151633 (Фізико-технологічні основи фотолітографії), страница 4

Внесені ззовні забруднення можуть виникати з зовнішніх або внутрішніх джерел. Зовнішні джерела забруднення - це навколишнє середовище. Повітря, що надходить на ділянки фотолітографії, повинно фільтруватися особливо ретельно.

Одним з найбільших джерел дефектів є операція експонування і суміщення [12]. Будь-яка частинка, що потрапила між шаблоном і резистом при контакті може викликати появу локального дефекту. Тверді частинки кремнію і скла механічно порушують шар резиста. М’які непрозорі частки, такі, як порошини і волокна, не сильно пошкоджують шар резиста, але можуть локально екранувати потік світла під час експонування, що при використанні позитивного резиста викликає появу проколу. Приведемо перелік практичних заходів, що знижують дефектність на цій операції.

1. Ретельне протирання установки суміщення, періодичне обдування чистим повітрям, розміщення в боксі з ламінарним потоком.

2. Робота тільки з неушкодженими пластинами кремнію; бажано, щоб краї їх були закруглені травленням. При поломці пластини на установці потрібно добре очистити столик, обдувши його чистим повітрям.

3. Періодичне відмивання фотошаблонів, чи обдування чистим повітрям пластин перед приведенням в контакт .

4. Контроль площинності пластин (не можна працювати зі скривленими), а при використанні епітаксіальних плівок - усунення виступів, наприклад, за допомогою попереднього контактування з бракованим шаблоном на спеціально виділеній установці суміщення.

Важливу роль відіграє відмивання (очищення) фотошаблонів. На робочій поверхні шаблонів при контактній фотолітографії завжди налипають залишки резиста, особливо при неоптимальних умовах першого сушіння, коли резист залишається «вологим», або при занадто сильному притиску шаблона до шару. Шаблони поміщають в ацетон і протирають тампоном, потім витримують у хромпіку (1 - 1,5 хв.), ретельно промивають деіонізованою водою і сушать струменем очищеного повітря. Досить ефективно фотошаблони очищаються в кисневій плазмі.

Механічні порушення шару фоторезисту від маніпуляцій пінцетами виникають в основному відразу ж після його нанесення, коли шар знаходиться у в’язко текучому стані, і після проявлення, коли шар набухає. Для порушення шару досить мінімальних зусиль при контакті з пінцетом, навіть якщо застосовуються фторопластові наконечники. Для боротьби з цим видом браку для завантаження - вивантаження пластин рекомендується застосовувати спеціальні вакуумні пінцети, що присмоктують пластину зі зворотної сторони.

Розглянувши причини появи локальних дефектів і методи боротьби з ними, можна сформулювати найбільш загальні вимоги, виконання яких необхідно для зниження густини дефектів при фотолітографії:

1. Необхідно створити мінімальне забруднення навколишнього середовища, зменшувати час взаємодії пластин з навколишнім середовищем (тобто прискорити операції і виключити простої) і підтримувати постійний ламінарний потік повітря, що запобігає осіданню частинок на поверхню резиста.

2. В основному увагу варто звертати на чистоту в двох випадках: коли резист «вологий» (нанесення, перше сушіння, після проявлення) і при експонуванні - суміщенні. Найбільша кількість дефектів виникає саме при контакті шаблона із шаром фоторезиста, тому крім підтримки чистоти треба домагатись того, щоб сила контактування була мінімальною. Радикальним рішенням є перехід на безконтактну фотолітографію - проекційну і фотолітографію із зазором.

3.Зниженню дефектів значною мірою сприяє автоматизація технологічних операцій і особливо процесів завантаження, транспортування і вивантаження пластин; маніпулювання пінцетами у виробництві складних приладів неприпустимо.

Перейдемо до групи порушень точності фотолітографії, зв'язаних з неточною передачею розмірів і поганим експонуванням [7,3] . Варто сказати, що поділ на дві групи носить умовний характер, оскільки у фотолітографії фактори, що визначають появу дефектів або порушення точності передачі, тісно зв'язані. Наприклад, суміщення, здавалося б, не має нічого загального з виникненням локальних дефектів, на практиці виявляється критичною операцією: неуважність оператора, який виставив занадто малий зазор при суміщенні або викривленні пластини можуть привести до серйозних ушкоджень фотошаблона і шару резиста.

Підбір оптимальних режимів проведення фотолітографічних операцій забезпечує необхідну точність передачі при мінімумі дефектів; для оптимізації режимів можуть бути рекомендовані два способи. Відповідно до першого з них на фотошаблон наклеюють зверху (з неробочої сторони) непрозору маску з 16 квадратними отворами розміром приблизно 4х4 мм². Зверху маски поміщають екран і, зрушуючи його, задають різні витримки, тобто різні дози енергії експонування. Проекспоновану в такий спосіб пластину проявляють також ступінчато, опускаючи в проявник по одному ряду отворів на заданий час; при цьому напрямок повинний бути перпендикулярним напрямку зміни експозиції. Таким чином, на кожній пластині кремнію з нанесеним на ній шаром фоторезисту визначеної товщини можна одержати 16 зон з різними умовами експонування і проявлення. Вимірюючи при відповідному збільшенні розміри проявлених елементів і зіставляючи їх з розмірами тих же елементів на фотошаблоні, знаходять ту зону, у якій точність передачі розміру близька до одиниці. Якщо таких зон трохи, вибирають зону, для якої час проявлення мінімальний (щоб густина дефектів була мінімальною). Іноді не вдається одержати необхідний результат відразу, тоді дослід повторюють, змінюючи час експонування і проявлення.

Другий спосіб полягає у використанні ступінчатого оптичного клина, що поміщається над фотошаблоном. Оптичний клин дозволяє змінювати дозу при одній і тій же витримці. Для розширення діапазону експозицій можна використовувати непрозорий екран із вмонтованим у нього оптичним клином: зсуваючи екран із клином, одержують на пластині 3-4 відбитки з різними витримками. При цьому з’являється можливість ступінчатого проявлення: кожний з відбитків витримують у проявнику різний час. У результаті на одній пластині реалізують 30 режимів експонування і проявлення.

При конструюванні сучасних ліній фотолітографії значну увагу приходиться приділяти проблемам транспортування пластин, яке забезпечує мінімум контактів [7].

Є дві основні тенденції, обумовлені способом нанесення резиста. У першому варіанті при конструюванні лінії використовують касетне завантаження-вивантаження і транспортування пластин па повітряній подушці. Пластини надходять на вхід лінії у вертикальній касеті (20-50 пластин діаметром від 22 до 89 мм). Пневмосистема за короткий час (на 1 пластину потрібно близько 1 с) переміщає їх у накопичувач, звідки вони по повітряній подушці попадають на 4 - 8 паралельно працюючі центрифуги. Далі знову збираються пневмосистемою у касету, передаються на сушіння і т.д. У процесі всіх обробок пластини подаються автоматично з касет в установки або обробляються безпосередньо в касетах, у залежності від характеру технологічної операції.

Чисте повітря продувається у вузькі похилі щілини діаметром 0,6 мм і виходить па поверхню направляючої. За рахунок швидкого руху повітря створюються локальні розряди, що притягають пластину і штовхають її вперед. Використовуючи касетні установки і транспортування пластин па повітряній подушці, можна створити цілком автоматичну лінію.

3.МЕТОДИ ФОТОЛІТОГРАФІЇ

3.1.«Подвійна» фотолітографія

Можливі два різновиди цього методу. Один з них полягає в тому, що наносять шар фоторезисту, сушать, експонують вдвічі меншою дозою, ніж потрібно для повного руйнування резиста (відноситься до позитивного резиста) і проявляють протягом часу також вдвічі меншого за оптимальний. Потім пластину промивають від проявника, проводять перше сушіння і знову експонують, але використовуючи фотошаблон з іншим розподілом локальних дефектів. Таким шаблоном може бути просто інший дублікат, якщо еталонний шаблон не містив локальних дефектів і всі дефекти вносилися на стадії виготовлення дублікатів, або дублікат, зроблений з іншого еталона, що характеризується своїм розподілом локальних дефектів. У найпростішому випадку використовують той же шаблон, що і на першій стадії, але зсувають його на крок. Точно суміщають другий шаблон з проявленим рельєфом і проводять експонування з половинною дозою. Проявивши (половинний час) шар після другого експонування, одержують цілком відкриті елементи, у місцях розташування локальних дефектів шар резиста зруйнований тільки наполовину і наскрізний прокол не виникає. Можливий варіант, по якому на першій стадії шар не проявляють, а при суміщенні використовують зелений інтерференційний фільтр, за допомогою якого вдається виділити експоновані області, що змінили відбиваючу здатність з тієї причини, що в них велика частина молекул нафтохінондіазида зруйнована світлом. Цей варіант кращий, тому що лужний проявник сам по собі створює локальні дефекти в шарі фоторезисту.

Відповідно до другого методу спочатку проводять всі операції фотолітографії, за винятком травлення підкладки, наприклад, окисленого кремнію. Травлення окисла здійснюють наполовину. Потім видаляють резист, миють підкладку і піддають її повторній обробці; дозволено використовувати обробку ІЧ випромінюванням. На оброблену підкладку знову наносять шар фоторезисту, сушать, суміщають і експонують, використовуючи шаблон з іншим розподілом локальних дефектів, проявляють, проводять друге сушіння і, нарешті, повністю протравлюють окисел у вікнах. Локальні дефекти до кінця при цьому не протравлюються. Існує реальна небезпека того, що в місцях дефектів маскуюча здатність окисла порушується, навіть якщо він і травився протягом вдвічі меншого часу, ніж це потрібно для повного протравлення.

Обидва методи «подвійної» фотолітографії знижують продуктивність, і тому застосовують їх при крайній необхідності, наприклад при створенні контактних вікон, де найменший прокол викликає брак.

3.2.«Подвійні» фотошаблони

Виготовляють робочий хромований дублікат, що має деякий розподіл наскрізних дефектів і дзеркальний дублікат з іншим розподілом наскрізних дефектів (з іншого еталонного шаблона або зі зміщенням на крок). Потім на робочий дублікат за допомогою піроліза наносять плівку двоокису кремнію товщиною 0,4-0,8 мкм і на неї плівку хрому. Наносять резист і експонують його через дзеркальний дублікат, суміщаючи його з виступаючими з-під плівки хрому контурами робочого дубліката. Розділяючий шар двоокису кремнію перешкоджає травленню нижнього шару хрому. Наскрізні дефекти обох шарів хрому не збігаються, так що в підсумку виходить фотошаблон без проколів. Більш того, «подвійні» фотошаблони набагато стійкіші до зносу, ніж звичайні, тому що при стиранні верхнього шару хрому нижній надійно екранує резист від попадання світла. Ці дві переваги подібних фотошаблонів виправдовують деяке ускладнення процесу їхнього виготовлення.

3.3. Фотолітографія з підшаром

Цей прийом використовується, як правило, у двох випадках: для травлення окисла і фосфоросилікатного скла на тих операціях фотолітографії, коли особливо небезпечні проколи, і для травлення в складах, впливу яких резист не витримує.На підкладку наносять шар металу, який володіє до неї гарною адгезією і який не протравлюється в складі, що використовується для травлення підкладки. Далі проводять фотолітографію і витравлюють вікна в металевому підшарі одним травником, а вікна в підкладці іншим. При фотолітографії по окислу і силікатним стеклам найчастіше в якості підшару використовують молібден, який протравлюють у суміші ортофосфорних, оцтових, азотної кислот і води (75:15:3:5) при температурі 18°С. Окисел і скло цей склад не протравлює. Проколи в шаблоні й у шарі фоторезисту, природно, передаються шарові молібдену і далі окислові. Однак, як показує практика, розміри проколів у окислі при використанні підшару виходять набагато меншими, ніж при травленні без підшару. Очевидно, це пояснюється тим, що бічне травлення окисла (у місці дефекту) при маскуванні одним резистом виражене сильніше, ніж при додатковому маскуванні металом, що добре адгезує з поверхнею окисла. Іноді нанесення підшару сполучають з «подвійною» фотолітографією, тобто після протравлювання вікон у молібдені знову наносять резист, проводять суміщення з дублікатом, що має інший розподіл дефектів, експонують, проявляють, сушать і протравлюють окисел у вікнах.У тих випадках, коли резист не витримує впливу травника, як підшар використовують хімічно пасивний метал, такий, як золото. Застосовуючи підшар золота, травлять, наприклад, титан .

3.4.«Вибухова» фотолітографія

Метод вибухової [3] або як її іноді називають «зворотної» фотолітографії дозволяє істотно знизити рівень дефектів.

Сутність методу полягає в тому, що на підкладці створюють маску з фоторезисту, наносять на неї яку-небудь речовину (найчастіше метал) і потім у розчиннику видаляють резист. У результаті залишаються тільки ті ділянки, у яких нанесена речовина потрапила на підкладку. При вибуховій фотолітографії важливо, щоб були розриви між матеріалом, нанесеним на підкладку і на поверхню резиста. У противному випадку або «вибух» не відбудеться, або прийдеться застосовувати примусове видалення, наприклад, впливом ультразвукових коливань. Для того, щоб уникнути з’єднань, необхідно забезпечити дві умови: бічні поверхні резистивної маски повинні бути вертикальними (клин проявлення мінімальний) і матеріал, який наноситься повинний надходити до підкладки під кутом, близьким до прямого. Остання умова виконується при напилюванні металу у вакуумі з резистивним або електронно-променевим випаровувачем, що знаходиться від підкладки на великій відстані (близько 40 см). При реактивному розпиленні, навпаки, матеріал, що осаджується, попадає на підкладку під різними кутами.

Фоторезист наносять шаром, товщина якого повинна складати 2-3 товщини шару металу, який наноситься. Після нетривалого сушіння (при 80° С впродовж 10 хвилин у термостаті; товщина шару близько 2 мкм) експонують, проявляють зображення і створюють у такий спосіб маску. Друге сушіння не проводять, тому що воно приводить до заокруглення країв рельєфу з фоторезисту. По цій же причині необхідно ретельно контролювати температуру підкладки в процесі напилювання.

Основна проблема цього методу фотолітографії - адгезія матеріалу, що осаджується на підкладку. Для того щоб забезпечити гарну адгезію, застосовують різні методи обробки вільних від резиста ділянок поверхні підкладки: іонне травлення, очищення в тліючому розряді, очищення в кисневій плазмі. Останній метод найбільш ефективний, тому що його можна застосовувати майже для будь-яких підкладок і він цілком видаляє органічні забруднення. Обробка пластин кисневою плазмою протягом часу, необхідного для видалення шару резиста товщиною приблизно 10 нм, цілком очищає поверхню .

При використанні для вибухової фотолітографії позитивного резиста видалення маски з нанесеним металом здійснюють в ацетоні, діоксані, диметилформаміді, моноетаноламіні.