2. Роль и место микролитографии в современной микротехнологии.

К концу 20-го столетия в технике сформировалось самостоятельное научно-техническое направление, получившее название микротехнология (microtechnology).

Основным назначением микротехнологии является формирование на поверхности изделий рельефов заданных размеров и формы и их последующая сборка. Размеры элементов формируемых рельефов как правило очень малы и в ряде случаев составляют единицы и даже доли микрометра. Именно поэтому одним из ключевых процессов современной микротехнологии является микролитография (microlithography). Появившись в начале 60-х годов, этот процесс бурно развивался, и позволил за 40 лет уменьшить минимальные размеры обрабатываемых изделий с 20 мкм до 0,2 мкм. К настоящему времени разработаны различные варианты микролитографии: фото-, электроно-, йоно-, рентгенолитография. Наиболее распространенным, промышленным вариантом этого процесса является фотолитография (photolithography).

Суть процесса фотолитографии состоит в переносе в слой фоторезиста изображения фотошаблона - сначала в виде скрытого изображения, а затем в виде рельефа (рис. 1). Для этого фотошаблон, уже содержащий требуемую топологию, освещается равномерным пучком ультрафиолетового излучения, а оптическая система передает его изображение в фоторезист. Изображение фотошаблона передается на подложку одновременно и целиком, что является важным достоинством фотолитографии, обеспечивающим высокую производительность процесса.

Профиль рельефа в фоторезисте должен отвечать чрезвычайно жестким требованиям к своей геометрии, поскольку он выполняет роль маски для последующих операций. Спектр этих

операций, включающих как локальное нанесение, так и напротив - локальное травление материалов - весьма широк и объединяется единым термином микрообработка (micromachining) .

Как уже отмечалось, размеры элементов топологических рисунков могут быть менее 1 мкм, а их число даже в одном модуле может превышать 1 миллион. Это предъявляет особые требования не только к номинальному размеру окна на поверхности подложки, но и к остаточной толщине фоторезиста, и к углу наклона профиля. Допуск на размер минимального элемента назначается в зависимости от вида последующих операций (локальное нанесение материалов или травление заготовки), однако обычно он не превышает ±15% от размера элемента с 5%-ным допуском на требуемый наклон краев.

3. Сущность процесса микролитографии.

Процесс микролитографии предусматривает формирование на поверхности заготовки слоя резистивного, т.е. стойкого к последующим агрессивным воздействиям, материала, способного под действием облучения определенной длины волны необратимо менять свои свойства. Прежде всего это относится к стойкости по отношению к специальным составам – проявителям.

После обработки в проявителе из резистивного слоя удаляются локальные участки, а оставшийся рельеф образует резистивную маску для проведения последующей микрообработки.

В зависимости от длины волны применяемого излучения микролитография может быть реализована в виде фото-, рентгено- и электронолитографии (рис. ).

Фотолитография по способу передачи изображения может быть контактной и бесконтактной (экспонирование на микрозазоре и проекционное экспонирование). Рентгенолитография предусматривает экспонирование всего шаблона с гарантированным зазором, а электронная литография может выполняться путем последовательной передачи рисунка на резистивный слой сфокусированным электронным лучем (сканирование) или путем одновременной проекции всего рисунка шаблона.

Наиболее распространенным видом микролитографии является фотолитография, поэтому именно ей будет посвящено основное внимание. Отметим, что в фотолитографии используется ультрафиолетовое излучение с длиной волны 0,36 - 0,43 мкм.

Итак, в соответствии с ранее приведенным определением фотолитографический процесс включает следующие основные этапы:

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

• экспонирование фоторезиста через фотошаблон ультрафиолетовым излучением. В результате этого в слое резиста образуется скрытое изображение рисунка шаблона.

• п
  роявление, 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.

4. 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. , а).

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

Позитивные фоторезисты.

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

О сновой 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).

О тметим, 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.

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

При 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. ), так как энергия фотонов такого излучения мала.

Б олее коротковолновое излучение 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. ) 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.

П
ри поглощении "полезного" или, как его называют, актиничного излучения молекулой НХД идет следующая реакция: