Tsvetkov_8 (Лекции по фотолитографии)

8. Установки совмещения и экспонирования

В
промышленном производстве интегральных схем основными способами передачи изображения фотошаблона на заготовку является фотолитография - контактная и проекционная (рис. 1).

Рис. 1 Передача изображения контактной (а) и проекционной (б) фотолитографией

8.1. Установки совмещения и экспонирования контактного типа

В контактной фотолитографии экспонирование фотошаблона ведется при прижиме его к подложке. При этом предполагается, что остаточные микрозазоры между фотошаблоном и подложкой в зависимости от усилия прижима в разных областях рабочего поля составляют 0 - 2 мкм при жестком контакте, до 15 мкм при мягком контакте и до 25 микрометров при экспонировании с гарантированным микрозазором. Таким образом, в этом методе, несмотря на его название, экспонирование большей части подложки ведется при наличии микрозазора. Это определяет дифракционные явления, которые превращают номинальный прямоугольный профиль распределения интенсивности на объекте (шаблоне) Io в сложный, трудно прогнозируемый профиль изображения Ii на поверхности фоторезиста (рис. 1, а).

В распределении интенсивности можно выделить некоторые характерные точки, такие как наибольший максимум интенсивности в затененном участке (точка А), наименее освещенная точка светлого поля (точка В) и точка, отвечающая краю геометрической тени (точка С).

При завышенном времени экспонирования экспозиция в точке А может оказаться достаточной для полного удаления фоторезиста в этой точке при проявлении. В этом случае в области тени, там, где требуется сохранить маскирующую пленку фоторезиста, появятся сквозные полосы обнаженной подложки, так называемый "двойной край". При заниженном времени экспонирования экспозиция в точке В может оказаться недостаточной и в освещенной области изображения сохранятся валики неудаленного при проявлении фоторезиста.

На практике для оценки разрешения контактной фотолитографии используют растры с одинаковыми прозрачными и непрозрачными полосами, при этом полагают, что

где - ширина полосы растра,

z - микрозазор между фотошаблоном и поверхностью фоторезиста

h - толщина фоторезиста

В случае жесткого контакта единственным "спейсером" между фотошаблоном и заготовкой является фоторезист (считается, что на значительной части рабочей зоны z = 0) и поэтому разрешение определяется выражением

В ряде случаев экономически целесообразно проводить экспонирование при гарантированном микрозазоре, величина которого может доходить до 50 и даже 100 мкм, что значительно превышает толщину фоторезиста. В первом случае обеспечивается разрешение в 7 мкм, а во втором - 10 мкм, что хорошо согласуется с вариантом формулы

и вполне достаточно, например, для тонкопленочных приборов

В прецизионной кремниевой технологии данное выражение также применимо, но с меньшим коэффициентом

Приведенные формулы пригодны для укрупненной оценки возможностей фотолитографических систем контактного типа, в них явно угадываются параметры, определяющие дифракционные эффекты: длина волны , зазор , размер окна в фотошаблоне .

По принципу действия установки совмещения и экспонирова­ния (УСЭ) контактного типа аналогичны рассмотренным в предыдущем реферате установкам размножения рабочих фотошаблонов. Вместе с тем УСЭ должны отвечать ряду дополнительных требований.

Прежде всего, при многократном репродуцировании изображе­ний фотошаблонов на полупроводниковую подложку необходимо точно (в пределах 0,5... 1 мкм и менее) совмещать изображение очередного фотошаблона с изображением на подложке.

Необходимо учитывать, что погрешности формы полу­проводниковых подложек (разнотолщинность, клиновидность, не­плоскостность) выше, чем у стеклянных заготовок фотошаблонов. Кроме того, на подложки наносятся технологические слои и плен­ки, они подвергаются высокотемпературным операциям—окисле­нию, эпитаксии, диффузии. Все это ведет к короблению подложек и резкому увеличению их неплоскостности, что сильно затрудняет обеспе­чение равномерного контакта подложки с шаблоном при экспони­ровании.

В связи с этим, в установку совмещения и контактного экспонирования введены ряд дополнительных механизмов. К ним относятся:

1. узел автоматической загрузки-выгрузки и предварительной ориентации подложек;

2. механизмы подготовки совмещения (выравнивания поверхностей фотошаблона и подложки, создания микрозазора);

3. манипулятор

4. микроскоп совмещения

Механизмы подготовки совмещения предназначены для парал­лельного выравнивания поверхностей подложки и фотошаблона и создания микрозазора между ними. Эти операции необходи­мы для качественного выполнения совмещения подложки и фото­шаблона, выполняемого с помощью микроскопа.

Для увеличения разрешающей способности микроскопа увеличивают апертуру его объектива, однако при этим существенно уменьшается глубина резкости, обратно пропорциональная квадрату апертуры: , где Т- глубина резкости в мкм, А – числовая апертура.

Так, для по­лучения разрешающей способности W = 1 мкм необходима аперту­ра А = 0,3 , при этом глубина резкости Т=7 мкм. Соответственно для W = 0,6 мкм А=0,5 и Т2...3 мкм. В результате даже не­большие отклонения по толщине подложек или их клиновидность могут оказаться соизмеримыми с глубиной резкости микроскопа, составляющей в большинстве случаев 5...20 мкм. При увеличении микрозазора оператор нечетко видит при совмещении рисунки фо­тошаблона и подложки. При уменьшении микрозазора возраста­ет вероятность контакта в отдельных зонах, и в результате резко увеличивается износ фотошаблона и повреждение фоторезиста на подложке. В связи с этим необходимо обеспечить постоянство микрозазора независимо от разнотолщинности и клиновидности подложек.

Принципиальная схема УСЭ контактного типа

Механизмы выравнивания рабочих поверхностей подложки и фотошаблона должны обеспечить поворот подложки относительно любой из осей, проходящих через ее центр, с последующей фикса­цией этого положения.

Наиболее распространенным является механизм, представленный на рис2, состоящий из полусферического под­пятника, в который подается сжатый воздух для взвешивания сегмента на воздушной подушке. При достижении плотного контакта подложки с фотошаблоном сжатый воздух пе­рекрывается, а подключение гнезда к вакууму обеспечивает фик­сацию сегмента.

Для уменьшения износа фотошаблона выравнивание поверхно­сти подложки ведут не по всей его поверхности, а лишь по пери­ферийной части, Для этого между подложкой и фотошаблоном вводят калибратор.

В качестве калибратора может использовать­ся пластина с базовыми выступами или несколько отдельных про­кладок.

М еханизмы создания микрозазора должны обеспечить посто­янство требуемого микрозазпра между подложкой и фотошабло­ном независимо от разнотолщинности подложек. С этой целью подложкодержатели выполняются самоустанавливающимися по высоте, а величина микрозазора задается упорами или кулачко­выми механизмами.

В механизмах создания микрозазора всех типов мягкий под­жим подложки к фотошаблону и самоустановка подложкодержателя обеспечиваются введением в цепь передаточных звеньев пру­жины.

Механизмы выравнивания поверхностей и создания микрозазо­ра между подложкой и фотошаблоном обычно компонуются в ви­де единого узла вертикальных перемещений. Конструкция такого узла показана на рис1. Прижим подложки че­рез калибратор к фотошаб­лону происходит при вклю­чении приводного электро­двигателя 1, который через пару шестерен 7 и 8 вра­щает кулачок 2. Косой срез кулачка набегает на ролик штока 3, а тот через пру­жину 4 воздействует на чашку 5. После окончания выравнивания поверхностей сферический сегмент фи­ксируется подключением чашки 5 к вакууму. Дальнейшее вращение кулачка 2 по­зволяет опустить подложкодержатель вниз для отвода калибратора, а затем снова поднять его вверх для создания между подлож­кой и фотошаблоном микрозазора для совмещения. На кулачке выполнено восемь разновысоких площадок, позволяющих регули­ровать величину микрозазора от нуля до 50 мкм. Это позволяет проводить не только контактное, но и теневое экспонирование с гарантированным микрозазором.

Манипулятор обеспечивает перемещение подложки по ортогональным осям и ее поворот при совмещении с фотошаб­лоном.

Блок экспонирования УСЭ контактного тина во многом анало­гичен осветителю установки тиражирования фотошаблонов. В ка­честве источника используется ртутно-кварцевая лампа , излучение которой с помощью рефлектора направляется па зеркало и в блок линзовых растров . Следующие зеркало направляет расходя­щиеся пучки излучения на конденсор, пре­образующий его в па­раллельный (в преде­лах угла коллимации) поток актиничного из­лучения. На корпусе блока экспонирования крепится микроскоп установки.

В микроскопах УСЭ расстояние между осями объективов ре­гулируется. Возможна также замена объективов микроскопа, позволяющая применять различные увеличения.

Схема и принцип действия двупольного микроскопа

Микроскоп установки выполнен по двухпольной схеме и включает две самостоятельные оптические ветви, изображении из которых поступает в одно поле зрения. Каждая ветвь содержит осветительную систему 1,2,3 и 7,9,10 а также объективы 4, 8.

Изображение от объективов передается через полупрозрачные зеркала 3 и 7 и систему линз в наклонный тубус, а затем в оку­ляры бинокулярной насадки 11. При последовательном включении двух источников света 1 и 10 в по­ле зрения окуляра четко видно изображение, поступающее от со­ответствующего объектива.

В микроскопах УСЭ расстояние между осями объективов ре­гулируется. Возможна также замена объективов микроскопа.

8.2. Проекционные установки совмещения и экспонирования