Методы формирования конфигурации элементов иэот

7. Методы формирования конфигурации элементов иэот

Масочные методы. Метод свободных масок. Классификация масок и методы получения. Метод контактных масок. Пример формирования рисунка. Литографические методы. Фотолитография. Определение. Классификация. Контактная фотолитография. Фоторезисты (ФР), виды, требования к ним, методы нанесения. Фотошаблоны (ФШ). Виды, требования к материалам, технология получения ФШ. Типовой технологический процесс контактной ФЛГ. Проекционная ФЛГ. Достоинства и недостатки. Пошаговое экспонирование. ФЛГ с микрозазором. Сопоставление характеристики методов ФЛГ. Электрополитография.Сканирующая и проекционная. Проецирование в уменьшенном масштабе. Резисты для субмикронной литографии. Рентгенолитиграфия. Шаблоны для нее. Достоинства реальные и потенциальные. Проблемы. Ионнолитография. Суть и основные преимущества. Сравнительные характеристики методов литографии. Формирование рисунка элементов ИС. «Фрезерованием» остросфокусированным потоком частфд: электронов, ионов, нейтральных частиц. Излучение оптического квантового генератора.

7.1 Масочные методы. Метод свободных масок. Классификация масок и методы получения. Метод контактных масок. Пример формирования рисунка. Литографические методы. Фотолитография. Определение. Классификация.

Литография — это процесс формирования в актиночувствительном слое, нанесенном на поверхность подложек, рельефного рисунка, повто­ряющего топологию полупроводниковых приборов или ИМС, и после­дующего переноса этого рисунка на подложки.

Актиночувствительным называется слой, который изменяет свои свойства (растворимость, химическую стойкость) под действием актиничного излучения (например, ультрафио­летового света или потока электронов).

Литографические процессы позволяют!

получать на поверхности окисленных полупроводниковых подложек свободные от слоя оксида области, задающие кон­фигурацию полупроводниковых приборов и -моментов ИМС, в которые проводится локальная диффузия примесей для создания p-n-переходов;

формировать межсоединения элементов ИМС;

Рекомендуемые материалы

создавать технологические маски из резистов, обеспечи­вающие избирательное маскирование при ионном легировании.

Широкое применение литографии обусловлено следующими достоинствами: высокой воспроизводимостью результатов и гибкостью технологии, что позволяет легко переходить от од­ной топологии структур к другой сменой шаблонов; высокой разрешающей способностью актиничных резистов; универсаль­ностью процессов, обеспечивающей их применение для самых разнообразных целей (травления, легирования, осаждения); высокой производительностью, обусловленной групповыми методами обработки.

Процесс  литографии  состоит из двух основных  стадий:

формирования необходимого рисунка элементов в слое актиночувствительного вещества (резиста) его эспонированием и проявлением;

травления нижележащего технологического слоя   (диэлектрика, металла) через сформированную топологическую маску или непосредственного использования слоя резиста в качестве топологической маски при ионном легировании.

В качестве диэлектрических слоев обычно служат пленки диоксида SiO₂ и нитрида Si₃N₄ кремния, а межсоединений — пленки некоторых металлов. Все пленки называют техноло­гическим слоем.

В зависимости от длины волны ис­пользуемого излучения применяют следующие методы литографии:

фотолитографию (длина волны актиничного ультрафиоле­тового излучения λ =250 … 440 нм);

рентгенолитографию (длина волны рентгеновского излу­чения λ =0,5 … 2 нм);

электронолитографию (поток электронов, имеющих энер­гию 10 - 100 КэВ или длину волны λ = 0,05 нм);

ионолитографию (длина волны излучения ионов λ = 0,05 … 0,1 нм).

В зависимости от способа переноса изображения методы литографии могут быть контакт­ными и проекционными, а также непосредственной генерации всего изображения или мультипликации единичного изображе­ния. В свою очередь, проекционные методы могут быть без изменения масштаба переносимого изображения (Ml : 1) и с уменьшением его масштаба (М 10 : 1;М 5 : 1).Классификация методов литографии приведена на рисунке  7.1.1.

В зависимости от типа используемого р е з и с та (негативный или позитивный) методы литографии по характеру переноса изображения делятся на негативные и позитивные (Рисунок 7.1.2).

Литография является прецизионным процессом, т. е. точ­ность создаваемых рисунков элементов должна быть в преде­лах долей микрометра (0,3 - 0,5 мкм). Кроме того, различные методы литографии должны обеспечивать получение изображе­ний необходимых размеров любой геометрической сложности, высокую воспроизводимость изображений в пределах полупро­водниковых кристаллов и по рабочему полю подложек, а также низкий уровень дефектности слоя сформированных масок. В ином случае значительно снижается выход годных изделий.

Для выполнения этих требований необходимы:

применение машинных методов проектирования и автома­тизации процессов изготовления шаблонов;

повышение воспроизведения размеров элементов, точности совмещения и использование низкодефектных методов фор­мирования масок;

Рисунок    7.1.1.   Классификация методов литографии

Рисунок 7.1.2. Формирование рельефа изображения элементов (а - в) при использовании негативного (7) и позитивного (II) фоторезистов: 1 - ультрафиолетовое излучение, 2, 3 - стеклянный фотошаблон и нанесенная на него маска, 4 - слой фоторезиста на кремниевой подложке, 5 — технологический слой для формирования рельефа рисунка, 6 - кремниевая подложка

внедрение оптико-механического, химического и контроль­ного оборудования, обеспечивающего создание рисунков эле­ментов с заданными точностью и разрешающей способностью;

применение новых технологических процессов генерации и переноса изображения с использованием контактных, проек­ционных методов фотолитографии, голографии, электронно­лучевой и лазерной технологии;

разработка технологических процессов прямого получения рисунка элементов микросхем, минуя применение защитных покрытий, развитие элионных процессов.

Литографические процессы непрерывно совершенствуются: повышается их прецизионность и разрешающая способность, снижается уровень дефектности и увеличивается производи­тельность.

7.2 Контактная фотолитография

Фотолитография — это сложный технологический процесс, осно­ванный на использовании необратимых фотохимических явлений, про­исходящих в нанесенном на подложки слое фоторезиста при его обработ­ке ультрафиолетовым излучением через маску (фотошаблон).

Технологический процесс фотолитографии можно разделить на три стадии:

формирование фоторезистивного слоя (обработка подло­жек для их очистки и повышения адгезионной способности, нанесение фоторезиста и его сушка);

формирование защитного рельефа в слое фоторезиста (совмещение, экспонирование, проявление и сушка слоя фо­торезиста, т. е. его задубливание);

создание рельефного изображения на подложке (травление технологического слоя — пленки SiO₂, Si₃N₄, металла, удале­ние слоя фоторезиста, контроль).

Последовательность выполнения основных операций при фотолитографии показана на рисунке  3.

Поверхность подложек предварительно очищают, чтобы обеспечить их высокую смачиваемость и адгезию фоторезиста, а также исключить посторонние включения. Затем на подложки тонким слоем наносят слой фоторезиста (светочувствительную полимерную композицию) и сушат его для удаления раствори­теля.

Совмещение фотошаблона с подложкой и экспонирование выполняют на одной установке. Цель операции совмещения — совпадение рисунка фотошаблона с нанесенным на предыдущей операции на подложку рисунком. Далее слой фоторезиста экспонируют   —   подвергают   воздействию   ультрафиолетового

Рисунок  7.2.1.  Последовательность выполнения основных операций при фото­литографии

излучения через фотошаблон. В результате этого рисунок с фотошаблона переносится на слой фоторезиста.

При проявлении слоя фоторезиста отдельные его участки вымываются и на подложке при использовании позитивного фоторезиста остаются неэкспонированные (незасвеченные) участки, а если применялся негативный фоторезист, то экспонирован­ные. Затем слой фоторезиста термообрабатывают при повышен­ной температуре, т. е. задубливают, вследствие чего происходит его частичная полимеризация и повышается стойкость к травителю.

Заканчивается процесс фотолитографии травлением неза­щищенных фоторезистом участков подложки, созданием рель­ефного рисунка на технологическом слое и удалением остат­ков фоторезиста. Таким образом, слой фоторезиста служит для передачи рисунка с фотошаблона на технологический слой.

ПОЗИТИВНЫЕ И НЕГАТИВНЫЕ ФОТОРЕЗИСТЫ

Фоторезисты   —  это  светочувствительные материалы с изменяю­щейся по действием света растворимостью, устойчивые к воздействию травителей и применяемые для переноса изображения на подложку.

Фоторезисты являются многокомпонентными мономерно-полимерными материалами, в состав которых входят: свето­чувствительные (поливинилциннаматы — в негативные фото­резисты и нафтохинондиазиды - в позитивные) и пленко­образующие (чаще всего это различные фенолформальдегид-ные смолы, резольные и новолачные смолы) вещества, а также растворители (кетоны, ароматические углеводороды, спирты, диоксан,   циклогексан,  диметилформамид   и др.).

В процессе фотолитографии фоторезисты выполняют две функции: с одной стороны, являясь светочувствительными материалами, они позволяют создавать рельеф рисунка элементов, а с другой, обладая резистивными свойствами, защищают технологический слой при трав­лении.

Как уже отмечалось, рельеф образуется в результате того, то под действием актиничного излучения, падающего через фотошаблон на определенные участки слоя фоторезиста, он изменяет свои первоначальные свойства. Для большинства фоторезистов актиничным является ультрафиолетовое излу­чение.               .

В основе создания рельефа в пленке негативных фоторезис­тов лежит использование фотохимической реакции фотопри­соединения - фотополимеризацш, а в пленке позитивных фоторезистов - реакции фоторазложения - фотолиза.

При фотополимеризации происходит поперечная сшивк; молекул полимера, в результате чего они укрупняются. Поел* экспонирования под действием актиничного излучения изме няется структура молекул полимера, они становятся трехмер ными и их химическая стойкость увеличивается.

При фотолизе в фоторезисте под воздействием актиничного излучения у молекул полимера происходит обрыв слабых связей и образуются молекулы менее сложной структуры. Таким образом, фотолиз является процессом, противоположных фотополимеризации. Получающийся в результате фотолиз, полимер обладает пониженной химической стойкостью.

Многие полимерные вещества, из которых изготовляю: фоторезисты, содержат функциональные группы, поглощающие свет в ультрафиолетовой области спектра. Собственная светочувствительность полимера при введении в него специальные добавок — стабилизаторов и сенсибилизаторов* может изменяться в широких пределах. Одна и та же добавка для различных полимеров может служить и стабилизатором и сенсибили­затором. Объясняется это тем, что эффект действия добавок определяется не только их химическим составом, но и энерге­тическим взаимодействием с исходным полимером.

В зависимости от характера протекающих в фоторезисте фотохимических реакций определяется и тин фоторезиста — позитивный или негативный.

Негативные фоторезисты под действием актиничного излучения образуют защищенные участки релье­фа. После термообработки - задубливания - в результате ре­акции фотополимеризации освещенные при экспонировании участки не растворяются в проявителе и остаются на поверх­ности подложки. При этом рельеф представляет собой негатив­ное изображение элементов фотошаблона.

В качестве негативных фоторезистов применяют составы на основе сложного эфира поливинилового спирта

и коричной кислоты С₆Н₅—СН = СН—СООН . Эти составы называют поливинилциннаматами (ПВЦ) и их формула имеет вид R₁ — [O — R₂]_n , где R₁ — макромолекула поли­винилового спирта, содержащая большое количество атомов; R₂ - светочувствительные циннамоильные группы, представ­ляющие собой продукты коричной кислоты.

Молекулы ПВЦ представляют собой длинные спирали, состоящие из десятков тысяч атомов (молекулярная масса до 200 тыс. ед.). При поглощении фотонов ультрафиолетового из­лучения в результате фотохимической реакции фотополиме­ризации происходит разрыв слабой двойной связи — С = С -циннамоильной группы и образовавшиеся свободные связи сшивают молекулы полимера в химически стойкую трехмер­ную структуру.

В зависимости от способов получения и свойств исходных продуктов фоторезисты на основе ПВЦ могут обладать раз­личными характеристиками по светочувствительности, разре­шающей способности, кислотостойкое и др.

Фоторезисты на основе ПВЦ представляют собой белый порошок, растворяющийся в органических растворителях (смесях толуола с хлорбензолом, ацетата этиленгликоля с метаксилолом и др.). Проявителями для этих фоторезистов служит трихлорэтилен или его смесь с изопропиловым спир­том. Время проявления 0,5 — 1 мин. Фоторезисты на основе ПВЦ имеют удовлетворительную кислотостойкость: они не выдерживают воздействия концентрированной плавиковой кис­лоты, но устойчивы к травителям с небольшим ее содержанием.

Повышенной кислотостойкостью обладают негативные фо­торезисты на основе изопропилового каучука, циклокаучука и других каучуков с различными добавками. Так как сами каучуки не являются светочувствительными веществами, в состав фоторезистов вводят светочувствительные диазосоеди-нения — сенсибилизаторы. Под действием света молекула диа-зосоединения разлагается с потерей молекулы азота, образуя новые вещества — нитрены, которые вступают в реакцию с мак­ромолекулами каучука. В результате образуется стойкая трех­мерная структура. Растворителем для таких фоторезистов служит смесь ксилола с толуолом, а в качестве проявителей исполь­зуются составы на основе ксилола^ толуола, уайт-спирита.

Примерами негативных фоторезистов являются ФН-11, ФН-11К, ФН-4ТВ, ФН-ЗТ и ФН-106.

Негативные фоторезисты чувствительны к ультрафиолето­вому излучению в диапазоне длин волн 260 - 320 нм. При добавлении стабилизаторов светочувствительность увеличива­ется в 100 — 300 раз. Разрешающая способность негативных фоторезистов 100 — 300 лин/мм при толщине слоя от 0,3 до 0,5 мкм. Современные негативные фоторезисты обеспечи­вают формирование микроизображений с шириной линий 2 —■ 3 мкм.

Позитивные фоторезисты, наоборот, передают один к одному рисунок фотошаблона, т. е. рельеф повторяет

конфигурацию его непрозрачных элементов. Актиничное из­лучение так изменяет свойства позитивного фоторезиста, что при обработке в проявителе экспонированные участки слоя раз­рушаются и вымываются. В позитивных фоторезистах при освещении происходит распад молекул полимера и уменьшается их химическая стойкость.

В качестве позитивных фоторезистов используют смеси сульфоэфиров нафтохинондиазидов (НХД) с фенолформаль-дегидными смолами (новолачными или резольными) в орга­нических растворителях. Светочувствительной основой такого фоторезиста является НХД, а смола играет роль кислотостой­кого полимера. При экспонировании в результате фотохими­ческих реакций фотолиза гидрофобные производные НХД разрушаются и становятся гидрофильными, приобретая спо­собность растворяться в слабых водных растворах щелочей, которые и являются проявителем для позитивных фоторезис­тов.

Позитивные фоторезисты и режимы их обработки                 Та б л и ц а 7.2.1.

Примечани е. ДМФА - диметилформамид; МЦА — метилцеллозольвацетат; ЭЦА — этилцеллозольвацетат.

Растворителями позитивных фоторезистов являются спир­ты, кетоны, ароматические углеводороды, диоксан, ксилол или их смеси.

Позитивные фоторезисты на основе НХД чувствительны к ультрафиолетовому излучению в диапазоне длин волн 250 — 450 нм. Разрешающая способность их выше, чем негативных фоторезистов (500 — 600 лин/мм при толщине слоя 1 мкм), что позволяет формировать микроизображения с шириной линий 1—2 мкм. Позитивные фоторезисты обладают высокой кислотостойкостыо; выдерживают действие концентрирован­ных плавиковой и азотной кислот.

Основные позитивные фоторезисты и режимы их обработ­ки приведены В таблице 1.

7.3.Фоторезисты (ФР), виды, требования к ним, методы нанесения

Основными параметрами фоторезистов являются свето­чувствительность, разрешающая способность, кислотостойкость, адгезия к подложке и технологичность.

СветочувствительностьS, см² /(Вт • с),- это величина, обрат­ная экспозиции, т. е. количеству световой энергии, необходи­мой для облучения фоторезиста, чтобы перевести его в нераст­воримое (негативный) или растворимое (позитивный) сос­тояние :

           (7.3.1)

где Н - экспозиция Вт • с/см ; Е — энергооблученноеть, Вт/см²; t — длительность облучения, с,

Точную характеристику светочувствительности можно полу­чить, учитывая не только процесс экспонирования, но и прояв­ления. Так как проявитель химически взаимодействует с экспо­нированными и неэкспонированными участками слоя фоторе­зиста, процесс проявления оказывает прямое влияние на его светочувствительность. В прямой зависимости от процесса про­явления, а следовательно, и светочувствительности фоторезис­та находится качество формируемого в его слое при проявле­нии рисунка элементов.

Таким образом, критерием светочувствительности фоторезиста служит четкость рельефа рисунка в его слое после проведения процес­сов экспонирования и проявления. При этом рельеф рисунка должен иметь резко очерченную границу между областями удаленного и остав­шегося на поверхности подложки слоя фоторезиста.

Критерием светочувствительности негативных фоторезистов является образование после экспонирования и проявления на поверхности подложки локальных полимеризованных участ­ков — рельефа рисунка, т. е. полнота прохождения фотохимичес­кой реакции полимеризации (сшивки) молекул основы фо­торезиста.

Критерием светочувствительности позитивных фоторезистов является полнота разрушения и удаления (реакция фото­лиза) с поверхности подложки локальных участков слоя фото­резиста после экспонирования и проявления и образование рель­ефного рисунка.

Фоторезисты характеризуются также пороговой светочув­ствительностью S_n = 1/H₁, определяемой началом фотохими­ческой реакции.

Светочувствительность и пороговая светочувствительность фоторезиста зависят от толщины его слоя, а также состава и концентрации проявителя. Поэтому, говоря о значении светочув­ствительности и пороговой светочувствительности, учитывают конкретные условия проведения процесса фотолитографии. Определяют светочувствительность экспериментально, исследуя скорость проявления фоторезиста, которая зависит от степени его облучения.

Разрешающая способность - это один из самых важных параметров фоторезистов, характеризующий их способность к созданию рельефа рисунка с минимальными размерами эле­ментов. Разрешающая способность фоторезиста определяется числом линий равной ширины, разделенных промежутками такой же ширины и умещающихся в одном миллиметре.

Для определения разрешающей способности фоторезис­тов используют штриховые миры, представляющие собой стеклянные пластины с нанесенными на их поверхность штриха­ми шириной от одного до нескольких десятков микрометров. Разрешающую способность определяют проводя экспонирова­ние подложки, покрытой слоем фоторезиста, через штрихо­вую миру, которую используют в качестве фотошаблона. После проявления выделяется участок с различными штрихами наи­меньшей ширины, которые и характеризуют разрешающую способность данного фоторезиста.

