MIKROLITOGRAFIYa (Лекции Цветкова), страница 2

Формирование микрорельефа врезисте осуществляется поэтапно (рис. 1).Рис. 6. Основные этапы микролитографии напримере фотолитографииПри экспонировании актиничное излучение проходит через фотошаблон иоптическую систему, при этом формирующийся на поверхности фоторезиста профильраспределения интенсивности пространственного изображения может существенноотличаться от заданного на фотошаблоне.Излучение, которые вызывают необратимые химические изменения и приводят кобразованию скрытого изображения в виде участков с модифицированными свойствами.При проявлении происходит поверхностное растворение, т. е.

локальное удалениеучастков резиста и образование микрорельефа.Таким образом, в процессе микролитографии можно выделить следующие этапы,основанные на принципиально различающихся физико-химических явлениях (рис.7): формирование пространственного оптического изображения; деструкцию резиста; проявление резиста.ФоторезистыФоторезисты должны иметь высокую чувствительность к излучению иразрешающую способность, быть устойчивыми к воздействию агрессивных кислотныхтравителей, обладать хорошей адгезией к подложке, пленкообразующими свойствами.Основным свойством фоторезистов является то, что в них под действиемизлучения определенной длины волны происходят необратимые изменения в облученныхучастках – они резко меняют растворимость в соответствующих проявителях.Различают позитивные и негативные Фоторезисты.В негативных фоторезистах облученные участки за счет фотополимеризацииРис. 7.

Этапы формирования микрорельефа в резистестановятся стойкими к воздействию проявителя. В отличие от необлученных участков,они остаются на подложке при проявлении (рис. 6, а).В позитивных фоторезистах облученные участки за счет фотодеструкцииудаляются в проявителях, а необлученные остаются на подложке и образуютфоторезистивную маску (рис. 6, б).Основой всех фоторезистов служат полимерные материалы, обладающиехорошими пленкообразующими и адгезионными свойствами. Молекулярный весприменяемых полимеров обычно составляет от нескольких тысяч до сотен тысячмолекулярных единиц массы.Для получения жидких фоторезистов полимеры смешивают с легко испаряющимсярастворителем до получения требуемой вязкости, необходимой для получения оченьтонких (до 0,2 мкм) пленок при центрифугировании.В ряд случаев, например в технологии печатных плат, применяют сухие пленочныеФоторезисты, как правило - негативные.

Эти Фоторезисты выполнены в видемногослойной пленки, в которой слой клейкой фотополимеризующейся смеси покрытсверху пленкой майлара, а снизу изолирован пленкой полиолефина (см. описаниелабораторных работ). Светочувствительный слой экспонируется через майлар,предохраняющий его от повреждений при контакте с фотошаблоном и изолирующий егоот наружного кислорода.В зависимости от назначения процесса фотолитографии и типа применяемогофоторезиста его толщина может составлять от 0,2 мкм в технологии интегральных схем до50 мкм в производстве печатных плат.Независимо от толщины фоторезиста допуск на разнотолщинность слоя обычносоставляет около 10% от номинальной толщины.Существует ряд методов нанесения слоя фоторезиста.

Для жидкого фоторезистаэто центрифугирование, распыление, окунание, полив, электростатическое распыление.Сухой пленочный фоторезист, повсеместно применяемый в технологии печатныхплат, наносится ламинированием.Фотохимические реакции и параметры процесса экспонированияФотохимические реакции подчиняются нескольким фундаментальным законам,важнейший из которых, закон Дреппера-Гроттуса (Draper-Grotthus) гласит, чтовзаимодействие между излучением и материей возможно только в том случае, когдаизлучение поглощается этой материей. В противном случае, излучение отражается,пропускается, или рассеивается.Согласно второму закону, известному под названием закона Бунзена-Роско(Bunsen-Roscoe) или закона взаимозаместимости, количество продуктовфотохимической реакции пропорционально произведению плотности потока излученияи времени облучения.

Это произведение называется дозой или экспозицией.Применительно к светочувствительным материалам закон взаимозаместимостиутверждает, что одна и та же полученная экспозиция E=I·t оказывает одно и то жевоздействие на материал, какими бы ни были E и t.Кроме того, в фотолитографии воздействие зависит в большей степени от дозы,нежели от интенсивности света. Одна и та же доза (с тем же самым воздействием) можетбыть получена за счет высокой интенсивности за короткое время, либо за счет низкойинтенсивности за длительное время.Поглощенное ультрафиолетовое излучение может разрывать или изменятьхимические связи в молекуле, либо создавать связи между двумя или более молекулами.Поглощенное инфракрасное излучение возбуждает молекулы, вызываяфотофизическую реакцию.

Такой тип поглощения ведет к рассеянию тепла впоглощающей материи, возникает эффект разогрева.Основными параметрами процесса экспонирования являются:Интенсивность излучения (I)– энергия светового потока, падающего на поверхностьфоторезиста в единицу времени (мВт/см2).Экспозиция (Е) – доза актиничной световой энергии, воздействующая на слойфоторезиста в процессе экспонирования: E=I·t (мДж/см2). Заметим, что 1 мВт·1с=1мДж.Пороговая экспозиция (Е0) – минимальная доза световой энергии, вызывающаяизменение свойств пленки фоторезиста на всю толщину.Чувствительность фоторезиста ( S 11) - способность реагировать наE I tизлучение, определяется как величина, обратная дозе излучения, необходимой дляпроявления слоя определенной толщины.Кроме перечисленных, к числу основных параметров фоторезиста относится такжеконтраст. Для позитивного фоторезиста этот параметр определяется относительнойразницей между экспозицией E1, после которой фоторезист начинает проявляться, иэкспозицией E0, получив которую фоторезист проявляется полностью, на всю толщинупленки.По мере увеличения экспозиции толщина слоя фоторезиста, остающегося послепроявления, уменьшается (рис.

8, а). Зависимость, связывающая остаточную толщинуэтого слоя с величиной экспозиции (обычно ее логарифмом) называетсяхарактеристической кривой (рис. 8, а).Наклон касательной к нормированной характеристической кривой используют дляколичественной оценки контраста (рис. 8, б):1Elg 0E1где E1 - доза начала проявление фоторезиста,E0 - доза полного проявления фоторезиста(7)Контраст фоторезиста является количественным показателем того, насколькохорошо он преобразует размытое пространственное изображение в четкий микрорельеф.Обычно контраст позитивных резистов составляет   2...3 .

В этом случае экспозиция E0в 101/3 - 102/3 больше, чем E1.В микролитографии контраст (модуляция) оптического изображения совместно сконтрастом фоторезиста существенно влияют на разрешение всего литографическогоабРис. 8. Характеристическая кривая позитивного фоторезистаа - экспериментальные значения, б - нормированная криваяпроцесса. Изображения с высоким оптическим контрастом имеют меньший клинпроявления.Позитивные фоторезисты.Позитивные фоторезисты, наиболее широко применяющиеся в прецизионнойфотолитографии, обычно состоят из трех компонентов: базового полимера,светочувствительной составляющей (ингибитора), легко испаряющегося растворителя.Основой фоторезиста является пленкообразующий базовый полимер, чаще всегоиз группы фенолформальдегидных смол - новолак или резол. Эти полимеры растворимыв щелочах, обладают кислотостойкостью и способностью к образованию пленок.Базовый полимер в чистом виде умеренно растворяется в щелочных проявителях соскоростью 10 -15 нм/с.Следует особо выделить роль светочувствительной составляющей, которая придобавлении ее в базовый полимер (до 20-30% от веса фоторезиста) уменьшает скоростьпроявления неэкспонированной пленки фоторезиста до 0,1-0,2 нм/с.

Поэтомусветочувствительную составляющую часто называют ингибитором (замедлителем),подчеркивая его роль как вещества, препятствующего растворению неэкспонированногофоторезиста. В качестве ингибитора чаще всего используют нафтохинодиазиды (НХД).Отметим, что полимеры вводят в фоторезист двумя путями: в составе сложного эфирасо светочувствительными нафтохинодиазидами и отдельно в виде компонента раствора.Поэтому молекула НХД позитивного фоторезиста имеет строение R1  O  R2 , гдеR1 и R2 - светочувствительная и полимерная составляющая эфира (рис. 9).Рис.

9. Молекула позитивного фоторезиста на основе нафтохинондиазидаРассмотрим более подробно физико-химические свойства позитивныхфоторезистов и фотохимические реакции, происходящие в них при экспонировании ипроявлении.При облучении фоторезистов излучением в широком диапазоне длин волн можнозаметить, что излучение с длиной волны выше 460 нм пройдет сквозь слой фоторезиста,практически не поглощаясь (рис. 10), так как энергия фотонов такого излучения мала.Рис. 10.

Поглощение позитивного фоторезистаИзлучение с меньшей длиной волны обладает большей энергией, поэтому оноизменяет состояние молекул, входящих в состав фоторезиста: происходит поглощениефотонов - энергия фотонов переводит электроны на более высокие энергетическиеуровни. Если энергии не хватит для разрыва химической связи, молекула свое строение неизменит и через определенное время вернется в исходное состояние.Чтобы протекала фотохимическая реакция, энергия фотонов должна бытьдостаточной для разрыва связи между атомами.

На спектре поглощения (рис. 9) этоявление проявляется в виде максимумов поглощения: один на длине волны 350  10 нм идругой - на длине волны 400  10 нм. Обратим внимание на то, что поглощениеэкспонированного резиста резко уменьшается по сравнению с неэкспонированным происходит его "просветление" (пунктирная линия на графике поглощения).Отметим также, что для позитивных фоторезистов спектр поглощения хорошосогласован с характеристиками источников ультрафиолетового излучения (рис. 11).Рис. 11.

Спектр излучения ультрафиолетовых источниковПри поглощении "полезного" или, как его называют, актиничного излучениямолекулой НХД идет следующая реакция (рис.12):(I)(II)(III)(IV)Рис. 12. Этапы фотохимической реакции в позитивном фоторезистеНа первой стадии молекула НХД поглощает квант актиничного излучения, чтоведет к отщеплению от нее молекулы азота и образованию неустойчивого радикала(стадия II). При комнатной температуре радикал (II) практически мгновенно превращаетсяв инденкарбен (стадия III). Далее инденкарбен взаимодействует с имеющимися в слоефоторезиста молекулами воды, в результате чего образуется инденкрбоновая кислота (IV).Для получения при проявлении легкорастворимых солей инденкрбоновой кислотыприходится применять щелочные растворители, причем в них должна растворяться иполимерная составляющая фоторезиста.Таким образом, энергия излучения в диапазоне 350-430 нм разрушает ингибитор.Возникающие в результате побочные продукты реакции и увеличивают скоростьрастворения фоторезиста при его проявлении в щелочном до 100-200 нм/с.С учетом этого процесс формирования изображения в фоторезисте целесообразноразделить на два этапа: экспонирование и проявление.Экспонирование - это оптический процесс, который вызывает в фоторезистенеобратимые химические видоизменения, в частности, для позитивного резиста разрушение светочувствительной составляющей (ингибитора)Проявление - это процесс поверхностного растворения, при котором происходитудаление фоторезиста со скоростью, зависящей от степени разрушения ингибитора.Связь между процессами экспонирования и проявления определяетсяраспределением ингибитора, оставшегося неэкспонированным, а также степеньюдеструкции экспонированных молекул ингибитора.Негативные фоторезистыНегативные фоторезисты изготавливаются на основе поливинилциннамата или наоснове каучуков.