151633 (Фізико-технологічні основи фотолітографії), страница 3

Для проявлення позитивних резистів використовують водні лужні розчини: (0,3-0,5) % розчин їдкого калію, (1-2)% розчин тринатрійфосфата, органічні луги - етаноламіни. В даний час застосовують спосіб пульверизації проявника, що поліпшує якість проявлення (особливо при малих розмірах зображень) і дозволяє автоматизувати процес.

При проявленні дуже важливо контролювати температуру і величину рН проявника. При зміні величини рН усього лише на десяту частку розмір елемента міняється приблизно на 10% від номіналу.

Сушіння проявленого шару проводиться при температурі 120-180°С. Від температури і характеру підвищення її під час сушіння залежить точність передачі розмірів зображень. Різке нагрівання викликає опливання країв, тому для точної передачі малих розмірів варто застосовувати плавне або ступінчасте підвищення температури.

Видалення фоторезисту здобуває винятково важливе значення, тому що від цієї операції залежить якість наступних технологічних операцій: окислення, дифузії, нанесення металу й ін. Поширено думку, що оскільки між фотолітографією і цими операціями завжди відбувається очищення (відмивання) пластин, то видалення фоторезисту зводиться тільки до руйнування і зняття полімеризованого рельєфу з фоторезисту. Це не так: видалення саме по собі повинно забезпечувати добре очищення поверхні від забруднень, внесених у процесі фотолітографії.

В даний час використовуються наступні методи видалення фоторезисту: деструкція полімеру (наприклад, сульфуванням у сірчаній кислоті); обробка в органічних розчинниках; плазмохімічна, термічна або фототермічна обробка, що зводиться в основному до окисної деструкції в кисні або кисневмісних газах.

Хімічна деструкція, наприклад, позитивного резиста в сульфатній кислоті приводить до утворення коротких ланцюгів полімеру (новолаку) і сульфурованих мономерів. Після обробки в сульфатній кислоті потрібно тільки відмивання водою. Ефективне сульфування йде в нагрітій до 160°С концентрованій кислоті. Крім чистої сульфатної кислоти застосовують її суміші з двохромовокислим калієм (хромпіком) або з пероксидом гідрогену. Останнє переважаюче, тому що в хромпіку утримуються іони калію, що можуть привести до нестабільності параметрів планарних приладів. Суміш сульфатної кислоти з 30 %-им пероксидом гідрогену (3:1) забезпечує при більш низькій температурі (70-100°С) хороше очищення поверхні.

Видалення фоторезисту хімічною деструкцією сульфатною кислотою досить ефективно, але не може бути застосовано для металізованих підкладок. При нагріванні сульфатної кислоти більше 160°С може утворитися плівка сульфатного кремнію, що впливає на процеси окислювання і дифузії.

Для видалення резиста з металевих поверхонь застосовуються такі органічні розчинники, як ацетон, метилетилкетон, целлозольв. Проводять тривалі витримки пластин в органічних розчинниках з послідовним видаленням набряклого рельєфу механічним способом (тампоном). Додавання до органічних розчинників органічних основ (етаноламінів) поліпшує якість процесу. Так, досить ефективне видалення фоторезисту з алюмінію здійснюють у нагрітій до 80°С суміші диметилформаміда з моноетаноламіном (1:1); цю операцію повторюють двічі, контролюючи якість видалення в темному полі мікроскопа. Якість видалення в органічних розчинниках у великій мері залежить від температури другого сушіння. Бажано підібрати такі режими фотолітографії, щоб ця температура була мінімальною (не вище 120°С). При глибокій полімеризації резиста, що настає при 150-200°С, за допомогою органічних розчинників не вдається видалити рельєф з підкладки навіть при додатковому механічному впливі, тобто протиранню тампоном або ультразвуковій обробці.

Обмежені можливості хімічних методів обумовили необхідність розробки більш ефективних способів видалення фоторезисту, у першу чергу, з металевих поверхонь. Так, було знайдено, що при обробці резиста в середовищі кисню при температурах 700-800°С відбувається одночасно окисна і термічна деструкція, резист видаляється з великою швидкістю. Освітлення підкладки ультрафіолетовим світлом дозволяє різко знизити температуру обробки: резист видаляється при 250°С за 25-40 хвилин. Додавання 2% озону прискорює процес видалення резиста.

Все більш широке застосування знаходить в останні роки плазмохімічний метод видалення, в основі якого лежить обробка в низькотемпературній кисневій плазмі при тиску 5·10² Па. У такій плазмі відбувається ряд хімічних перетворень, у результаті яких утворюються активні частки: атомарний кисень, озон і збуджені молекули кисню. Склад атомарного кисню, наприклад, може досягати 10-20%, стільки ж міститься і збудженого молекулярного кисню. Органічні сполуки, такі як фоторезист, під дією активного кисню розкладаються. Введення 1% азоту дозволяє збільшити швидкість видалення фоторезисту на 20%, а 1% водню - на 100% у порівнянні зі швидкістю видалення в чистій кисневій плазмі. Це явище пояснюється каталітичною дією таких домішок, як водень і азот, на вихід атомарного кисню.

