125624 (Фоторезисты (ФР), виды, требования к ним, методы нанесения)

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

кафедра ЭТТ

РЕФЕРАТ на тему:

«Фоторезисты (ФР), виды, требования к ним, методы нанесения»

МИНСК, 2008

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 S_n = 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.

Разрешающая способность - 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.

ОБРАБОТКА ПОВЕРХНОСТИ ПОДЛОЖЕК

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 Si₃N_7.3.1 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: