования и свойствами фоторезиста. Сушка, т. е. процесс практически полного удаления растворителей из пленок фоторезиста, требует выбора таких условий, при которых успевали бы проходить релаксационные процессы, увеличивающие адгезию покрытия и уменьшающие внутренние напряжения. Естественно, что интенсивное испарение растворителя не может привести к получению качественного покрытия. Поэтому в ряде случаев рекомендуют ступенчатую температурную сушку, обеспечивающую плавный процесс удаления растворителя из пленки и возможность плотной равновесной 120 упаковки макромолекул. Остатки растворителя в фоторезистивной пленке отрицательно сказываются на светочувствительности материала. Следует отметить, что при сушке на воздухе может происходить окисление макромолекул, поэтому рекомендуют проводить процессы сушки в инертной атмосфере. Разработку методов и оборудования для сушки фоторезистивных покрытий основывают на том, чтобы, с одной стороны, обеспечить по возможности мягкие условия удаления растворителя, а с другой – интенсифицировать сам процесс. В настоящее время широко внедрен метод сушки с применением инфракрасного излучения, обеспечивающий более равномерное удаление растворителей по всей толщине пленки. Сравнительно недавно были предложены методы СВЧ- и ИК-сушки фоторезистивных покрытий. Они обладают рядом значительных преимуществ, связанных с однородным прогревом всего объема пленки, сокращением времени термообработки, последующим уменьшением времени экспонирования и проявления. Как правило, изготовители дают определенные рекомендации для сушки фоторезистов (исходя из их химического строения и типа растворителей). Однако конкретные области применения фоторезистов, характер подложки и назначение операции фотолитографии вносят значительные коррективы в технологию формирования и сушки пленок фоторезистов. 3.4. ПЕРЕНОС ИЗОБРАЖЕНИЯ В СИСТЕМЕ ФОТОШАБЛОН – ФОТОРЕЗИСТ Основным процессом фотолитографии является формирование топологии схемы пленкой фоторезиста и дальнейший перенос изображения на подложку методами травления, электрохимической обработки и т. д. В настоящей главе рассматриваются основные проблемы контактного экспонирования, целью которого является высокоточное воспроизведение пленкой фоторезиста конфигурации элементов схемы, зарождающихся в фоторезисте в процессе экспонирования и формирующихся при удалении облученных или необлученных участков (проявлении). При переносе изображения необходима точность расположения элементов на поверхности пластины при совмещении топологических слоев схем. Кроме того, необходимо, чтобы количество возникших при этих процессах дефектов в пленке фоторезиста было минимальным. Высокоточное воспроизведение элементов рисунка 121 пленкой фоторезиста определяется как максимально возможное приближение к геометрическим размерам соответствующих элементов на фотошаблоне, т. е. должно соблюдаться условие А – В = 0, где А – геометрические размеры элементов на фотошаблоне, В – геометрические размеры элементов, формируемых пленкой фоторезиста, – отклонение геометрических размеров элементов. Зарождение и размещение элементов схемы в пленке фоторезиста и последующее их получение при проявлении зависит от целого ряда факторов, из которых наиболее важное значение имеют: свойства фотошаблона: оптическая плотность темных и светлых участков, коэффициент преломления стекла и коэффициент отражения поверхности маскирующего слоя, геометрические размеры элементов, резкость и ровность края элементов; фототехнические, спектральные и оптические параметры фоторезистов: светочувствительность, контрастность, область спектрального поглощения, коэффициент преломления, способность к рассеиванию света, разрешающая способность; физико-химические свойства пленок фоторезистов: адгезия, однородность покрытия, внутренние напряжения, толщина покрытия, отношение к проявителю; свойства подложки: плоскостность, коэффициенты отражения, поглощения, преломления, диэлектрические свойства; наличие зазора в системе фотошаблон – фоторезист; параметры осветителей: мощность и спектральный состав излучения, параллельность светового потока; оптические явления в системе фотошаблон – фоторезист – подложка: дифракция, отражение, интерференция; физико-химические и химические параметры проявителя; режимы операций удаления остатков проявителя и сушки после проявления; точность проведенного совмещения. 