Основные параметры процесса экспонирования

• Интенсивность излучения (плотность мощности) I (мВт/см²) – это энергия (мощность) P (мВт ) светового потока, падающего на поверхность S (см²) фоторезиста в единицу времени (мВт/см²)

I = P/ S

• Экспозиция (доза) Е – доза актиничной световой энергии, падающая на слой фоторезиста в процессе экспонирования:

E = I x t (мДж/см²)

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

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

Фотохимические законы

Фотохимические реакции подчиняются нескольким фундаментальным законам, важнейший из которых, закон Дреппера-Гроттуса (John William Draper, Theodor von Grotthuss) 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 (Robert Wilhelm Bunsen, Henry Enfield Roscoe) или закона взаимозаместимости:

количество (концентрация) продуктов фотохимической реакции пропорционально произведению плотности (мощности) потока излучения и времени облучения. Это произведение называется дозой.

Таким образом, 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. Таким образом, если излучение поглощается, например, кожей, результирующее воздействие зависит от дозы облучения, а не от уровня облученности.

В фотобиологии это явления называется зависимостью “доза-реакция”

для конкретного воздействия. Как уже упоминалось выше, оптическое излучение может оказывать воздействие только в случае поглощения так называемыми хромофорами (пигментофорами) облучаемой материи.

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

Поглощенное инфракрасное излучение возбуждает в молекуле вращательные или колебательные энергетические уровни, вызывая фотофизическую реакцию. Такой тип поглощения ведет к рассеянию тепла в поглощающей материи. Этот эффект разогрева используется во многих медицинских применениях, например, в теплолечении, гипертермии и в спортивной физиотерапии. Однако в фотолитографии он может оказывать нежелательное побочное действие, разогревая фоторезист и подложку.

Свойства фоторезистов

Основными параметрами микрорельефа в фоторезисте являются его ширина и наклон края профиля. Размер и форма профиля определяются дозой экспозиции, пространственным распределением интенсивности актиничного излучения, свойствами фоторезиста.

Для фоторезистов критерием чувствительности является образование локальных участков с высокими защитными свойствами.

В случае негативных фоторезистов это означает задубливание или полимеризацию в экспонированных областях пленки фоторезиста на определенную толщину, достаточную для эффективной защиты от воздействия травителей.

Для позитивных фоторезистов, напротив, критерием чувствительности является полнота разрушения актиничным излучением пленки резиста в областях, подлежащих проявлению. По мере увеличения экспозиции уменьшается толщина слоя фоторезиста, остающегося после проявления. Зависимость, связывающая толщину этого слоя с величиной экспозиции (обычно логарифмом) называется характеристической кривой.

Отметим, что действие на фоторезист поглощенной энергии экспонирующего излучения определяет контраст фоторезиста.

К
онтраст фоторезиста определяется по характеристической кривой, описывающей его толщину после проявления в зависимости от полученной им дозы экспозиции (рис. 1).

Рис. 1, а Характеристическая кривая позитивного фоторезиста

б) в)

Рис. 1, б - Экспериментальная кривая, в - переход к логарифмической шкале

Наклон касательной к нормированной характеристической кривой используют для количественной оценки контраста (рис. 1, а):

,

где E₁ – доза, при которой начинается проявление фоторезиста,

E₀ – пороговая доза, при которой после проявления не остается фоторезиста.

Для распространенного позитивного фоторезиста AZ-1350J пороговая доза E₀ составляет 90mJ/cm² .

К
онтраст является количественным показателем того, насколько хорошо фоторезист преобразует размытое пространственное изображение в четкий, бинарный рельеф.

Рис. 2 Пространственное изображение элемента топологии

а – идеальное, б – реальное, после прохождения оптической системы

О
чевидно, что высококонтрастные фоторезисты позволяют повысить разрешение всего литографического процесса.

Рис. 3 Формирование профиля в фоторезисте

а – с низким контрастом, б – с высоким контрастом

Максимальный контраст позитивных резистов составляет 3…4, типовые значения 2…3. В последнем случае доза E₀ в 10^1/3-10^1/2 больше, чем E₁. Например, эти значения могут составлять, как показано на рис. 1, б E₁ = 20 мДж/см² и E₀ = 50 мДж/см².

Таким образом, пороговая экспозиция является важнейшим показателем чувствительности фотрезиста. Эта экспозиция определяет минимальную дозу излучения, которую должен получить каждый подслой пленки фоторезиста, для того чтобы вся эта пленка была удалена при проявлении.

Из-за сильного поглощения фоторезиста эта доза при заданной интенсивности источника будет прежде всего набираться в верхних слоях пленки фоторезиста и лишь с течением времени – в нижних.

Рис. 4. Кривые поглощения фоторезиста AZ-1350

Дана нормализованная характеристическая кривая фоторезиста, а также распределение интенсивности излучения на поверхности фоторезиста. Построить изображение профиля после проявления при времени экспонирования 1 с и 3 с.

Учесть, что (1 мВт) х (1 с) = 1 мДж.

Следует нарисовать график распределения экспозиции при 1 с и 3 с и сопоставить его с характеристической кривой.