Диссертация (Разработка технологии формирования фоторезистивных пленок прецизионной толщины с минимальной шероховатостью поверхности плазмохимическим травлением), страница 9

Схематичноеизображениеэкспериментальнойустановкиирасположениерегистрирующего оборудования приведено на рисунке 2.9.Рисунок 2.9 Схема регистрации оптических эмиссионных спектров (1 –перемещаемый индуктор; 2 – световод; 3 – монохроматор; 4 – ФЭУ; 5 компьютер)Регистрацию оптических эмиссионных спектров осуществляли спомощью системы, состоящей из световода (2) и дифракционногомонохроматора МСД-1М (3) (рабочий диапазон 200-800 нм). Приемникомизлучения служил фотоумножитель ФЭУ-100 (4), сигнал с которого поступал64в измерительную часть спектрального вычислительного комплекса КСВУ-12,соединенного с ПК (5).

Система позиционирования позволяла перемещатьсветовод вдоль стенки реактора на расстояния 0 – 180 см от индуктора.Съемка спектров проводили в диапазоне от 400 до 800 нм. На рисунке2.10представлентипичныйрегистрируемыйэмиссионныйспектр.Расшифровка спектра кислорода с указанием линий приведена в таблице 2.3.Рисунок 2.10 Типичный эмиссионный спектр кислородной плазмы.Условия регистрации: Pобщ=30Па, W= 10 Вт, Q=100мл/мин, L= 30 ммСпектр кислородной индуктивно-связанной плазмы состоял из линий,соответствующих эмиссионным переходам в возбужденных частицахатомарного кислорода и молекулярного положительно заряженного иона.Линии, соответствующие длинам волн 777,4 нм, 533,1 нм и 436,8 нм быливыбраны для регистрации изменений, связанных с атомарным кислородом,поскольку эти две линии наиболее интенсивные в наблюдаемом спектре. Дляиндикации относительных изменений количества ионов выбрана первая65отрицательная система эмиссионных полос иона O2+ в области 525 – 630 нм инаиболее интенсивная из них 525,5 нм.Таблица 2.3Расшифровка линий спектра кислорода [72],[73],[74],[75]Номер линии на спектре Длина волны, нмЧастица Переход, состояния1436,8O*2520 – 530, 590 - 610 O2+43533,1O*5d5D → 3р5Р4777,2O*3р5Р → 3s5S05615,8O*4d5D0→ 3р5Р6645,6O*5s5S0→ 3р5Р7700,2О*4d3D0→ 3р3Р8725,4O*5s3S0→ 3р3Р4р 3Р → 3s 3S0Σg¯ → 4Πυ66ГЛАВАIII.ТЕРМООБРАБОТКИТРАВЛЕНИЯИССЛЕДОВАНИЕВЛИЯНИЯИПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГОНАУСЛОВИЙШЕРОХОВАТОСТЬРЕЖИМОВПОВЕРХНОСТИФОТОРЕЗИСТИВНЫХ СЛОЕВВ аналитическом обзоре литературы показано, что на стадияхформирования фоторезистивной пленки с ней происходят различные физикохимические превращения, которые могут приводить к изменению ее рельефа.Особенно такие изменения характерны для процессов термообработки.Поэтому в работе проводили исследование влияние режимов термообработкина шероховатость поверхности фоторезистивных слоев с целью выявленияоптимального с точки зрения получения пленок с наиболее гладкойповерхностью.

Для оценки принципиальной возможности примененияплазмохимического травления для формирования прецизионных по толщинефоторезистивных «жертвенных» слоев проводили эксперименты по ихтравлению в различной технологической аппаратуре.3.1. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕЖИМОВ ТЕРМООБРАБОТКИНА ШЕРОХОВАТОСТЬ ПОВЕРХНОСТИ ФОТОРЕЗИСТИВНЫХ СЛОЕВДля исследования влияния режимов термообработки фоторезистивныхпленок на морфологию их поверхности проводили термическую обработкупредварительно сформированных слоев из позитивных фоторезистов ФП 4 иФП 9 в различных режимах (таблица 2.2). Одноступенчатая термообработка(режим I) осуществлялась в воздушной среде при температуре 90 ºС втечение 30 минут, двухступенчатая (режим II) – в течение 30 минут притемпературе 90 ºС и затем 30 минут при температуре 120 ºС.Трехступенчатая обработка выполнялась (режим III) путем выдержкиобразцов в течение 30 минут при температуре 90 ºС, затем 30 минут притемпературе 120 ºС и далее в течение 20 минут при температуре 145 ºС.67После термообработки с помощью АСМ в нескольких точках образцапроводили сканирование поверхности термообработанных пленок и наосновании полученных данных рассчитывали их шероховатость.

Результатырасчетов шероховатости поверхности фоторезистивных слоев для двух марокфоторезистов после различной термообработки приведены в таблице 3.1.Каждая цифра в таблице соответствует вычисленному среднему значению,полученному в результате сканирования 5 участков поверхности в разныхместах образцов каждого состава, подвергнутых указанным режимамтермообработки. Отклонение от среднего значения для каждого измерения непревышало 5%.

Как видно из представленных в таблице 3.1 данных, значениярассчитаннойшероховатостиповерхностивсехобразцовпослетермообработки лежали в пределах 0,2 – 0,3 нм и практически не зависели отее режимов.Таблица 3.1Шероховатость поверхности фоторезистивных пленокРежимФП 4ФП 9термооб- без плазм. обр. с плазм. обр. в без плазм. обр. с плазм. обр. вработки*У1У1Rms, нмRms, нмRms, нмRms, нмI0,31,30,21,9II0,21,80,32,2III0,32,70,27,1*- расшифровка режимов термообработки приведена в таблице 2.2Анализ изображений, полученных при сканировании поверхности всех,подвергнутыхтермообработкеобразцов,показал,чторежимытермообработки не только не влияют на величину средней шероховатостипленок (таблица 3.1), но и не приводят к существенным различиям в ихморфологии.

В качестве примера на рисунке 3.1 приведены типичные АСМ изображения поверхностей фоторезистивных пленок составов ФП 4 и ФП 9после термообработки по режиму II.68абРисунок 3.1 АСМ – изображения поверхностей фоторезистивных пленок а) состава ФП 4 и б) - состава ФП 9, подвергшихся двухступенчатойтермообработке при температурах 90 ºС и 120 ºС (режим II).Отсутствие изменений в шероховатости и морфологии поверхностиисследованных образцов фоторезистивных слоев составов ФП 4 и ФП 9после их термообработки в изученных диапазонах температур и времен неозначает, что их внутренняя структура осталась без изменений.

В работе [76]69показано, что при термообработке фоторезистивных пленок на их внешнейповерхности образуется непроницаемая "корка" окисленного резиста.Поверхностное окисление новолачных смол происходит даже в результатепредэкспозиционной сушки при температуре 70 – 100 ºС. Можно ожидать,что при использовании фоторезистивных слоев в качестве "жертвенных"подобная"корка"можетсущественноусложнитьпроцессихплазмохимического травления.Пространственнаянеоднородностьполимернойпленкиможетприводить к возникновению неоднородностей при ее плазмохимическомтравлении. Для экспериментальной проверки этого предположения былапроведена серия экспериментов, в которой образцы двух фоторезистивныхсоставовподвергалисьтермообработкеприразличныхрежимахипоследующему плазмохимическому травлению в установке У1 в течение 1мин.ОбразцыШероховатостьрасполагалиповерхностинанижнемобразцов,вращающемсяэлектроде.прошедшихразличнуютермообработку до и после плазмохимического травления, оценивали спомощью АСМ.Как показали полученные результаты, плазмохимическая обработкаповерхности фоторезистивных образцов обоих составов приводит кувеличению шероховатости их поверхности, причем средняя шероховатостьповерхности образцов состава ФП 9 для всех режимов термообработкиоказывался больше, чем для состава ФП 4 (таблица 3.1).

На рисунках 3.2 –3.4приведенытипичныеАСМ–изображенияповерхностейфоторезистивных пленок ФП 4, подвергшихся различной термообработке,после плазмохимического травления.70Рисунок 3.2 АСМ – изображение (а) и профиль поверхности (б)фоторезистивногослояФП4,подвергшегосяодноступенчатойтермообработке при температуре 90 ºС (режим I) после плазмохимическоготравления в У1 в течении 60 с. Профили поверхности сняты в центре кадра внаправлении оси Х71Рисунок 3.3 АСМ – изображение (а) и профиль поверхности (б)фоторезистивногослояФП4,подвергшегосядвухступенчатойтермообработке при температурах 90 ºС и 120 ºС (режим II) послеплазмохимического травления в У1 в течении 60 с.

Профили поверхностисняты в центре кадра в направлении оси Х72Рисунок 3.4 АСМ – изображение (а) и профиль поверхности (б)фоторезистивногослояФП4,подвергшегосятрехступенчатойтермообработке при температурах 90 ºС, 120 ºС и 145 ºС (режим III) послеплазмохимического травления в У1 в течении 60 с. Профили поверхностисняты в центре кадра в направлении оси ХКак видно из представленных на рисунках 3.2 – 3.4 данных,плазмохимическое травление приводило к появлению зернистой структурына поверхности фоторезистивной пленки.

Проявление зернистости такжебыло отмечено в работе [52], авторы которой называли подобные73образования, представляющие собой протяженные скрученные полимерныецепочки, кластерами. В работе показано, что размер кластеров зависит отсостава исходной фоторезистивной композиции и режимов термообработки,которым подвергалась пленка в процессе ее формирования.Для оценки влияния режимов термообработки на шероховатостьповерхности для различных составов фоторезистов была проведенастатистическая обработка полученных АСМ - изображений. На рисунке 3.5приведены статистические диаграммы распределения высот зерен для обоихфоторезистивных составов после плазмохимического травления для трехрежимов термообработки. Принципы построения подобных диаграммописаны в разделе 2.3.

Ось «Относительное количество» указывает наколичество зерен определенной высоты в процентах от общего количествазерен на всей площади АСМ - изображения поверхности. Диаграммапозволяет оценить среднюю высоту зерен, а также ее разброс по площадирастра. Чем выше и уже пик на диаграмме, тем более равномерно зернараспределены по размерам, и чем ближе этот пик располагается к оси«Относительное количество», тем более гладкую поверхность имеет пленка.Как видно из представленных диаграмм, наилучшие результаты дляобоихфоторезистивныхсоставовпоказалипленки,подвергшиесядвухступенчатой термообработке (режим II). Средние значения высот зеренсоставили 3 и 4 нм для составов ФП 4 и ФП 9, соответственно, в отличие отрежимов I и III, где они составляли 5 и 6 нм и 12 и 14 нм для ФП 4 и ФП 9.Необходимо отметить, что максимальная высота зерен для всех видовтермообработки для ФП 4 не превышала 20 нм, в то время как для ФП 9 еезначения достигали 40 нм.74Рисунок 3.5 Распределение размеров зерен после трех режимовтермообработки для фоторезистивных пленок составов ФП 4 – а, и для ФП 9– б соответственно после плазмохимического травления в У1; времятравления 60 сСледуетфоторезистивныхотметить,пленок,изменениякоторыеморфологииподвергалисьповерхностиодноступенчатойтермообработке, вероятнее всего, происходили в результате надавливания наповерхность зондом АСМ в процессе сканирования.

На рисунке 3.675приведено АСМ - изображение поверхности образца ФП 4, на которомотчетливо видны углубленные области, появившиеся после предыдущихсканирований. По-видимому, в результате проведения одноступенчатойтермообработки при температуре 90 ºC в фоторезистивной пленкесодержится большое остаточное количество растворителя в связи с чем, онаобладает недостаточной прочностью. Возможно, именно значительноесодержание растворителя обусловило возникновение большее значениешероховатостиповерхностипленокпосравнениюсобразцами,подвергнутыми термообработке по режиму 2, обеспечивающему практическиполное его удаление.Рисунок 3.6 АСМ – изображение со следами предыдущихсканирований поверхности ФП 4, прошедшего одноступенчатуютермообработку (режим I)Высокая температура термообработки, которая создавалась на третейступени обработки (180 ºC), по-видимому, ведет к существенномууплотнениюфоторезистивногослоя,сопровождающемусяпоявлениемдополнительных механических напряжений в пленках фоторезистов награницах контакта с поверхностью подложки, что в свою очередь может76вызватьискажениепереносимогоспомощьюфотолитографическихопераций рисунка (рисунок 3.7).Рисунок 3.7 СЭМ-изображение участка фоторезиста ФП 91-20 послетрехступенчатого задубливанияИсходные составы имели различную кинематическую вязкость иразличную устойчивость к проявителю (табл.