Диссертация (Разработка технологии формирования фоторезистивных пленок прецизионной толщины с минимальной шероховатостью поверхности плазмохимическим травлением)

2СОДЕРЖАНИЕВВЕДЕНИЕ4Глава 1. Проблема прецизионного жертвенного слоя в технологиимикросистем111.1. Микросистемные устройства мембранного типа111.2. Технология «жертвенного» слоя в формировании микросистемныхустройств мембранного типа1.3.Внутренняя19структурафоторезистивныхслоевнаосновенафтохинондиазидов321.4. Плазмохимическое травление как метод формирования фоторезистивныхслоев прецизионной толщины361.5. Выводы из аналитического обзора и постановка задачи исследования 43Глава2.Используемоеэкспериментальноеоборудование,методикиисследований и подготовки образцов462.1.

Объект исследования. Подготовка образцов с фоторезистами462.2. Методика плазмохимического травления фоторезистивных слоев482.2.1. Плазмохимическая обработка при пониженном давлении, с емкостнымспособом возбуждения плазмы482.2.2. Плазмохимическая обработка при атмосферном давлении, с емкостнымспособом возбуждения плазмы502.2.3.

Плазмохимическая обработка при пониженном давлении в установке синдуктивно связанной удаленной плазмой532.3. Методика исследования шероховатости поверхности образцов582.3.1. Атомно-силовая микроскопия602.4. Методика исследования толщины фоторезистивных пленок612.5. Оптическая эмиссионная спектроскопия633Глава 3. Исследование влияниярежимов термообработки иусловийплазмохимического травления на шероховатость поверхности фоторезистивныхслоев663.1.

Исследование влияния режимов термообработки на шероховатостьповерхности фоторезистивных слоев663.2. Исследование влияния различных видов плазмохимической обработки наморфологию поверхности фоторезистивных слоев78Глава 4. Прецизионное плазмохимическое травление фоторезистивных слоев вудаленной кислородной плазме894.1.

Исследование распределения компонентов плазмы вдоль реактора методомоптической эмиссионной спектроскопии кислородной плазмы4.2.Исследованиевлиянияпараметров90низкотемпературнойудаленнойкислородной плазмы тлеющего ВЧ разряда на скорость травления ишероховатость поверхности фоторезистивных слоев994.3. Экспериментальная проверка применимости процесса плазмохимическоготравлениявустановкевысокочастотногосудаленнойпереключателяплазмойприрезистивно-емкостногоизготовлениитипасэлектростатическим приводом108ЗАКЛЮЧЕНИЕ119СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ121Приложение 1128Приложение 21314ВВЕДЕНИЕВ последние десятилетия в развитии микроэлектроники возникло новоенаправление, основанное на использовании уникальных конструкционныхсвойств кремния – микросистемная техника (МСТ).

В настоящее время изделияМСТ развиваются на основе научного, производственного и технологическогозаделов микроэлектроники, то есть базируются на применении материалов,конструкций, компонентов, идеологии групповых технологий, характерных дляэтой области. Элементы мембранного типа (ЭМТ) или микромостиковыеструктуры(МС)относятсякодномуизраспространенныхтиповфункциональных элементов МСТ. Подобные элементы располагаются нанекоторой высоте над плоскостью подложки, а технология их изготовления, какправило, основывается на использовании, так называемых, «жертвенных»слоев, которые удаляются после формирования на них пленки заданнойтолщины из материала мембраны. Позитивные фоторезистивные композицииблагодаря простоте нанесения и удаления, совместимости с традиционнойтехнологией изготовления МСТ представляют наибольший интерес дляиспользования в качестве материала «жертвенных» слоев.Элементы мембранного типа являются функциональными частямимногихмикросистемныхустройств.Однимизключевыхфакторов,определяющих работоспособность устройств с таким элементом, являетсяшероховатость нижней поверхности мембраны и электродов, сформированныхна подложке.

Особую важность он приобретает в случае, когда ЭМТ являетсячастью систем (переключателей, конденсаторов переменной емкости и т.п.),при работе которых мембрана перемещается, например, под действиемэлектростатической силы, и может приходить в контакт с поверхностьюэлектроданаподложке.Приналичиивысокойшероховатостиусоприкасающихся металлических поверхностей может наблюдаться эффект«прилипания» мембраны, а кроме того шероховатость нижней поверхностимембраны обуславливает низкую воспроизводимость механических свойств5мембраны и, как следствие, неудовлетворительный уровень повторяемостихарактеристик изготавливаемых приборов.При использовании «жертвенного» слоя для изготовления мембранныхэлементов именно шероховатость его поверхности определяет шероховатостьнижней поверхности верхнего подвижного электрода.

Кроме того, толщинажертвенного слоя, которая должна воспроизводится с точностью до несколькихнанометров,являетсяважнейшимпараметром,определяющимрабочиепараметры создаваемого изделия, а традиционные технологии нанесенияфоторезиста на пластины не обеспечивает такую точность, что приводит кнеобходимости «подгонки» толщины фоторезистивного слоя после его сушкипутем прецизионного травления. Низкотемпературное плазмохимическоетравление фоторезистивных слоев широко используется в микроэлектроннойтехнологии для «сухого» удаления фоторезистивных пленок после проведенияфотолитографических операций, и в этой связи основное требование к такимпроцессам заключается в максимально быстром удалении фоторезистивногослоя.Однаковопросы примененияплазмохимического травления дляпрецизионного травления фоторезистивных слоев, а также изучения влияниятехнологических параметров плазмохимического травления на морфологию ишероховатость их поверхности, как показали результаты аналитическогообзора литературы, оставались изученными в явно недостаточной степени.В этой связи актуальной становится задача по исследованию характеравлияния технологических параметров процессов плазмохимического травления,осуществляемых в различных установках и при разных условиях созданиянизкотемпературной плазмы, на степень шероховатости и скорость травленияфоторезистивных слоев для создания основ технологии прецизионной«подгонки» толщины фоторезистивных слоев, обеспечивающей минимальнуюшероховатость поверхности травления.Целью настоящей работы является:6Получение новых знаний об основных закономерностях процессовплазмохимическоготравленияфоторезистивных«жертвенных»слоев,необходимых для разработки на этой основе технологии их прецизионногоплазмохимического травления, пригодной для создания микромостиковыхструктур в изделиях микросистемной техники.Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:1.Разработкаметодикиконтроляморфологииишероховатостиповерхности фоторезистивных слоев.2.

Экспериментальное исследование влияния состава фоторезистивнойкомпозиции на шероховатость поверхности сформированных из нее пленок.3. Экспериментальное исследование влияния режимов термообработкифоторезистивных слоев на шероховатость их поверхности.4.Изучениевлиянияусловийплазмохимическоготравленияфоторезистивных слоев на скорость травления и шероховатость поверхности.6.

Проведение исследования состава плазмы методами оптическойэмиссионной спектроскопии (ОЭС) в диапазоне изменения технологическихпараметров процесса.7.Экспериментальнаяпроверкавозможностииспользованияплазмохимической технологии для прецизионной «подгонки» толщиныфоторезистивныхслоев,обеспечивающейминимальнуюшероховатостьповерхности травления, при изготовлении МЭМС-переключатель резистивноемкостного типа с электростатическим приводом.Научная новизна:1.

На основе анализа результатов исследований морфологии поверхностифоторезистивных слоев методом атомно-силовой микроскопии полученыновые сведения о влиянии составов фоторезистивных композиций и режимових термообработки на шероховатость поверхности. Показано, что наименьшаяшероховатостьотечественногоповерхностипозитивного(0,2нм)достигаетсяфоторезистаФПприиспользовании4-04В,подвергнутого7двухступенчатой термообработке при температурах 90 ºС (30 мин.) и 120 ºС (30мин.);2. Впервые получены экспериментальные данные о характере влияниятехнологическихпараметровпроцессовплазмохимическоготравления,осуществляемых в реакционных камерах различных конструкций и при разныхспособах создания высокочастотных газовых разрядов, на скорость травления иморфологию поверхности фоторезистивных слоев.

Показано, что наибольшеевлияние на шероховатость поверхности травления оказывает ее бомбардировказаряженными частицами плазмы. Выявлено, что плазмохимическое травление вустановках с удаленной кислородной плазмой обеспечивает лучший контрольскорости травления и минимальную шероховатость поверхности.3. Получены новые знания о физико-химических закономерностяхплазмохимического травления фоторезистивныхслоев в установках судаленной плазмой, включающие данные о характере влияния основныхтехнологических параметров процесса на скорость травления и шероховатостьповерхности обрабатываемых фоторезистивных слоев.

Показано, что удалениеобрабатываемых образцов с нанесенной фоторезистивной пленкой от областигенерации ВЧ разряда сопровождается монотонным уменьшением скороститравления при сохранении низкой шероховатости поверхности.4. На основе результатов ОЭС и экспериментального исследованияпроцесса плазмохимического травления фоторезистивных слоев в установках судаленнойплазмойпоказано,чтоизменениявскороститравленияфоторезистивных слоев при варьировании технологическими параметрамипроцесса коррелируют с соответствующими изменениями относительныхинтенсивностей эмиссионных линий атомарного кислорода.Практическая значимость:1.Результаты выполненныхпроцессовплазмохимическогоэкспериментальныхтравленияисследованийфоторезистивныхслоев,осуществляемых в реакционных камерах различных конструкций и при разных8способах создания высокочастотных газовых разрядов, позволяют датьобоснованные рекомендации по выбору промышленного технологическогооборудования, наиболее подходящего для решения различных задач в областиплазмохимического травления фоторезистивных пленок.Данные о влиянии режимов термообработки фоторезистивных2.пленокнаскоростьплазмохимическомтравлениятравленииишероховатостьпозволяютповерхностиоптимизироватьприпроцессыформирования фоторезистивных слоев не только в производстве МЭМС, но имикроэлектронных изделий.3.Полученныесведенияохарактеревлиянияосновныхтехнологических параметров на скорость плазмохимического травления вустановках с удаленной плазмой и шероховатость обрабатываемой поверхностипозволяют выбирать оптимальные режимы осуществления технологическогопроцесса,обеспечивающиенаибольшуюскоростьпритребуемойшероховатости поверхности слоев.4.Результаты выполненных исследований показали, что процессплазмохимического травления в установке с удаленной плазмой позволяет приоптимальных сочетаниях технологических параметров обеспечивать какнебольшиезначенияскоростейтравления(несколькодесятыхнм/с),позволяющие с высокой точностью "подгонять" жертвенные слои до требуемойтолщины, так и низкие значения шероховатости поверхности (0,2-0,3 нм),которые удовлетворяют требованиям, предъявляемым к шероховатостиповерхности подвижного электрода мостиковых МЭМС структур.5.емкостногоНа примере изготовления МЭМС-переключателя резистивнотипасэлектростатическимприводомэкспериментальнопродемонстрировано успешное применение разработанного нового способаплазмохимическоготравленияфоторезистивных«жертвенных»слоевустановках с удаленной плазмой для формирования микромостиковыхструктур.9Разработанный метод реализован в технологии изготовления опытнойпартии электростатических МЭМС переключателей резистивно-емкостноготипа в ЗАО «Светлана-Электронприбор» (г.

Санкт-Петербург).Объектами исследований являлись:1. Слои позитивных фоторезистивных композиций ФП 4-04В и ФП 91-202. Процессы кислородного низкотемпературного плазмохимическоготравления, осуществляемые в технологической аппаратуре с реакционнымикамерамиразличныхконструкцийиприразныхспособахсозданиявысокочастотных газовых разрядов.3. Оптические эмиссионные спектры кислородной низкотемпературнойплазмы.Методы исследований.