6. Фотошаблоны

Ф
отошаблоны (ФШ) занимают особое место в технике формирования изображений в микроэлектронике. Они являются носителями информации о топологии интегральных схем и основными инструментами при их производстве. Фотошаблоны используются во всех методах репродуцирования микроизображений: теневом, проекционном, сканирующем.

Фотошаблон содержит в себе весь объем информации о формируемом изображении, причем перенос информации происходит параллельно, все изображение формируется одновременно или отдельными частями (сканирующий перенос). Современные ИС могут включать более 25 слоев, такое же количество совмещающихся между собой фотошаблонов должно быть изготовлено на этапе подготовки производства ИС.

В терминах физической оптики фотошаблон является объектом, изображение которого строится оптической системой. Поэтому он может быть представлен в виде пространственного амплитудного модулятора светового потока, экранирующего часть распространяющегося через оптическую систему волнового фронта. Экранирование светового излучения осуществляется маскирующими тонкопленочными покрытиями (фотоэмульсией, пленками хрома Cr, окиси железа Fe₂O₃, силицида молибдена MoSi )

6.1.Технология изготовления фотошаблонов

Как объект изготовления фотошаблон представляет собой стеклянную или кварцевую пластину (substrate) толщиной не менее 3 мм, на одной стороне которой напылено маскирующее покрытие, чаще всего из хрома. Иногда дополнительно наносится слой антиотражающего покрытия (Anti Reflectiv - AR).

Д
ля формирования топологии на заготовку (blank)фотошаблона наносится слой фоторезиста, далее в хромовой пленке методами фотолитографии выполняется изображение одного слоя будущей интегральной схемы.

Отметим, что фотошаблоны для передачи изображения в масштабе 1:1 включают изображение всех модулей формируемого слоя, а фотошаблоны для проекционного экспонирования с уменьшением - увеличенное изображение одного или нескольких модулей.

Этапы изготовления ФШ, показанные на рисунке, включают электронно-лучевое, лазерное или оптическое генерирование в слое фоторезиста изображения очередного топологического слоя ИС, проявление скрытого изображения и травление маскирующей пленки хрома (этапы 1- 3).алее следует удаление фоторезиста, контроль критических размеров и координатточности фотошаблона (этапы 4-6). После тщательной отмывки фотошаблона проводится контроль дефектов и при необходимости - их удаление или напротив - восстановление нарушений в маскирующем покрытии (этапы 7-9).

После окончательной очистки фотошаблона (этап 10) на нем закрепляют рамку с натянутой на нее прозрачной пленкой (pellicle), предохраняющей рабочую поверхность от попадания на нее микрочастиц в процессе работы шаблона (этап 11 ). Проводится окончательная проверка и шаблон отправляется заказчику (этап 12).

Из рассмотрения основных этапов изготовления фотошаблонов следует, что их основными параметрами являются:

• Точность выполнения размеров элементов, особенно минимальных

• Точность координатного расположения элементов

• Дефектность

Современные программные продукты, используемые при проектировании топологий ИС или печатных плат, позволяют представить описание топологии в цифровом и графическом виде. При подготовке к этапу генерирования изображения фотошаблона полученная от разработчика информация обрабатывается и представляется в виде, наиболее удобном для изготовления шаблона.

Прежде всего, производится разбиение топологического рисунка на множество отдельных фигур простейшей формы - прямоугольников или трапеций (см. рис.). Специальная программа оптимизирует не только вид разбиения, но и последовательность формирования отдельных фигур, что позволяет минимизировать время и погрешности обработки.

6.2. Материалы, применяемые для изготовления фотошаблонов.

Заготовки для фотошаблонов (blanks) представляют собой стеклянные подложки, на которые последовательно нанесены слои хрома, анти-отражающего покрытия (anti-reflective - AR) и фоторезиста. Основные параметры заготовок фотошаблонов для подложек из четырех видов стекла приведены в таблице.

Отметим такие важные параметры заготовок, как неплоскостность и коэффициент термического расширения - они оба существенно влияют на координатную точность комплекта фотошаблонов.

6.3. Типы фотошаблонов

Фотошаблоны в масштабе 1:1 содержат полный массив изображений отдельных модулей, целиком передаваемых на подложку при экспонировании. Они изготавливаются на оптических или электронно-лучевых генераторах изображений с минимальными погрешностями размеров и расположения элементов.

В контактной фотолитографии такие фотошаблоны называются Эталонными Фотошаблонами (ЭФШ, Masters 1X), а получаемые с них копии - Рабочими Фотошаблонами (РФШ, Copies). РФШ используются для непосредственного репродуцирования изображений на кремниевые подложки.

ЭФШ используются также в некоторых видах проекционной фотолитографии, например, в установках фирмы Perkin Elmer.

Фотошаблоны в масштабе 5:1 обычно называют Промежуточными Фотооригиналами (ПФО, Reticles). Такие шаблоны служат для мультипликации - последовательного многократного экспонирования изображения одного или нескольких модулей на кремниевую подложку.

У становки, которые выполняют такое репродуцирование, называют фотомультиплкаторами или степперами (stepper). Объективы этих установок уменьшают изображение ПФО в 5 раз, соответственно уменьшая также и погрешности этих изображений. Поэтому требования к их изготовлению могут быть несколько мягче, чем в предыдущем случае. В ряде установок масштаб уменьшения может быть отличным от 5, например, 4 или 10.

6.4. Контроль качества фотошаблонов

6.4.1. Контроль размеров

Разработчик шаблонов обычно выделяет группу элементов, для которых особенно важно выдержать в заданном допуске их геометрические размеры, обычно – ширину полосок. Чаще всего это относится к соединяющимся, пересекающимся или близко расположенным между собой элементам.

П огрешности размеров элементов на фотошаблоне могут возникать по следующим причинам: неоптимальные режимы экспонирования, проявления, сушки и травления; плохой подбор фоторезиста и травителя для подложки данного типа; неравномерность слоя фоторезиста.

Качество формирования размеров оценивается при помощи микроскопов типа Nu-2E, МИИ-4 с увеличением 300-400Х. Результаты измерений размеров a_к в нескольких модулях (к=1,2,...,n) на фотошаблоне сравнивают с номинальными значениями размеров этих элементов и определяют погрешность передачи размеров а_к в каждом модуле. Далее определяются математические ожидания и средние квадратичные отклонения (а_к) погрешностей на шаблоне по формулам

;

Величина математического ожидания (среднего значения) погрешностей характеризует общие для всех элементов на фотошаблоне отклонения размеров. Причина появления таких погрешностей - неправильный подбор параметров технологического процесса. Типичные примеры таких отклонений - ошибки в подборе экспозиции, времени проявления фоторезиста и травления защитных слоев.

Средние квадратичные отклонения (а_к) позволяют оценить локальные размерные погрешности элементов. Эти погрешности обусловлены случайными колебаниями параметров технологического процесса, например нестабильностью масштаба изображения при мультипликации, разнотолщинностью слоя фоторезиста, неравномерностью распределения освещенности по полю подложки и др.

6.4.2. Контроль координатной точности

Погрешности совмещения рисунков фотошаблонов не должны превышать 15-20% от минимального размера элемента.

П
ри изготовлении фотошаблонов могут появиться такие погрешности как масштаб, разворот неортогональность отдельных модулей, а также координатные погрешности их размещения в массиве на рабочем поле шаблона:

1. Контроль дефектности

Л
окальные дефекты на фотошаблонах появляются в результате загрязнений в фоторезисте и реактивах (проявителе, травителе), загрязнений из окружающей среды, от контакта с технологической тарой и оборудованием. Все это может приводить к появлению остатков хромовой пленки на прозрачных местах или наоборот – проколам в маскирующей пленке.

Среднюю плотность распределения дефектов определяют подсчетом их количества N на площади S обследования:

_{Площадь S обследования обычно составляет 50-100 структур, что значительно превышает критическую, т.е. наиболее уязвимую для локальных дефектов, площадь структуры Sкр.}

_{Выход P годных структур при случайном распределении дефектов после операции, вносящей  дефектов на единицу площади, можно определить по формуле}

_{При увеличении параметров  и Sкр выход годных структур резко уменьшается, что затрудняет изготовление интегральных микросхем больших размеров. Так, при площади критической области Sкр=0,05мм}² _{и средней плотности дефектов =1мм}^-2 _{выход годных структур после одной фотолитографии P=0,95, а после шести фотолитографий с теми же параметрами P=0,73. При увеличении площади критической области до 0,2мм}² _{выход годных структур после шести фотолитографий падает до Р=0,3, а при Sкр=0,5мм}² _{становится равным 0,05.}

7. Особенности изготовления современных фотошаблонов

В современных условиях изготовление фотошаблонов ведется или непосредственно изготовителем электронной техники, или же они заказываются на крупных фирмах, специализирующихся в этой области технологии.

7. 1. Первичные оригиналы