123529 (Основные виды и причины брака при нанесении слоя фоторезиста)

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

кафедра ЭТТ

РЕФЕРАТ на тему:

"Основные виды и причины брака при нанесении слоя фоторезиста"

МИНСК, 2008

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.

Точность полученного в процессе фотолитографии топологического рисунка в первую очередь определяется прецизионностью процесса совмещения.

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 1, а - в).

Рисунок 1 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 2), 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 3, а) подложку прижимают к фотошаблону и экспонируют слой фоторезиста (Рисунок 3, 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 2. 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

Процесс экспонирования зависит от качества фотошаблона, свойств фоторезиста и подложки, оптических явлений, происходящих в системе подложка - фотошаблон и точности их совмещения.

При контактном экспонировании ультрафиолетовое излучение проходит через фотошаблон и попадает на слой фоторёзиста. Следовательно, передача элементов рисунка на слое фоторезиста зависит от оптической плотности темных и светлых участков рисунка фотошаблона, резкости и ровности их краев и коэффициента отражения металлизированного слоя фотошаблона.

Рисунок 3. Схемы совмещения (а) и экспонирования (б):

1 - предметный столик, 2 - подложка, 3 - слой фоторезиста, 4 - фотошаблон, 5 - микроскоп, 6 - затвор, 7 - конденсор, 8 - источник света; z - зазор между фотошаблоном и подложкой.

Важной частью установки совмещения и экспонирования является микроскоп. Отечественные установки оснащены двупольным микроскопом с увеличением до 300 раз, в который одновременно можно наблюдать изображение двух модулей в разных точках подложки. Этот микроскоп позволяет плавно изменять увеличение сменой объективов.

Как уже отмечалось, совмещение и экспонирование выполняют на одной установке (Рисунок 4), при этом подложка 9 с помощью подающей кассеты 1 перемещается по конвейеру 2 в устройство совмещения 3, где точно ориентируется относительно фотошаблона 4 при наблюдении в микроскоп 5. После совмещения микроскоп автоматически отводится в сторону, на его место устанавливается осветитель 6 и проводится экспонирование. Затем подложка подается в приемную кассету 8 и по конвейеру 7 перемещается на операцию проявления.

Осветитель состоит из источника света, оптического устройства для создания равномерного светового потока и затвора-дозатора актиничного излучения.

Рисунок 4. Установка совмещения и контактного экспонирования:

1, 8 - подающая и приемная кассеты, 2, 7 - конвейеры, 3 - устройство совмещения, 4 - фотошаблон, 5 - микроскоп, 6 - осветитель, 9 - подложки

В качестве источника света обычно применяют ртутно-кварцевую лампу высокого давления ДРШ-350 или ДРШ-500, создающую мощный световой поток. Излучение такой лампы лежит в основном в ультрафиолетовой области спектра (330 - 440 нм).

Оптическое устройство создает поток параллельных лучей, равномерно освещающих подложку. Разброс освещенности в пределах рабочего поля подложки не должен превышать 5%. ' При работе на установке необходимо принимать меры по защите глаз от прямого попадания ультрафиолетового излучения.

Система затвор-дозатор обеспечивает точность дозы при экспонировании не хуже 5%.

Режимы проявления слоя фоторезиста зависят от времени экспонирования. Необходимую экспозицию устанавливают, учитывая тип и светочувствительность фоторезиста, а также толщину его слоя. Оптимальную дозу излучения, обеспечивающую наилучшую четкость изображения, получаемого после проявления, определяют экспериментально.

Качество изображения оценивают визуально по наиболее мелким элементам топологии или специальным контрольным знакам-элементам, предусмотренным в нем. Поскольку зазор между шаблоном и подложкой, а также освещенность распределены по рабочему полю неравномерно и носят случайный характер, качество изображения контролируют на разных участках подложки.

Наличие зазора между фотошаблоном и подложкой вызывает дифракционные явления, что приводит к искажению формы и размеров элементов и обусловлено проникновением света в область геометрической тени. Чтобы уменьшить влияние дифракции при экспонировании, необходимо фотошаблон плотно прижимать к подложке для исключения зазора между ними или сведения его к минимуму.

Важным оптическим эффектом при экспонировании является прохождение ультрафиолетового излучения через пленку фоторезиста. Световой поток, проходя через слой фоторезиста, рассеивается в нем, а достигая подложки, отражается от нее и возвращается обратно в слой фоторезиста. Дойдя до поверхности фотошаблона, световой поток отражается под углом от его металлизированных непрозрачных участков и через прозрачные участки попадает в слой фоторезиста на подложке.

Эти отражения светового потока приводят к нежелательному дополнительному экспонированию участков слоя фоторезиста, находящегося под непрозрачными участками фотошаблона. Интенсивность отраженного потока света зависит от коэффициентов отражения подложки и фотошаблона. Для снижения эффекта отражения при контактной фотолитографии используют цветные оксидные фотошаблоны, имеющие малый коэффициент отражения.

Обработка подложек. Заключительным этапом процесса фотолитографии является формирование топологии рельефного рисунка на подложках в технологическом слое (маскирующей, изолирующей, защитной диэлектрической или проводящей металлической пленке) травлением с последующими удалением слоя фоторезиста и очисткой подложек. Эти операции осуществляют химическим жидкостным или плазменным "сухим" травлением.

В связи с тем что процессы травления являются завершающими в формировании элементов полупроводниковых приборов и ИМС, они оказывают решающее влияние на электрические параметры этих изделий и выход годных и должны обеспечивать:

• минимальные погрешности размеров элементов рисунка и наименьшее количество дефектов;

• полное удаление материала на участках, не защищенных слоем фоторезиста, а также продуктов реакции;

• возможность управления режимами обработки.

Химическое жидкостное травление основано на растворении в химических реагентах не защищенных фоторезистивной маской участков технологического слоя и состоит из следующих стадий: диффузии и адсорбции молекул травителя к поверхности подложки; химической реакции; десорбции продуктов реакции и удаления их в раствор.

Скорость травления зависит от наиболее медленной стадии и, кроме того, определяется составом травителя, его температурой, а также структурой технологического слоя.

Используемые химические травители должны обладать следующими свойствами:

• селективностью (избирательностью), т.е. способностью активно растворять основной технологический слой, не взаимодействуя с фоторезистивной маской и другими нижележащими слоями;

• не образовывать продуктов реакции, способствующих отслаиванию фоторезиста по контуру элементов рисунка и подтравливанию;

• допускать возможность подбора оптимальной для данных условий скорости травления, обеспечивающей минимальную плотность дефектов полученного рисунка.

Процесс химического жидкостного травления, как правило, изотропен, т.е. имеет одинаковую скорость во всех направлениях. Участки подложки, не защищенные пленкой фоторезиста, травятся не только вглубь, но и в стороны, т.е. происходит так называемое боковое подтравливание, что приводит к изменению линейных размеров элементов рисунка. По боковому подтравливанию судят о качестве процесса травления и формированию клина травления. Изменение размеров элементов рисунка не должно превышать допусков, указанных в ТУ.