2007_03_66 (Раздаточные материалы)

TEP#15(3):TvEP.qxd24.04.200710:21Page 66Технологии в электронной промышленности, № 3’2007Школа производства ГПИС.Фоторезисты и их основные характеристикиТема микроэлектроники (МЭ) в последнее время стала актуальной в России.Мы постараемся осветить наиболее важные технологические операции, касающиесяизготовления гибридно-пленочных интегральных схем (ГПИС), начиная с технологиилитографических процессов и заканчивая герметизацией.Максим Шмаковmxm-shmakov@yandex.ruрежде чем приступить к литографическимпроцессам, необходимо рассказать об основном материале, используемом в них, а именно о фоторезистах (ФР).ПВалерий Паршин, к. т.

н.Немного из теории светаКак известно, свет представляет собой поток фотонов (квантов) с энергией:Е = hν = hc/λ,где h — постоянная Планка; ν — частота колебанияэлектромагнитного поля, создаваемого движущимся фотоном; с — скорость света; λ — длина электромагнитной волны.Световая энергия, поглощаемая молекулами илиатомами вещества, увеличивает запас их внутреннейэнергии. Если энергия фотона больше определенного значения, то молекула в результате поглощения кванта света может перейти из нормального состояния в возбужденное.

Подобное состояние неустойчиво, поэтому она скоро теряет избыточнуюэнергию, возвращаясь к норме. Пути перехода молекулы из одного состояния в другое различныи описываются фотохимическими закономерностями, зависящими от интенсивности света и его распределения на объекте.Атом резиста, возбужденный квантом света, претерпевает химическое изменение. В этом случае говорят о фотохимическом воздействии света. В фотохимии склонность молекул к фотохимическомупревращению оценивают квантовым выходом:Согласно закону Эйнштейна, каждый поглощенный квант энергии (hν) вызывает возбуждение одноймолекулы. Отклонение γ от единицы объясняетсятем, что, вслед за первичным актом поглощенияи возникновением электронно-возбужденногосостояния молекулы, следуют вторичные (темновые) реакции, которые частично компенсируют результат первичного поглощения (γ<1) или действуютв том же направлении (γ>1).

Квантовый выход и скорость фотохимических реакций, зависящие от химического строения облучаемых веществ, определяются спектральным составом и интенсивностьюпадающего света.На рис. 1 представлено распределение энергий наиболее типичных химических связей в макромолекулах полимеров. Энергия химических связей в полимерах находится в пределах (1,5–5)š105 Дж/моль и соизмерима с энергией излучения в ультрафиолетовойи видимой областях спектра [1].Рис.

1. Распределение энергии химических связейв полимерахФотохимические процессы, происходящиев ФР под действием УФ-излучения, можно разделитьна две стадии. На световой стадии в результате поглощения кванта излучения наиболее слабая химическая связь фоточувствительной молекулы разрывается и образуется свободный радикал. На темновой стадии протекают реакции, приводящиек деструкции (разрушению) молекулярных цепейполимера либо, наоборот, к структурированию(сшиванию) молекул в прочную сетку.

В результа-66www.finestreet.ruTEP#15(3):TvEP.qxd24.04.200710:21Page 67Электронные и ионные технологиите этого стойкость облученных участков к воздействию проявителя уменьшается иливозрастает.4 типа фотохимических реакций, протекающих в ФР при поглощении световой энергии [2]:1. Фотораспад (фотолиз) — возбуждение молекулы с последующей ее диссоциациейна активные частицы:AB→(hν)→AB →A+B.♦2. Фотоприсоединение — присоединениек возбужденной молекуле другой молекулы того или иного типа:Позитивные ФР изготавливают на основефоточувствительных онафтохинондиазидови фенолформальдегидных смол, являющихся пленкообразующими полимерами. Молекула позитивного ФР, сокращенно НХД, имеетстроение R1-O-R2, где R1 и R2 — светочувствительная и полимерная части, O — соединяющий их атом кислорода.

При поглощенииквантов облучения молекула НХД распадается на азот и неустойчивый радикал, которыйпревращается в инденкарбен; последний присоединяет всегда имеющуюся в ФР влагу, образуя инденкарбоновую кислоту (рис. 2):A+B→(hν)→A+B →AB.♦3. Фотоперегруппировка — перегруппировкаатомов в структуре молекулы1:AB+С→(hν)→AB +С→A+BС.♦4. Фотосенсибилизация — перенос энергиивозбуждения от одного компонента системы другому:AB+С→(hν)→AB+С →AB +С.♦♦Рис. 2. Инденкарбоновая кислотаОблученные участки фотослоя, в отличиеот необлученных, становятся гидрофильными, хорошо смачиваются и удаляются щелочными проявителями [3]2.ФоторезистыФоторезисты (актинорезисты) (ФР) напрактике называются просто резистами(англ.

resist — сопротивляться). Это сложныеполимерные композиции, в составе которыхимеются: пленкообразующие и фоточувствительные к ультрафиолетовому излучению компоненты, растворители и специальные добавки. Последние вводят для улучшения условийпленкообразования (разбавители), измененияфоточувствительности (сенсибилизаторы), повышения адгезии фоторезистивного слоя кподложкам, улучшения стойкости к воздействиям кислот, щелочей, высоких температури др. Растворители определяют стабильностьсвойств готовых фоторезистов, влияют на процесс нанесения и последующее высыхание фотослоя [3].В качестве полиимидной основы большинства фоторезистивных материалов используются: поливиниловый спирт, полиэфиры,полиамиды, фенолформальдегидные и эпоксидные смолы, поливинилацетат, каучукии др.Существуют два класса ФР:• позитивные;• негативные.Негативные ФРНегативные ФР — это резисты, локальныеучастки которых под действием излученияв результате фотоструктурирования становятся стойкими к воздействию проявителя и вотличие от облученных участков остаютсяна подложке, образуя фоторезистивную маску.Негативные ФР изготавливают на основе поливинилциннамата или на основе каучуков.Поливинилциннамат (ПВЦ) представляетсобой сложный эфир циннамоильной кислоты и поливинилового спирта и имеет общуюформулу Rl-O-R2, где Rl — фоточувствительная циннамоильная группа; R2 — пленкообразующая часть поливинилового спирта;О — соединяющий их атом кислорода (рис.

3).При поглощении квантов излучения наиболее слабые в светочувствительных частяхмолекул химические связи СН = СН разрываются. За счет освободившихся связей проис-Позитивные ФРПозитивные ФР — это резисты, локальныеучастки которых после воздействия излучения за счет фотодеструкции удаляются в проявителях, а необлученные — остаются на подложке и образуют фоторезистивную контактную маску.Рис. 3. Строение поливинилциннамата1В ряде случаев фотоперегруппировка сопровождается предварительным фотолизом.Для позитивных ФР характерны 1 и 3 фотохимические реакции.3 Для негативных ФР характерны 2 и 3 фотохимические реакции.2www.finestreet.ru67ходит фотоструктурирование, т.

е. поперечное сшивание молекул ПВЦ в трехмернуюсетку.Негативные ФР на основе каучука наиболеечасто представляют собой механическую смесьциклокаучука и бис-азида. Циклокаучук является полимерной основой и обладает слабойфоточувствительностью. Под действием облучения азиды распадаются на азот и нитрен.Нитрен, находящийся в возбужденном состоянии, вступает в химическое взаимодействие с каучуком, в результате происходитсшивание линейных полимеров каучука образующимися свободными радикалами [3]3.Наиболее важными в фотолитографии (ФЛ)характеристиками резистов являются следующие [1]:Светочувствительность — величина, обратная экспозиции Н, необходимой для облучения ФР, чтобы привести его в нерастворимое (негативный) или растворимое состояние(позитивный) состояние:S = 1/H = 1/(I×t),где t — время облучения.Точную характеристику светочувствительности можно получить, учитывая процессне только экспонирования, но и проявления.Так как проявитель химически взаимодействуетс экспонированными и неэкспонированнымиучастками ФР, процесс проявления оказываетпрямое влияние на его светочувствительность.В прямой зависимости от данного процесса,а следовательно, и светочувствительностиФР находится качество элементов, формируемых в его слое при проявлении.Таким образом, критерием светочувствительности негативных ФР является образование после экспонирования и проявленияна поверхности подложки локальных полимеризованных участков — рельефа рисунка,т.

е. полнота фотохимической реакции полимеризации молекул основы ФР.Критерием светочувствительности позитивных ФР является полнота разрушенияи удаления (реакции фотолиза) с поверхности подложки локальных участков слояФР после экспонирования и проявления и образования рельефного рисунка [4].Высокая светочувствительность материаловдостигается введением в полимерные композиции светочувствительных добавок, позволяющих проводить однонаправленные фотохимические процессы с достаточно высокимквантовым выходом; введением в макромолекулы полимеров определенных химическихгрупп, фотохимические реакции которых приводят к необходимому изменению свойств материала; созданием композиций, содержащихвещества, склонные к фотополимеризации.ФР характеризуются также пороговой светочувствительностью, определяемой началомфотохимической реакции.Светочувствительность и пороговая светочувствительность ФР зависят от толщины егослоя, а также состава и концентрации травителя.

Поэтому необходимо учитывать конкретные условия ФЛ.TEP#15(3):TvEP.qxd24.04.200710:21Page 68Технологии в электронной промышленности, № 3’2007Разрешающая способность ФР — максимально возможное количество защитногорельефа на 1 мм поверхности под раздельнопередаваемые линии подложки:аR = 1000/(2 × l),где R — разрешающая способность, лин./мм;l — ширина раздельно передаваемой линии, мм.В последние годы все чаще разрешающуюспособность определяют наименьшей шириной линий или наименьшим расстояниеммежду линиями (в мкм), которые удается достигнуть в литографическом ТП.Возможность получения минимальных размеров при заданном рельефе зависит от качества резиста, режимов технологических операций и особенно от совершенства оборудования.

Физический предел разрешающейспособности обычной оптики ограничен длиной волны источника излучения света.Следует различать разрешающую способность ФР и процесса ФЛ в целом. Так, при разрешающей способности фоторезиста около1000 лин./мм процесс ФЛ позволяет получатьразрешающую способность около 600 лин./мм,что объясняется наличием явлений, приводящих к несовершенству переходных участков(от покрытых к непокрытым ФР) в защитномрельефе рисунка после проявления. К такимявлениям относятся дифракция, интерференция, рассеяние и отражение света в системеподложка–ФР–фотошаблон (ФШ).На рис.