Следует различать разрешенную способность фоторезиста и разре­шающую способность процесса фотолитографии, которая зависит от режимов травления. На практике необходимо ориентироваться на разре­шающую способность фотолитографического процесса.

При эпитаксиально-планарной технологии разрешающая спо­собность фотолитографии — это предельное количество линий в одном миллиметре, вытравленных в слое диоксида крем­ния толщиной 0,5 — 1,0 мкм через промежутки равной шири­ны. Разрешающая способность лучших современных фоторезис­тов достигает 1500 — 2000 линий/мм. Разрешающая способ­ность отечественных фоторезистов ФП-383 и ФП-РН-7 составляет 400 — 500 линий/мм, что позволяет получать контактной и проекционной фотолитографией рисунки элементов, соответ­ственно имеющие размеры 1,25 — 1,5 и 0,5 — 0,6 мкм.

Кислотоетойкостъ — это способность слоя фоторезиста защищать поверхность подложки от воздействия кислотного травителя. Критерием кислотостойкости является время, в те­чение которого фоторезист выдерживает действие травителя до момента появления таких дефектов, как частичное разруше­ние, отслаивание от подложки, локальное точечное расстрав-ливание слоя или подтравливание его на границе с подложкой,

Стойкость фоторезиста к химическим воздействиям зави­сит не только от состава, но и от толщины и состояния его слоя. Поэтому кислотостойкость оценивают фактором травления К = h/х.,(где h - глубина травления; х - боковое подтравли­вание) .

Таким образом, чем меньше боковое подтравливание при заданной глубине травления, тем выше кислотостойкость фоторезиста. Боковое подтравливание характеризуется клином травления.

Адгезия - это способность слоя фоторезиста препятствовать проникновению травителя к подложке по периметру создавае­мого рельефа рисунка элементов. Критерием адгезии является время отрыва слоя фоторезиста заданных размеров от подлож­ки в ламинарном потоке проявителя. В большинстве случаев адгезию  считают  удовлетворительной, если слой фоторезиста

20x20 мкм² отрывается за 20 мин. Об адгезии фоторезиста к подложке можно судить по углу смачивания, т. е. состоянию поверхности подложки.

Стабильность свойств фоторезистов характеризуется их сроком службы при определенных условиях хранения и эксплу­атации и обеспечение ее является одной из важнейших проблем производства изделий микроэлектроники.БРАБОТКА ПОВЕРХНОСТИ ПОДЛОЖЕК

Качество процесса фотолитографии во многом определяется меха­ническим и физико-химическим состоянием поверхности подложек.

Механическое состояние поверхности подложек влияет на точность получения элементов рисун­ка, поэтому любые неровности, микробугорки, впадины, цара­пины и риски приводят к их искажению. Кроме того, при нане­сении слоя фоторезиста эти дефекты вызывают появление пу­зырьков или проколов в слое фоторезиста.

Необходимое качество поверхности подложек обеспечива­ется на начальных стадиях их изготовления механической обра­боткой: резкой слитков на пластины, шлифовкой и полировкой пластин, в результате которой их поверхность доводится до зеркального блеска и приобретает идеальную плоскостность и плоскопараллельность.

Физико-химическое состояние поверхнос­ти подложек влияет на ее смачиваемость и адгезию фоторезис­та. Поэтому на рабочих поверхностях подложек не должно быть инородных частиц, а также адсорбированных атомов и ионов жидкостей и газов. Так как большинство фоторезистов содер­жит в своей основе полимеры, обладающие гидрофобными свойствами, то и поверхность подложек должна быть гидро­фобной.

Критерием оценки состояния поверхности подложки может служить краевой угол ее смачивания каплей деионизованной воды. Если капля воды растекается по поверхности подложки, т. е. ее угол смачивания менее 40 °, такую поверхность называ­ют гидрофильной. Поверхность, на которой капля воды не рас­текается и образует угол смачивания более 90 °, называют гидрофобной.