Руйнування резиста під дією плазми починається в найбільш вразливих містах - по подвійним зв’язкам. Потім утворюються продукти з малою молекулярною масою; вони в об’ємі плазми піддаються окислюванню, розкладаючись до кінцевих продуктів - вуглекислого газу і води.

Установка для плазмохімічного видалення фоторезисту показана схематично на рис.1.8.

Рис.1.8. Схематичне зображення установки плазмохімічного видалення фоторезисту:

1 - розрядна камера; 2 - індуктор; 3 - обкладки конденсатора; 4 - ротаметр; 5- натікач; 6 - редуктор; 7 - джерело газу; 8 - клапан; 9 - вакуумний датчик; 10 - кришка; 11- вакуум-провід; 12- випускаючий клапан.

Використання ВЧ генератора дозволяє збуджувати розряд електродами, винесеними за межі реакційно-розрядної камери, що забезпечує чистоту хімічних процесів. Кисень надходить у реакційно-розрядну камеру і безупинно відкачується вакуумним насосом для підтримки постійного тиску. Реакційно-розрядна камера має складну конструкцію, від якої залежить якість видалення резиста і ступінь впливу плазми на параметри напівпровідникових структур. Справа в тому, що в камері виникає електромагнітне поле з високою напруженістю, що викликає деградацію параметрів структур, меншу в біполярних і досить істотну в МОН-структур. Індуковані ВЧ плазмою заряди накопичуються на поверхні розділу окисел - кремній і погіршують електричні характеристики. Спостерігалося зниження пробивної напруги р-n-переходів, збільшення струмів витоку, поява інверсійних каналів, зниження коефіцієнта підсилення по струму транзисторів і т.д. Обробка пластин з МОН-структурами викликає появу позитивного заряду в окислі під затвором; напруга плоских зон росте, розкид цього параметра від пластини до пластини також збільшується. Наступний температурний відпал при 500-1000°С частково знімає ці небажані ефекти. Менш чуттєві до обробки в плазмі МОН-структури з кремнієвими затворами і структури, у яких окисел під затвором легований фосфором. Крім того, показано, що, якщо слідом за видаленням резиста в кисневій плазмі провести обробку в аргоновій плазмі, ступінь деградації окисла зменшиться .

Конструкція камер в установках плазмохімічного видалення резиста така, що газ надходить у реакційний об’єм через систему трубок, у яких збуджується розряд. За рахунок цього пластини відділені від зони максимальної напруженості поля. Одна з основних вимог до реакційно-розрядної камери - забезпечення рівномірності процесу видалення. Швидкість окисного руйнування і видалення резиста в плазмі залежить від багатьох факторів: кількості активного кисню, а отже робочого тиску в камері, витрат кисню, падіння тиску в камері, складу і типу домішок у кисні; кількості оброблюваних пластин, точніше, від відстані між ними в касеті - при малих відстанях газ ніби затримується між пластинами і швидкість видалення падає; також важливу роль відіграють положення пластин у камері, геометричні розміри і маса кварцових касет; характеристик самої плазми, обумовлених способом введення кисню в камеру, місцем і методом додавання ВЧ енергії до об’єму газу; типу фоторезисту і товщини шару фоторезисту; рівня ВЧ потужності в розряді, від якого, зокрема, залежить розігрів резиста і підкладки.

Температура тіл, що знаходяться в плазмі, може знаходитись в межах від 50 до 600°С в залежності від рівня потужності i тиску в камері. Розігрів резиста приводить до збільшення швидкості його видалення.

Слід зазначити, що плазмохімічний метод дозволяє видаляти з поверхні підкладок і неорганічні забруднення, що утримуються в резисті або потрапили на поверхню при інших обробках. Плазмохімічні видалення з одночасним очищенням поверхні роблять у ВЧ плазмі кисню і галогеновуглецю (наприклад, фреону). У такій плазмі є й активний кисень, який видаляє органічні сполуки, і активні хімічні речовини, що реагують з неорганічними забрудненнями і перетворюють їх у газоподібні продукти. При цьому видаляються олово, залізо, миш’як, свинець, мідь, цинк, натрій і т.д. Важлива умова ефективності подібної обробки полягає в тім, що суміш кисню і галогеновуглецю необхідно готувати безпосередньо перед подачею в камеру: поділ двох плазм знижує якість видалення.

Склади для проявлення. Як правило для проявлення позитивних фоторезистів використовують 0,05 М розчин їдкого калію, 2%-ий розчин тринатрійфосфата, додаючи іноді до останнього гліцерин для уповільнення процесу.

Варто враховувати, що в широко застосовуваного проявника на основі їдкого калію може змінюватися величина рН через поглинання вуглекислого газу з повітря і вилуджування скляного посуду, у якому зберігають резист. Цей проявник рекомендується готувати з таким розрахунком, щоб він міг бути цілком використаний за 8-10 годин.

Стабільні в часі властивості забезпечують так звані буферні проявники. Один з них (боратний буферний проявник) був досить добре досліджений і показав досить гарні характеристики. Склад боратного буферного проявника визначається співвідношенням:

10 мл 0,05 М Na₂B₄O₇+x мл O,1N NaOH,

де значення х вибирають, виходячи з необхідної величини рН.

Хороше проявлення з різким краєм і точною передачею розмірів починається зі значень рН = 12,3-12,35 (+25°С). Величина рН буферного проявника залишається незмінною протягом місяця і більше.

Проявниками для негативних фоторезистів служать органічні розчинники - толуол, трихлоретилен.

2.ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ЯКОСТІ ФОТОЛІТОГРАФІЇ

2.1.Порушення якості фотолітографії

Від якості проведення фотолітографічних операцій залежить в основному відсоток виходу придатних виробів на стадії дослідно-конструкторських робіт, у професійному і серійному виробництві. Чим складніший виріб, тим важливіша роль фотолітографії.

При літографічних процесах можуть виникати локальні дефекти. Поява хоча б одного локального дефекту приводить до браку всієї інтегральної схеми. Локальні дефекти можуть виникати в силу багатьох обставин: знаходитися у вихідному матеріалі, вноситися при термічних операціях епітаксії, дифузії й окислювання, залишатися на поверхні пластин при недостатньому очищенні; але все ж основним джерелом локальних дефектів є фотолітографія. Особливо це відноситься до застосовуваної в даний час контактної фотолітографії.

Причини, що приводять до порушення якості фотолітографії, можна розбити на наступні.

Локальні дефекти: власні забруднення в основному фоторезисту й у меншому ступені реактивів (проявник, травник); забруднення з навколишнього середовища, внесені в результаті діяльності виробничого персоналу, від контакту з технологічною тарою й устаткуванням; низька якість фотошаблонів - проколи, залишки непрозорої плівки у вікнах і т.д.; дефекти на поверхні підкладки - забруднення, що залишаються після відмивань, для епітаксіальних плівок виступи висотою до 1 мкм; механічні порушення шару фоторезисту в основному від маніпуляції з пінцетом і внаслідок попадання твердих часток між шаблоном і резистом при контакті.

Неточна передача розмірів: неоптимальні режими проведення операції експонування, прояву, сушіння і травлення, а також відхилення від заданих режимів; поганий підбір фоторезисту і травника для підкладки даного типу (ці два фактори варто вибирати спільно, як складові єдиної системи); наявність зазору між шаблоном і шаром фоторезисту через скривлення пластин, попадання між шаблоном і пластиною сторонніх часток і т.д.; специфічні особливості фотошаблона: менша, чим у хромованих, контрастність транспарентних шаблонів і виникаюча в результаті небезпека появи «подвійного краю» або спотворення конфігурації елементів [3,6].

2.2.Методи боротьби з причинами порушення якості фотолітографії

Перш ніж розглядати методи боротьби з перерахованими причинами порушення якості, варто зупинитися на одному важливому положенні. Літературні дані і досвід, накопичений напівпровідниковою промисловістю, говорять про те, що проблему підвищення якості фотолітографії можна вирішити лише при комплексному підході. Тільки створення єдиної системи очищення і фільтрації забезпечує високий вихід придатних виробів підвищеної складності. Недостатньо просто фільтрувати фоторезист або відмивати ретельно пластини; необхідно налагодити фільтрацію навколишнього повітря, усіх газів, стиснутого повітря, води, реактивів, організувати відмивання фотошаблонів і т.д. Комплексне рішення проблеми якості фотолітографії єдино правильний шлях і будь-яка відсутня ланка може звести нанівець інші зусилля.

Для фільтрації фоторезистів використовують мембранні фільтри з різним діаметром пор. Такі фільтри вигідно відрізняються від об’ємних малою неоднорідністю розмірів пор і високою продуктивністю. Неважко зрозуміти, що, якщо навіть мала частина пор буде мати діаметр, більший за номінальний, у резисті залишаться нечисленні великі частки, кожна з них зможе викликати порушення цілісності шару резиста і фільтрація втратить зміст.

У фоторезистах зустрічаються два основних види включень: механічні, тобто пилинки й інші частинки, і хімічні [8].

Крім фільтрації ефективним є очищення резистів центрифугуванням: позитивних з високим вмістом твердого продукту і негативних на основі каучуків.

Фільтрація стиснутого повітря, інертного газу і води здійснюється мембранними фільтрами, що виготовляють з нітроцелюлози, а фільтри для фоторезистів виготовляють з речовин, стійких до впливу органічних розчинників (наприклад, із фторопласта або нейлону). Основний принцип усіх прийомів фільтрації полягає в тому, що фільтр тонкого очищення повинний бути максимально наближений до робочого місця.

Порівняння методів очистки фоторезиста центрифугуванням і фільтрацією можна побачити на рис.2.1.