Tsvetkov_1 (Лекции по фотолитографии)

МИКРОЛИТОГРАФИЯ

1. Типовые объекты обработки, требования к процессу микролитографии.

В огромном арсенале современной техники особое место занимает группа технологий, предназначенных для формирования на поверхности изделий рельефов заданных размеров и формы. В отличие от методов объемной обработки (литье, пластическое деформирование, механическая обработка), технологии формирования поверхностных рельефов изначально предназначались главным образом для создания изделий - носителей информации.

Самыми древними объектами человеческой деятельности в этой области могут считаться шумерские глиняные таблички с клинописными письменами, каменные плиты древнеегипетских пирамид с иероглифами и барельефами, древнегреческие бронзовые таблички с текстами и изображениями. Долгое время для создания рельефов использовали методы и инструменты, применяемые и для других технологий, например чеканку, гравировку, литье. Даже столь революционное событие в истории человечества, как появление книгопечатания, на первых порах мало что изменило в технологии формирования поверхностных рельефов, так как бурно развивавшиеся в ту пору литейные процессы обеспечили полиграфию необходимыми печатными формами.

Однако потребность увеличения тиражей с одновременным снижением стоимости полиграфии привели к созданию ряда специальных методов, предопределивших дальнейшее развитие этой области. К числу этих методов следует отнести следующие.

Литография (от лито... и графия) - способ плоской печати, при котором печатной формой служит поверхность камня. Изобретена в 1798 г. Изображения на литографский камень наносят тушью или литографическим карандашом.

Офорт (от франц. eau-forte - азотная кислота), способ создания гравюр: рисунок процарапывается гравировальной иглой в слое кислотоупорного лака, покрывающего металлическую пластину, процарапанные места протравливаются кислотой, а полученные углубления заполняются краской и оттискиваются на бумагу.

Фотография как способ получения видимого изображения объектов на светочувствительных материалах.

Объединение возможностей этих методов привело к появлению фотолитографии, то есть метода создания группового поверхностного рельефа на плоских поверхностях камне или металле с применением фотографии.

С конца XIX и до середины XX века фотолитография развивалась в рамках полиграфических технологий, а также изредка применялась при художественной обработке различных изделий. С конца 50-х - начала 60-х годов нынешнего столетия в связи с бурным развитием электронных и информационных технологий фотолитография претерпела второе рождение уже как метод формирования конфигураций и рельефов элементов микроэлектронных приборов и других прецизионных изделий. Возможность одновременного и относительно быстрого получения огромного числа элементов микроэлектронных структур, резкое уменьшение их размеров до микронного и субмикронного уровня оказали революционное воздействие на развитие электронных технологий. Не случайно фотолитография, в более общем случае - микролитография, стала ключевой технологией современного микроэлектронного производства.

Возможности современной микролитографии не остались без применения в смежных, родственных областях техники. Технология микроэлектроники, некогда позаимствовав у многих из них основополагающие принципы, со временем вернула им доведенные до высочайшего уровня промышленные технологии.

Номенклатура изделий, размеры элементов которых достигли микронного и даже субмикронного уровня, весьма велика. В настоящее время помимо полупроводниковой твердотельной микроэлектроники уровень развития таких ведущих отраслей современной техники как электроника в целом, приборостроение, микромеханика, полиграфия во многом определяется степенью миниатюрности производимых и применяемых в них изделий и компонентов.

Рассмотрим некоторые типовые объекты обработки и соответствующие им особенности процесса микролитографии.

Микроэлектроника. Переход от дискретных сплавных полупроводниковых приборов к твердотельным и гибридным интегральным схемам (ИС) стал возможен благодаря изобретению планарной (поверхностной) технологии.

Суть метода состоит в формировании многослойной структуры, в которой элементы различных слоев взаимодействуют между собой, образуя активные полупроводниковые приборы, резисторы и т.д.

Формирование на плоскости конфигураций этих элементов с помощью микролитографии, по существу полиграфического метода, позволяет реализовать групповое “впечатывание” совокупности элементов очередного слоя в аналогичную совокупность элементов, полученных на заготовке ранее.

Непрерывное возрастание сложности ИС привело к тому, что, начиная с 1960 г. размеры уменьшались в среднем на 13% в год. Так, минимальный размер элементов, равный 2 мкм в 1982 г., в 1992 г был уменьшен до значения 0,5 мкм. В настоящее время получены приборы с размерами элементов 0,35 мкм, ведутся разработки по созданию приборов с минимальным размером элемента 0,18 мкм и менее.

Одновременно с уменьшением размеров элементов происходит увеличение их количества, приходящегося на один кристалл ИС. Это можно показать на примере запоминающего устройства (ЗУ). В таблице 1 приведены параметры кристаллов ЗУ емкостью 256 Кбит...1 Гбит, уже полученных или осваиваемых в промышленном производстве. Как следует из таблицы, прогноз развития ЗУ предусматривает каждые три года уменьшение размеров элементов и возрастание площади кристалла примерно в раз. Заключительная строчка таблицы характеризует требуемую точность положения края элемента. В этот параметр входят точность формирования размера элемента и точность его размещения на рабочем поле. В сумме эти значения не должны превышать 40% от минимального размера элемента.

Таблица 1

Требования к микролитографии в производстве ЗУ

Следует учитывать, что размещение элемента на рабочем поле предусматривает его точное совмещение с уже имеющимися на подложке. Такое послойное совмещение при изготовлении сложных схем может повторяться до 10...22 раз, причем подложки между литографиями подвергаются высокотемпературной обработке. Все это привело к постоянному росту требований к процессу микролитографии. Так, для изготовления ЗУ с емкостью памяти, например, 1 Мбит необходимо каждый из 50 миллионов элементов шириной 1 мкм, расположенных внутри кристалла 10х10 мм изготовить с погрешностью не более 0,2 мкм, совместив при этом их с элементами предыдущего слоя с погрешностью не более 0,3 мкм.

Поскольку промышленное производство таких приборов ведется на подложках диаметром 100 – 200 мм, число формируемых и совмещаемых элементов увеличивается на подложке по сравнению с модулем примерно на два порядка при сохранении, естественно, требований к их размерам и точности совмещения.

Столь жесткие, зачастую беспрецедентные требования к разрешающей способности и точности процесса привели к тому, что одной из главных проблем микроэлектронного производства является создание рисунка топологии ИС - микролитография.

Микромеханика. Этот раздел современных высоких технологий переживает в последнее десятилетие бурное развитие и рост масштабов промышленного освоения. Его объектами являются микромеханические устройства, в которых кремний используется в качестве конструкционного материала.

Использование фотолитографии совместно с послойным синтезом позволило реализовать групповую обработку изделий и одновременно создавать на единой подложке сотни одинаковых устройств. При этом размеры элементов этих устройств по ширине не превышают десятков микрометров, а их толщина - единиц микрометров. Изготавливаемые из кремния толщиной 5...20 мкм упругие мембраны и балки превосходят по механическим свойствам металлические упругие элементы .

Это позволило создать на их основе широкую гамму микроминиатюрных сенсоров для измерения широкого ряда физических величин (давления, силы, ускорений), а также химических и термических параметров.

а) б) в)

Кремниевые изделия микромеханики

а – кремниевый микродатчик давления в сечении, б – вид сверху на мембраны датчиков давления, левая из которых вдавлена атмосферным давлением, в – кремниевые микрозеркала на упругих подвесах.

Кроме того, изделия микромеханики стали широко использоваться в качестве датчиков “кожного зрения” роботов, на их основе создаются кинематические элементы микророботов для медицинских исследований, оптические модуляторы для ЭВМ, микроприводы и микродвигатели.

Формируемые с помощью микролитографии и прецизионного гальванического осаждения металлические структуры (технология LIGA) позволили осуществить прорыв в прецизионном приборостроении.

а) б)

Кремниевые зубчатые зацепления

а – зубчато-реечная передача, б – увеличенное изображение зубчатых пар из поликремния

Приборостроение. Особенностью рассмотренных выше изделий микроэлектроники и микромеханики является то, что они формируются в одном монокристалле полупроводника (обычно кремния). В месте с тем, при создании законченных электронных блоков и приборов часто необходимо, чтобы основой для формирования схемы служила подложка из пассивного материала. Чаще всего она изготавливается из керамики, ситалла или полиимидной пленки, на поверхность которой тем или иным способом наносится требуемый рисунок схемы. Тонкие пленки для формирования элементов схемы наносят вакуумным напылением, а толстые - нанесением через трафарет или электроосаждением. Получаемые таким таким образом тонкопленочные схемы содержат лишь пассивные элементы - резисторы, конденсаторы, межсоединения, контактные площадки. Активные элементы - диоды, транзисторы, интегральные схемы присоединяются к подложке различными методами сборки, формируя таким образом гибридные интегральные схемы.

Минимальные размеры элементов тонкопленочных схем составляют 2-10 мкм, толстопленочных - 50 мкм. В часто используемых многослойных структурах требуется совмещать элементы слоев, которые могут размещаться на противоположных сторонах подложки.

Окончательную сборку микроэлектронных компонентов (дискретных приборов, твердотельных и гибридных интегральных схем) производят на печатных платах, представляющих собой диэлектрические подложки из текстолита или гетинакса с нанесенным на них слоем медной фольги толщиной 30-50 мкм. Топологию печатной платы формируют также фотолитографией, причем большинство современных печатных плат имеет рисунки на обеих сторонах. Минимальные размеры элементов на печатных платах составляют 50-100 мкм, при этом общие их габариты могут доходить до 200-400 миллиметров.