Фотолитография

Фотолитографический процесс включает следующие основные операции:

• формирование слоя фоторезиста (обработка подложки, нанесение, сушка);
• формирование защитного рельефа, включая совмещение (экспонирование, проявление, сушка);
• передача изображения на подложку (травление, напыление и т.д.).

1. Формирование слоя фоторезиста. Фоторезисты и их свойства

Термином "фоторезисты" обозначают светочувствительные и устойчивые к воздействию агрессивных факторов составы, нашедшие применение в числе прочих для фотолитографии на полупроводниках. Применяемые составы должны обладать, с одной стороны, определенными фотографическими свойствами, а с другой - резистивными, позволяющими выдерживать травление в кислотах и щелочах, нагрев и т.д. Поглощение актиничного излучения, спектральные характеристики чувствительности, резольвометрические характеристики - в этих вопросах фоторезисты близки к хорошо изученным фотоэмульсионным материалам. Основное, однако, назначение фоторезистов заключается в создании защитного рельефа требуемой конфигурации, и в этом отношении они ближе к составам, применяемым в полиграфической технике.

Рельеф образуется в результате того, что под действием актиничного излучения, падающего на определенные участки слоя, последний в общем смысле слова изменяет первоначальные свойства. Появляется дифференцированная растворимость слоя: например, освещенные участки перестают растворяться в растворителе, удаляющем участки слоя, не подвергшиеся освещению. По способу образования рельефа фоторезисты удобно делить на два класса: негативные и позитивные. Различия в поведении фоторезистов обоих классов показаны на рис.1. Негативные фоторезисты под действием актиничного излучения образуют защитные участки рельефа. В результате фотополимеризации, задубливания или иного процесса освещенные участки перестают растворяться и остаются на поверхности подложки. При этом рельеф представляет негативное изображение элементов фотошаблона: под непрозрачными участками фотошаблона фоторезист после обработки в растворителях удаляется, под прозрачными остаются участки, защищающие в дальнейшем от травления. Позитивные фоторезисты, напротив, передают один к одному рисунок фотошаблона, т. е. рельеф повторяет конфигурации непрозрачных элементов шаблона. Актиничное излучение так изменяет свойства позитивного фоторезиста, что при обработке в соответствующих растворах экспонированные участки слоя разрушаются (вымываются).

В основе создания рельефа лежит использование фотохимических реакций, преимущественно фотоприсоединения и фоторазложения. Актиничное излучение создает в слое активные центры; ими могут быть молекулы, которые, поглотив энергию фотонов, претерпевают энергетические превращения, активизируются. Фотохимическая активация, может быть прямой и сенсибилизированной. В первом случае поглотившие излучение молекулы непосредственно вступают в реакцию, например, диссоциируют на атомы или объединяются с другими молекулами. Во втором случае поглотившие излучение молекулы в реакции не участвуют, но передают свою энергию другим молекулам, в обычном состоянии к реакции не способным. Когда молекула поглощает свет, она выходит из состояния термодинамического равновесия с окружающей средой и поэтому должна терять энергию в одном из трех следующих видов: а) флуоресценции или фосфоресценции, когда вся энергия или часть ее испускается обратно в виде лучистой энергии через малый промежуток времени; б) химической энергии, т.е. путем превращения исходных веществ в новые соединения, и в) тепловой энергии, выражающейся в повышении температуры реакционной системы, или в потере энергии в окружающую среду.

Нанесению фоторезиста предшествует обработка подложки, улучшающая сцепление слоя резиста с подложкой (или ухудшающая смачивание подложки травителем). Для этого могут быть использованы простая очистка (обезжиривание) поверхности; физико-химическая обработка, изменяющая свойства поверхности; нанесение связующего подслоя.

Для нанесения слоев на подложку можно использовать методы центрифугирования, пульверизации, купания в растворе, полива и т.д.

Центрифугирование находит широкое применение в полупроводниковой технологии, так как при сравнительно несложном оборудовании позволяет выдержать колебания толщины слоя в пределах ±10%. Нанесенные на центрифуге слои зачастую содержат характерные дефекты в виде "комет". Эти дефекты возникают, если на поверхности подложки остались посторонние частицы - пыль, грязь и т.д., или сама подложка неоднородна: в пленке окисла встречаются микровключения (например, участки с кристобалитной структурой). В любом случае на таких местах вязкая масса фоторезиста задерживается и под действием центробежных сил возникают направленные от центра локальные утоньшения или даже разрывы слоя. Немаловажную роль в получении равномерного покрытия играет фильтрация самого фоторезиста. Резисты фильтруют минимум 2-3 раза через стеклянные фильтры Шотта (№ 2, 3); при высокой вязкости применяют вакуумную фильтрацию. Такая очистка позволяет избавиться от инородных частиц, пылинок и др. Более тонкой обработкой, которая устраняет имеющиеся в резистах типа поливинилциннамата субполимерные образования размером порядка 0,5 мкм, является скоростное центрифугирование. Скорость вращения центрифуги при этом 20 000 об/мин, а время, необходимое для эффективного удаления субполимерных включений, достигает нескольких десятков часов. В процессе эксплуатации вязкость фоторезистов возрастает, в результате чего растет толщина покрытия и может ухудшиться смачивание. Для контроля вязкости пригодны стандартные вискозиметры.

Пульверизация резистов считается весьма перспективным методов наиболее удобным для полупроводниковой технологии.

В то же время метод пульверизации требует специального подбора растворителей, так как слой не должен стекать по подложке; тщательной очистки резиста и используемого для пульверизации воздуха или газа; наконец, разработки довольно сложного оборудования.

Некоторые простейшие методы нанесения фоторезистов - купание в растворе и полив на горизонтальную плоскость, - заимствованы из полиграфической и фотографической техники. При нанесении фоторезиста купанием подложка погружается на несколько секунд, в жидкий фоторезист, после чего извлекается и сушится в вертикальном или наклонном положении. Избыток резиста стекает и окончательно удаляется с помощью беззольного фильтра. Получаемая пленка клиновидна по толщине: в нижней части подложки слой всегда толще. Этот недостаток ограничивает применение метода купания. Некоторое улучшение однородности по толщине может быть достигнуто повторным купанием, при котором подложка опускается в раствор своей верхней частью. Несомненными .достоинствами метода купания являются простота, хорошая адгезия пленки. Иногда полезную роль играет то обстоятельство, что слой наносится сразу на обе стороны подложки. Полив на горизонтальной плоскости обеспечивает лучшую по сравнению с методом купания однородность пленки по толщине (хотя при поливе неизбежно возникают утолщения но краям).

Этим методом можно получать толстые слои фоторезиста - до 10-20 мкм, что затруднительно при других методах. Толстые, слои обеспечивают надежную защиту при глубинном травлении; в меза-технологии часто используется метод полива. Приспособления для полива не сложны: платформа с тремя регулировочными винтами или (лучше) подвес маятникового типа с перпендикулярной площадкой. Толщина слоя при поливе регулируется изменением концентрации нанесенного фоторезиста.

Операцией, завершающей формирование слоя, является сушка. Общие представления о механизме плёнкообразования основаны на следующих положениях: структура большинства цепных полимеров аморфна; молекулы полимеров имеют клубкообразную форму за счет того, что отдельные звенья молекулы подвижны относительно друг друга; при испарении растворителя пленкообразователи (полимеры) переходят в стеклообразное состояние.

Процесс испарения растворителя играет важную роль в образовании пленки. Одним из условий получения качественной пленки является определенная низкотемпературная выдержка после нанесения раствора полимера, необходимая для ориентации макромолекул. Последующее высушивание пленки при повышенной температуре приводит к интенсивному удалению растворителя. Следует учесть, что при формировании пленки макромолекулы стремятся перейти в устойчивое состояние, т. е. принять такую форму, которая соответствовала бы минимальному значению свободной энергии. Этот релаксационный процесс требует некоторого времени, поэтому слишком быстрая сушка может привести к возникновению напряжений в пленке.

Иногда рекомендуется инфракрасная сушка слоя; она эффективна для формирования толстых слоев - порядка 3-5 мкм и выше; для обычных же толщин (0,3-0,4 мкм) различие в методах сушки мало заметно.

Хорошие результаты при работе с толстыми слоями позитивных резистов (например, для глубокого травления кремния) дает вакуумная сушка с медленным повышением температуры.

2. Формирование защитного рельефа

Одной из важнейших стадий является совмещение изображений на шаблоне и подложке.

Фотошаблоны

В любом фотолитографическом методе - контактном, проекционном, и в методе сканирующего луча - необходимым отправным пунктом является некоторый шаблон, образец, содержащий информацию о размерах, расположении, конфигурации и т.д. получаемых изображений.

Чаще всего для этой цели используются пластинки из оптического стекла с полученными фотографическим или иным способом непрозрачными элементами, хотя для решения некоторых задач могут применяться, например, плоские металлические пластинки со сквозными отверстиями.

Характеристики фотошаблонов

При наличии современных фоторезистов и отработанной технологии качество фотолитографии во многом определяется качеством фотошаблонов, а производство их является в настоящее время одним из наиболее сложных процессов, связанных с фотолитографией.

Сложность изготовления высококачественных фотошаблонов для распространенной в настоящее время контактной фотолитографии определяется их специфическими особенностями:

1. высокая разрешающая способность. Фотошаблон содержит элементы весьма малых размеров: от 0,1 мкм

2. большое количество идентичных изображений, количество изображений доходит до 20000;

3. высокая контрастность изображения, т. е. максимально большая оптическая плотность непрозрачных участков и прозрачность остальных областей, оптические свойства фотошаблонов измеряют в видимом диапазоне, а используют фотошаблоны, как правило в УФ области. Учет спектральных свойств материала фотошаблона является характерной особенностью фотолитографии па полупроводниках;

4. высокая точность соблюдения размеров элементов и шага между элементами, точность по размерам и точность по шагу определяются необходимостью последовательного совмещения фотошаблонов комплекта. В полупроводниковой технологии в 90% случаев используется не отдельный фотошаблон, а комплект из многих (до 20) фотошаблонов, степень совмещаемости которых целиком зависит от указанных точностей;

5. высокое качество и однородность, под однородностью при этом понимается равномерно высокое качество всех повторяющихся изображений;

6. стабильность характеристик (геометрических, оптических и др.). Фотошаблоны, например, не изготовляются на фотопленке (хотя насчитывается немало сортов пленки с весьма высокой разрешающей способностью), так как размеры элементов и взаимное их расположение не должны меняться с изменением влажности и температуры окружающей среды;

7. высокая устойчивость к истиранию, эмульсионный фотошаблон теряет качества после 20 операций контактной печати, металлизированные, в частности хромовые, фотошаблоны обладают гораздо большей (по некоторым данным в 3000 раз) износоустойчивостью, нежели эмульсионные;

8. плоскостность рабочей (контактной) стороны шаблона.

Возможны, в принципе, два метода совмещения, назовем их базовым и визуальным. При базовом методе шаблоны комплекта укрепляются в специальных приспособлениях - рамках, снабженных установочными микрометрическими винтами. С помощью этих винтов под микроскопом фотошаблоны выставляются таким образом, чтобы элементы их совпадали для всего комплекта. В рамках предусмотрены также фиксирующие упоры или плоскости. На пластинке полупроводника должны быть выполнены особые базовые отметки. Чаще всего от круглой пластинки отрезают сегмент, базой служит получающийся срез. Пластина прижимается двумя точками базового среза и одной точкой окружности к фиксирующим элементам рамки; тем самым положение пластины точно определяется. При повторной фотолитографии пластина устанавливается в рамку со вторым фотошаблоном и снова выставляется фиксирующими элементами в точно такое же положение, как и на первой рамке. Изображения второго фотошаблона в результате совмещаются с изображениями, оставшимися на пластине после первого фотошаблона (и так далее для всех шаблонов комплекта).

Базовый метод отличается простотой и высокой производительностью, однако ему свойственны принципиальные ограничения: малая точность и чувствительность к повреждениям пластинки. Малая точность совмещения объясняется тем, что воспроизводимым образом прижимать пластинку к фиксирующим элементам рамки трудно; метод позволяет реализовать точность порядка ± 10 мкм. Еще более ограничивает применимость метода то обстоятельство, что при повреждении базовых поверхностей пластинка переходит в неисправимый брак.

