По этой причине микро- и нанотехнологии строятся на основе применения в производстве современных достижений фундаментальных наук.

Микро- и нанолитография

Сущность и основные этапы микролитографии

Микролитография, выполняя роль универсального метода локализации групповой микрообработки, является ключевым процессом микротехнологии.

В зависимости от длины волны применяемого актиничного излучения микролитография может быть реализована в виде фото -, рентгено- и электроно- или ионолитографии.

Независимо от разновидности процесс микролитографии включает следующие основные этапы (рис. ):

• нанесение чувствительной к излучению полимерной пленки (резиста) на заготовку (пластину, подложку),

• экспонирование резиста через шаблон актиничным излучением. В результате этого в слое резиста образуется скрытое изображение рисунка шаблона.

• проявление, т.е. превращение скрытого изображения в рельеф в фоторезисте. В зависимости от типа используемого полимера при проявлении удаляются экспонированные или неэкспонированные участки резиста.

После сушки проявленного слоя проводится измерение и контроль размеров элементов, точности их совмещения с элементами предыдущих слоев и ряда других параметров. Далее подложка подвергается дальнейшим операциям микрообработки: травлению, гальваническому наращиванию или ряду других.

После завершения этих операций фоторезист удаляют.

Таким образом, процесс микролитографии основан на изменении свойств резиста при экспонировании его соответствующим излучением. Формирование микрорельефа в резисте осуществляется поэтапно (рис. 1).

При экспонировании актиничное излучение проходит через фотошаблон и оптическую систему, при этом формирующийся на поверхности фоторезиста профиль распределения интенсивности пространственного изображения может существенно отличаться от заданного на фотошаблоне.

Излучение, которые вызывают необратимые химические изменения и приводят к образованию скрытого изображения в виде участков с модифицированными свойствами.

При проявлении происходит поверхностное растворение, т. е. локальное удаление участков резиста и образование микрорельефа.

Таким образом, в процессе микролитографии можно выделить следующие этапы, основанные на принципиально различающихся физико-химических явлениях (рис.7):

 формирование пространственного оптического изображения;

 деструкцию резиста;

 проявление резиста.

Фоторезисты

Фоторезисты должны иметь высокую чувствительность к излучению и разрешающую способность, быть устойчивыми к воздействию агрессивных кислотных травителей, обладать хорошей адгезией к подложке, пленкообразующими свойствами.

Основным свойством фоторезистов является то, что в них под действием излучения определенной длины волны происходят необратимые изменения в облученных участках – они резко меняют растворимость в соответствующих проявителях.

Различают позитивные и негативные Фоторезисты.

В
негативных фоторезистах облученные участки за счет фотополимеризации становятся стойкими к воздействию проявителя. В отличие от необлученных участков, они остаются на подложке при проявлении (рис. 6, а).

В позитивных фоторезистах облученные участки за счет фотодеструкции удаляются в проявителях, а необлученные остаются на подложке и образуют фоторезистивную маску (рис. 6, б).

Основой всех фоторезистов служат полимерные материалы, обладающие хорошими пленкообразующими и адгезионными свойствами. Молекулярный вес применяемых полимеров обычно составляет от нескольких тысяч до сотен тысяч молекулярных единиц массы.

Для получения жидких фоторезистов полимеры смешивают с легко испаряющимся растворителем до получения требуемой вязкости, необходимой для получения очень тонких (до 0,2 мкм) пленок при центрифугировании.

В ряд случаев, например в технологии печатных плат, применяют сухие пленочные Фоторезисты, как правило - негативные. Эти Фоторезисты выполнены в виде многослойной пленки, в которой слой клейкой фотополимеризующейся смеси покрыт сверху пленкой майлара, а снизу изолирован пленкой полиолефина (см. описание лабораторных работ). Светочувствительный слой экспонируется через майлар, предохраняющий его от повреждений при контакте с фотошаблоном и изолирующий его от наружного кислорода.

В зависимости от назначения процесса фотолитографии и типа применяемого фоторезиста его толщина может составлять от 0,2 мкм в технологии интегральных схем до 50 мкм в производстве печатных плат.

Независимо от толщины фоторезиста допуск на разнотолщинность слоя обычно составляет около 10% от номинальной толщины.

Существует ряд методов нанесения слоя фоторезиста. Для жидкого фоторезиста это центрифугирование, распыление, окунание, полив, электростатическое распыление.

Сухой пленочный фоторезист, повсеместно применяемый в технологии печатных плат, наносится ламинированием.

Фотохимические реакции и параметры процесса экспонирования

Фотохимические реакции подчиняются нескольким фундаментальным законам,

важнейший из которых, закон Дреппера-Гроттуса (Draper-Grotthus) гласит, что

взаимодействие между излучением и материей возможно только в том случае, когда излучение поглощается этой материей. В противном случае, излучение отражается, пропускается, или рассеивается.

Согласно второму закону, известному под названием закона Бунзена-Роско (Bunsen-Roscoe) или закона взаимозаместимости, количество продуктов

фотохимической реакции пропорционально произведению плотности потока излучения

и времени облучения. Это произведение называется дозой или экспозицией.

Применительно к светочувствительным материалам закон взаимозаместимости утверждает, что одна и та же полученная экспозиция E=I·t оказывает одно и то же воздействие на материал, какими бы ни были E и t.