3.4.1. Оптические явления в системе фотошаблон – фоторезист – подложка Облучение пленок фоторезистов через фотошаблон вызывает появление в них скрытых изображений, выражающееся в локальном изменении их физико-химических параметров и, в первую очередь, рас122 творимости. Возникновение скрытого изображения и последующее его превращение в видимое зависит от оптимально выбранного соотношения режимов экспонирования и проявления, при котором формируется наиболее точное изображение и достигается максимальная разрешающая способность. Это соотношение в свою очередь зависит при прочих равных условиях от свойств фоторезиста, а именно, его светочувствительности, области актиничного поглощения, кинетики протекания фотохимических процессов. Кроме того, следует учитывать физико-химические свойства покрытия: адгезию, однородность, наличие внутренних напряжений, отношение к проявителю и т. д. Зарождение скрытого изображения в слое фоторезиста в процессе экспонирования в системе источник света – фотошаблон – фоторезист – подложка и последующая реализация этого изображения при проявлении, а также предельные возможности контактной фотолитографии во многом зависят от оптических эффектов в системе. Среди оптических явлений, влияющих на процесс экспонирования, в первую очередь следует отметить дифракционные явления, эффекты отражения, интерференцию. Именно эти эффекты будут определять предельную возможность контактной фотолитографии по разрешающей способности и те побочные явления, которые приводят к деформации изображения или появлению технологического брака, снижающего выход фотолитографического процесса. В этом плане представляет интерес проследить кинетику зарождения изображения в пленке фоторезиста с последующей его реализацией при проявлении, оценить удельное влияние каждого явления для воспроизведения элементов различных геометрических размеров и сформулировать основные требования высокоточного воспроизведения геометрических размеров элементов. Современная технология изготовления интегральных схем выдвигает требования воспроизведения размеров элементов менее 1 мкм на рабочем поле диаметром 150–300 мм. Реализация предельных параметров оптико-механического оборудования в фотолитографии в значительной степени зависит от конструктивных параметров системы фотошаблон – подложка, которые в свою очередь зависят от плоскостности фотошаблона и подложки и метода контактирования. Воспроизводимо получать элементы субмикронных размеров не удается в основном из-за дифракционных явлений, степень проявления которых зависит от плоскостности рабочих сторон контактирующих поверхностей, т. е. воздушного зазора в системе фотошаблон – 123 подложка. Отмечается, что для получения субмикрон-ных размеров элементов необходима плоскостность поверхности фотошаблона не менее 0,5 мкм на рабочем поле. Рис. 6.5. Возникновение «стоячей волны» при полном отражении от подложки: 1 – падающая волна, 2 – первичная волна, 3 – волна, отраженная от подложки, 4 – вторичная волна Актиничный световой поток, прошедший через фотошаблон и пленку фоторезиста, может трансформироваться различным образом. Часть его поглощается фоторезистом. Однако другая его часть доходит до поверхности подложки и может быть отражена ею. Отраженный световой поток, возвращаясь в пленку фоторезиста, интерферирует с проходящим светом, вызывая появление дополнительных оптических эффектов, и реагирует с молекулами фоторезиста, вызывая дополнительное его экспонирование в местах, защищенных темными 124 участками фотошаблона. Одним из таких оптических эффектов является появление «стоячих волн» (рис. 6.5). Развитие техники фотошаблонов привело к появлению цветных фотошаблонов, одним из основных достоинств которых является значительно меньший коэффициент отражения маскирующего покрытия (от 50–60 % для хромированных до 5–15 % для цветных покрытий). Меньшее значение коэффициента отражения поверхности цветного покрытия по сравнению с хромированным увеличивает устойчивость процессов экспонирования и проявления, а также повышает точность воспроизведения геометрии элементов фотошаблонов. 