Визуальный метод заключается в том, что изображение на пластине непосредственно наблюдается (под микроскопом) в неактиничном свете и совмещается с изображением на фотошаблоне при помощи, например, микрометрических подач. Собственно, эта же операция визуального совмещения входит неотъемлемой частью и в базовый метод, когда фотошаблоны выставляются в рамках.

Экспонирование фоторезиста может осуществляться контактным или проекционным способом. В любом случае под действием актиничного излучения в слое образуются локальные участки с изменившимися свойствами. Выбор источника, пригодного для экспонирования того или иного фоторезиста, определяется спектральным распределением чувствительности данного резиста. Для экспонирования резистов пригодны угольные дуги, ртутно-кварцевые лампы сверхвысокого и высокого давления типа ПРК-2, ПРК-4, СВДШ-250, СВД-120 и др. Зная спектральные характеристики фоторезиста и источников, можно рассчитывать какой из них наиболее эффективен.

Проявление и сушка рельефа. Процесс проявления в любом случае - для негативных или позитивных фоторезистов-заключается в удалении ненужных участков слоя; в результате на поверхности подложки остается защитный рельеф требуемой конфигурации. Однако если у негативных фоторезистов проявление является простым удалением неполимеризованных областей (иногда в том же растворителе, какой использовался для приготовления резиста), то у позитивных проявление связано с химической реакцией превращения инден-карбоновых кислот в растворимые соли. Проявление позитивных слоев - критичный процесс, зависящий от ряда факторов: а) тип проявителя (щелочное соединение, добавки и др.) и его концентрация; б) время и температура проявления; в) дополнительное механическое удаление растворенных участков.

Для проявления позитивных фоторезистов на основе хинондиазидов обычно используют сильно разбавленные водные растворы едкого натра или тринатрийфосфата. Некоторые фирмы прилагают к фоторезистам специализированные проявители.

Сушка проявленного рельефа отличается от сушки слоя тем, что при ней можно не опасаться теплового сшивания (или разрушения) фоторезиста. Соответственно температура второй сушки задается более высокой - это повышает защитные свойства рельефа.

3. Травление подложки с защитным рельефом и удаление защитного рельефа

Хром. Травление пленки напыленного хрома с защитным рельефом из позитивного фоторезиста осуществляется в разбавленной соляной кислоте (1:1). Процесс травления инициируют, касаясь поверхности хрома алюминиевой или цинковой стружкой; после этого начинается бурная реакция. Пленка удаляется за секунды; необходимо следить внимательно за моментом полного вытравливания, поскольку передержка в травителе приводит к значительному снижению качества.

Удаление защитного рельефа с подложки осуществляется тремя способами - химическим, механическим и термическим. В полупроводниковой технологии широко распространен химический способ удаления. Это связано с тем, что германий, кремний и окисленный кремний можно обрабатывать в концентрированных кислотах, хорошо разрушающих органические пленки. Существуют универсальные обработки, позволяющие удалять как негативный, так и позитивный фоторезисты. Позитивный резист хорошо удаляется холодным 10-15%-ным раствором едкого кали, однако после этого необходима тщательная отмывка, так как ионы щелочных металлов активно адсорбируются на поверхности подложки. В планарной технологии, где ионы щелочных металлов могут явиться причиной нестабильности окисловой пассивирующей пленки, удалять рельеф следует кипячением в чистой серной кислоте.

В тех случаях, когда обработка в серной кислоте недопустима, например, при удалении рельефа с пленки алюминия, применяют кипячение в органических растворителях, чаще всего трихлорэтилене.

Хорошие результаты обеспечивает длительное набухание рельефа в хлористом метилене (для поливинилциннамата) или смеси диоксана с ацетоном, диоксане (для нафтохинондиазида с новолаком) с последующей протиркой.

В комплекты реактивов для фотолитографии, выпускаемые рядом зарубежных фирм, как правило, входят составы для удаления фоторезиста.