Кроме того, в фотолитографии воздействие зависит в большей степени от дозы, нежели от интенсивности света. Одна и та же доза (с тем же самым воздействием) может быть получена за счет высокой интенсивности за короткое время, либо за счет низкой

интенсивности за длительное время.

Поглощенное ультрафиолетовое излучение может разрывать или изменять химические связи в молекуле, либо создавать связи между двумя или более молекулами.

Поглощенное инфракрасное излучение возбуждает молекулы, вызывая фотофизическую реакцию. Такой тип поглощения ведет к рассеянию тепла в поглощающей материи, возникает эффект разогрева.

Основными параметрами процесса экспонирования являются:

• Интенсивность излучения (I)– энергия светового потока, падающего на поверхность фоторезиста в единицу времени (мВт/см²).

• Экспозиция (Е) – доза актиничной световой энергии, воздействующая на слой фоторезиста в процессе экспонирования: E=I·t (мДж/см²). Заметим, что 1 мВт·1с=1 мДж.

• Пороговая экспозиция (Е₀) – минимальная доза световой энергии, вызывающая изменение свойств пленки фоторезиста на всю толщину.

• Чувствительность фоторезиста - способность реагировать на излучение, определяется как величина, обратная дозе излучения, необходимой для проявления слоя определенной толщины.

Кроме перечисленных, к числу основных параметров фоторезиста относится также контраст. Для позитивного фоторезиста этот параметр определяется относительной разницей между экспозицией E₁, после которой фоторезист начинает проявляться, и экспозицией E₀, получив которую фоторезист проявляется полностью, на всю толщину пленки.

По мере увеличения экспозиции толщина слоя фоторезиста, остающегося после проявления, уменьшается (рис. 8, а). Зависимость, связывающая остаточную толщину этого слоя с величиной экспозиции (обычно ее логарифмом) называется характеристической кривой (рис. 8, а).

Наклон касательной к нормированной характеристической кривой используют для количественной оценки контраста (рис. 8, б):

(7)

где E₁ - доза начала проявление фоторезиста,

E₀ - доза полного проявления фоторезиста

Контраст фоторезиста является количественным показателем того, насколько хорошо он преобразует размытое пространственное изображение в четкий микрорельеф. Обычно контраст позитивных резистов составляет
. В этом случае экспозиция E₀ в 10^1/3 - 10^2/3 больше, чем E₁.

В микролитографии контраст (модуляция) оптического изображения совместно с контрастом фоторезиста существенно влияют на разрешение всего литографического процесса. Изображения с высоким оптическим контрастом имеют меньший клин проявления.

Позитивные фоторезисты.

Позитивные фоторезисты, наиболее широко применяющиеся в прецизионной фотолитографии, обычно состоят из трех компонентов: базового полимера, светочувствительной составляющей (ингибитора), легко испаряющегося растворителя.

Основой фоторезиста является пленкообразующий базовый полимер, чаще всего из группы фенолформальдегидных смол - новолак или резол. Эти полимеры растворимы в щелочах, обладают кислотостойкостью и способностью к образованию пленок. Базовый полимер в чистом виде умеренно растворяется в щелочных проявителях со скоростью 10 -15 нм/с.

Следует особо выделить роль светочувствительной составляющей, которая при добавлении ее в базовый полимер (до 20-30% от веса фоторезиста) уменьшает скорость проявления неэкспонированной пленки фоторезиста до 0,1-0,2 нм/с. Поэтому светочувствительную составляющую часто называют ингибитором (замедлителем), подчеркивая его роль как вещества, препятствующего растворению неэкспонированного фоторезиста. В качестве ингибитора чаще всего используют нафтохинодиазиды (НХД). Отметим, что полимеры вводят в фоторезист двумя путями: в составе сложного эфира со светочувствительными нафтохинодиазидами и отдельно в виде компонента раствора.

Поэтому молекула НХД позитивного фоторезиста имеет строение , где и - светочувствительная и полимерная составляющая эфира (рис. 9).

Рассмотрим более подробно физико-химические свойства позитивных фоторезистов и фотохимические реакции, происходящие в них при экспонировании и проявлении.

П
ри облучении фоторезистов излучением в широком диапазоне длин волн можно заметить, что излучение с длиной волны выше 460 нм пройдет сквозь слой фоторезиста, практически не поглощаясь (рис. 10), так как энергия фотонов такого излучения мала.

Излучение с меньшей длиной волны обладает большей энергией, поэтому оно изменяет состояние молекул, входящих в состав фоторезиста: происходит поглощение фотонов - энергия фотонов переводит электроны на более высокие энергетические уровни. Если энергии не хватит для разрыва химической связи, молекула свое строение не изменит и через определенное время вернется в исходное состояние.

Чтобы протекала фотохимическая реакция, энергия фотонов должна быть достаточной для разрыва связи между атомами. На спектре поглощения (рис. 9) это явление проявляется в виде максимумов поглощения: один на длине волны нм и другой - на длине волны нм. Обратим внимание на то, что поглощение экспонированного резиста резко уменьшается по сравнению с неэкспонированным - происходит его "просветление" (пунктирная линия на графике поглощения).

Отметим также, что для позитивных фоторезистов спектр поглощения хорошо согласован с характеристиками источников ультрафиолетового излучения (рис. 11).