3.4.2. Процессы проявления фоторезистов Окончательное формирование в пленке фоторезиста изображения элементов схем происходит при обработке соответствующими растворами экспонированных покрытий и соответствующем удалении облученных (для позитивных составов) или необлученных (для негативных) участков. В проявлении негативных и позитивных фоторезистов имеются достаточно четкие различия, которые обусловлены химической природой полимерных материалов, входящих в состав фоторезистов, и типом протекающих фотохимических реакций. Для всех негативных фоторезистов характерно протекание процессов фотохимического сшивания и применения в процессах проявления органических растворителей. Процесс проявления негативных составов является типичным физико-химическим процессом растворения полимеров. Для существующих позитивных фоторезистов процесс проявления более сложен и основан на химическом взаимодействии продуктов фотолиза о-нафтохинондиазидов и фенольных смол со щелочными составами и последующем физико-химическом удалении продуктов реакции. Проявление негативных фоторезистов. Одновременно с проявлением и последующей промывкой и сушкой негативных фоторезистов происходят следующие процессы: диффузия молекул проявителя в облученную и необлученную части пленки фоторезиста; набухание облученных и необлученных участков пленки; растворение необлученных участков пленки и переход молекул полимера в объем растворителя; формирование конфигурации элементов; очистка необлученных участков поверхности от остатков фото125 резиста; испарение растворителя из объема облученных участков пленки фоторезиста и возвращение ее к первоначальным геометрическим размерам. Облученные участки пленки фоторезиста (в зависимости от дозы облучения) могут содержать в своем составе сшитые макроструктуры, отдельные полимерные молекулы и разветвленные системы. Проявитель для негативных фоторезистов должен обладать, с одной стороны, хорошей растворяющей способностью по отношению к исходному полимеру, а с другой – минимальным воздействием на облученные участки пленки. Проявитель должен вызывать минимальное набухание облученных участков и, следовательно, минимальное искажение геометрических размеров. Набухание облученных участков зависит в основном от количества сформировавшихся поперечных связей и свойств сшитого полимера. При недостаточной экспозиции облученные участки будут либо полностью растворяться, либо набухать до такой степени, что пленка может оторваться от поверхности подложки, либо настолько увеличиваться в объеме, что соседние элементы схемы соединяются между собой. Поэтому для негативных фоторезистов правильность выбора экспозиции определяется не только по получению определенной геометрии элементов, но и по набуханию облученных участков фоторезиста. Для негативных фоторезистов, экспонированных в оптимальных режимах, перепроявление неопасно, поэтому процессы проявления этих составов достаточно просто автоматизируются. Проявление фоторезистов может проходить либо в статических условиях, либо методом распыления жидкости. При определенных минимальных размерах элементов изображения и расстояний между ними проявление сильно затрудняется вследствие невозможности удаления неэкспонированного полимера из промежутков между элементами. Проявление позитивных фоторезистов. Как уже отмечалось, проявление облученных участков позитивных фоторезистов на основе о-нафтохинондиазидов по своей природе имеет химический характер: 126 Образующаяся соль инденкарбоновой кислоты растворима в воде и при проявлении переходит в раствор. Кроме того, в пленке фоторезиста содержатся фенольные смолы, которые также растворимы в водно-щелочных растворах. Особенностью проявления позитивных фоторезистов является практически полное отсутствие набухания необлученных участков, поэтому разрешающая способ-ность позитивных фоторезистов в меньшей степени зависит от толщины покрытия. Еще одна особенность проявления позитивных фоторезистов – их чувствительность к перепроявлению, т. е. к чрезмерно длительному пребыванию пленки фоторезиста в проявителе. Чем выше скорость растворения облученных участков пленки V0 и одновременно ниже скорость растворения необлученных участков Vн, тем избирательнее работает проявитель. Введение в проявитель поверхностно-активных веществ уменьшает его поверхностное натяжение, увеличивает смачиваемость фоторезиста и способствует более эффективному удалению облученных участков и уменьшению клина проявления. Стабильность геометрических размеров элементов при перепроявлении зависит от целого ряда факторов, основными из которых являются: а) химическое строение фоторезиста; б) концентрация и температура проявителя; в) качество пленки фоторезиста и ее адгезия к поверхности подложки, и следовательно, режимы формирования и сушки пленки фоторезиста; г) время экспонирования; д) индукционный период и скорость растворения необлученных участков пленки. Места попадания дифрагированного света в область геометрической тени можно рассматривать как участки с увеличенной скоростью растворения необлученной пленки. Стабильная и воспроизводимая реализация скрытого изображения элементов, сформированных при экспонировании, возможна лишь при оптимизации всех режимов пленкообразования фоторезиста и использовании пленок фоторезистов, обладающих максимальной селективностью при воздействии проявителя на облученные и необлученные участки 3.5. ПРОЦЕССЫ ТРАВЛЕНИЯ Воспроизведенное пленкой фоторезиста изображение топологии схемы переносится на соответствующую подложку методом химического или ионного травления, химическим или электрохими-ческим осаждением. Процесс избирательного травления материалов является завершающей стадией формирования элементов схем и оказывает ре127 шающее влияние на электрические параметры и выход изделия. Требования, предъявляемые к проведению этого процесса, можно сформулировать следующим образом: минимальное искажение геометрических размеров элементов схем; полное удаление материала на участках, не защищенных фоторезистом, а также возможность последующего полного удаления продуктов реакции; возможность управления процессом; высокая селективность воздействия травителей, т. е. возможно меньшее их взаимодействие с материалами системы, не подлежащими травлению. Конечный результат травления определяется во многом предысторией формирования защитной маски из фоторезиста, его адгезией к подложке, геометрией элементов, клином проявления. Кроме того, протекание процесса травления, геометрические размеры образующихся элементов и клин травления будут определяться типом выбранного травителя, температурой травления, кинетикой гетерогенной реакции взаимодействия твердого тела с травителем, типом материала (например, наличием в нем легирующих примесей) и кинетикой травления по глубине материала, смачиваемостью травителем поверхности материалов, входящих в состав подложки, толщиной пленок этих материалов и отклонением по толщине. Травление тонких пленок, применяемых в электронной технике, проводят, как правило, в слабых растворах из-за возможности уменьшения геометрических размеров элементов. Если существует выбор между различными травителями, то составы, где ионы металлов меняют свою валентность, более предпочтительны, чем окислители, реагирующие с выделением газов. Газовые пузырьки, прилипая к поверхности подложки, вызывают искажение геометрических размеров элементов. В связи с этим в ряде случаев в травитель рекомендуется вводить соединения, уменьшающие процесс газовыделения или его адсорбцию на подложке (например, натриевая соль ароматических сульфокислот). Как уже отмечалось, необходимым условием применения травителей, особенно для многослойных структур, является их высокая селективность воздействия. При этом необходимо руководствоваться не только химическими свойствами материалов, но и тем, что они могут находиться в электрическом контакте друг с другом. При этом более 128 электроположительный металл становится анодом и растворяется, в то время как менее электроположительный, являясь катодом, не подвергается травлению, т. е. травители могут быть инертными в этих условиях к металлам, которые в обычном состоянии интенсивно с ними реагируют. Может быть и противоположный случай, когда металл (в электрическом контакте с другим металлом) растворяется в составах, по отношению к которым он ранее был индифферентен. В связи с этим приведенные составы травителей являются в ряде конкретных случаев только отправными моментами при выборе их оптимальных композиций. Рабочая система, где должно быть сформировано изображение, комбинация материалов, метод их формирования и конфигурация элементов будут вводить соответствующие коррективы в применяемые для травления составы. Режимы химического травления во многом определяют профили получаемых элементов, клин травления. На рис. 6.6 представлены наиболее распространенные профили. Рис. 6.6. Возможные профили элементов после травления Конфигурация профиля определяется такими моментами, как скорость травления, адгезия защитной фоторезистивной маски, метод травления, толщина протравливаемой пленки и, наконец, смачиваемость травителем поверхностей осажденной пленки и подложки, соотношение их краевых углов смачивания травителем (т и п). Случай, изображенный на рис. 6.6 б, реализуется при условии, если смачивание подложки травителем меньше, чем травимого слоя (т < п), вариант рис. 6.6 в – возможен при обратном соотношении. 3.6. УДАЛЕНИЕ ФОТОРЕЗИСТОВ И ОЧИСТКА ПОДЛОЖЕК 129 Завершение цикла фотолитографических операций заключается в удалении пленки фоторезиста с поверхности подложки. При выборе метода удаления фоторезиста прежде всего следует исходить: из химического строения, растворимости в определенном круге растворителей, характера прошедших фотохимических или термических процессов, возможности применения механического воздействия и устойчивости материалов подложки к режимам удаления. Для удаления фоторезистов в настоящее время приме-няются различные физико-химические методы. Химические методы. Основными технологическими приемами удаления фоторезистов являются либо их обработка в соответствующих растворителях, либо комплексная обработка с применением окислителей. Наиболее легко удаляются пленки позитивных фоторезистов обычным растворением в ацетоне, диоксане, диметилформамиде или водно-щелочных растворах. Однако если процессу травления предшествовала достаточная для термолиза температурная обработка, то процесс удаления фоторезистов значи-тельно усложняется и вызывает необходимость применения окислителей либо механического воздействия. Негативные фоторезисты, структурированные под действием света, не растворяются при обработке растворителями, поэтому их удаление с помощью последних всегда связано с применением механического воздействия. Наиболее широко распространенным методом для негативных фоторезистов является погружение в хлорированные углеводороды при температуре 80–175 °С для набуха-ния, а затем в растворы кислот для ослабления адгезии пленки с подложкой. Окисляющие агенты могут быть использованы также для разрушения пленок фоторезистов, однако их применение весьма ограничено возможной коррозией материалов подложки. Несмотря на многообразие предлагаемых химических средств для удаления фоторезистов, универсальное до настоящего времени не найдено. Для позитивных фоторезистов, температура сушки которых до травления не превышала 95 °С, предложен метод, заключающийся в предварительном облучении ультрафиолетом для превращения о-нафтохинондиазидов в инденкарбоновые кислоты и последующем удалении (растворении) в слабощелочных растворах. Для пленок, обработанных при температуре до 120 °С, желательна обработка при температуре 50–100 °С. 130 Плазмохимический метод. В настоящее время широкое распространение получило удаление фоторезистов плаз-мохимическим методом. Этот метод заключается во взаимодействии фоторезиста с атомарным кислородом плазмы, в результате которого образуется двуокись углерода, вода и другие летучие окислы. Метод плазменного окисления основан на использовании тлеющего разряда в реакционной газовой камере. Поскольку температура электронов намного выше температуры газа, температура всей системы довольно низкая. Основной «возбуждающий» элемент холодной плазмы – атомарный кислород, поэтому окисление органических материалов происходит быстро при температурах примерно 50–100°С. Для полупроводниковой промышленности особенно существенны достоинства этого метода: удаление фоторезиста слабо зависит от его предварительной обработки; реакция происходит при неглубоком вакууме с участием только кислорода, что упрощает удаление примесей из системы. Вместо кислорода можно использовать водородную плазму, которая удаляет пленки фоторезиста за счет реакции гидрогенизации, и образования газообразных углеводородов метана и этана. Можно также использовать азотно-водородную и аммиачную плазму. Контрольные вопросы 1. Какова роль фотолитографии в технологии изготовления интегральных схем? 2. Какие требования предъявляются к фоторезистам? 3. Какие методы нанесения фоторезистов известны? 4. Какие физические явления имеют место при экспонировании фоторезистов актиничным излучением? 5. Какие типы фотошаблонов вам известны? 6. В чем преимущества цветных фотошаблонов? 7. Поясните назначение позитивных и негативных фоторезистов. 8. Какие методы удаления фоторезистов вам известны? 9. Для чего проводится сушка фоторезистов? 10. В чем преимущества ИК- и СВЧ-сушки перед обычной термической? 11. Перечислите особенности проявления позитивных и негативных фоторезистов. 12. Перечислите способы удаления фоторезистов. 131