При фотолитографии необходимо, чтобы поверхность подложек была гидрофильна к фоторезисту и гидрофобна к травителю, тогда выт­равленный рисунок будет точно повторять рисунок фотошаблона.

Перед нанесением слоя фоторезиста или какой-либо плен­ки полупроводниковые подложки для удаления органических загрязнений обрабатывают в химических реактивах, а затем подвергают гидромеханической отмывке (Рисунок 7.3.1,а, б).

Рисунок 7.3.1. Схемы гидромеханической отмывки подложек цилиндри­ческой (а) и конической (б) щетками:

1 - форсунка, 2 - щетки, 3 - подложка

Для формирования полупроводниковых структур исполь­зуют пленки полупроводников (Si, Ge, GaAs), диэлектриков (оксида SiO₂ и нитрида Si₃N_7.3.1 кремния, примесно-силикатных стекол) и металлов (Al, V, W, Ti, Аи), а также силицидов и оксидов тугоплавких металлов.

Поверхность подложек с выращенными термическим окис­лением пленками SiO₂ сразу после образования пленки гидрофобна. Поэтому рекомендуется непосредственно после окис­ления, не превышая межоперационное время более 1 ч, пере­давать подложки на фотолитографию. Через несколько часов поверхность подложек с пленкой SiO₂ становится гидрофиль­ной, на ней адсорбируются молекулы воды из атмосферы, угол смачивания уменьшается до 20 - 30 ° и адгезия фоторезиста падает, что приводит к браку. Для придания поверхности таких подложек гидрофобных свойств их термообрабатывают при 700 — 800 ° С в сухом инертном газе или в вакууме.

Если слой фоторезиста наносят на пленку примесно-силикат-ного стекла, следует иметь в виду, что поверхность боросиликат-ного стекла гидрофобна и аналогична по поведению пленке SiO₂ а фосфоросиликатного стекла гидрофильна (угол смачи­вания не превышает 15 °). Гидрофобные свойства поверхности фосфоросиликатного стекла придают термообработкой при 100 — 500 °С в течение 1 ч в сухом инертном газе или в ваку­уме. Режим термообработки выбирают в зависимости от тех­нологии изготовления и конструкции микроэлектронного изделия. Гидрофобность силикатных стекол повышают также обработкой их в трихлорэтилене или ксилоле.

Характеристики поверхности пленок Al, V, W, Ti и Аu наносимых вакуумным распылением, зависят от режима про­ведения процесса и смачиваемости подложек. Перед фотоли­тографией пленки обязательно обезжиривают в растворителях.

Эффективным методом повышения адгезии фоторезиста к пленке является ее обработка в парах специальных веществ — адгезивов, придающих поверхности гидрофобные свойства. Наиболее распространенным адгезивом является гексаметил-дисилазан.

Нанесение слоя фоторезиста. Нанесенный на предваритель­но подготовленную поверхность подложек слой фоторезиста должен быть однородным по толщине по всему их полю, без проколов, царапин (т. е. быть сплошным) и иметь хорошую адгезию.

Наносят слой фоторезиста на подложки в обеспыленной сре­де, соблюдая технологические режимы. Используемый фото­резист должен соответствовать паспортным данным. Перед употреблением его необходимо профильтровать через специаль­ные фильтры, а в особо ответственных случаях (при производ­стве БИС) обработать на центрифуге при частоте вращения 10 - 20 тыс. об/мин в течение нескольких часов. Это делают для того, чтобы удалить из фоторезиста инородные микрочас­тицы размером менее 1 мкм, которые могут привести к бра­ку фоторезистивного слоя. Кроме того, необходимо проверить вязкость фоторезиста и довести ее до нормы.

Для нанесения слоя фоторезиста на подложки используют методы центрифугирования, пульверизации, электростатичес­кий, окунания и полива. Кроме того, применяют накатку пленки сухого фоторезиста.

Методом центрифугирования (Рисунок 7.3.2), наиболее широко используемым в полупроводниковой техно­логии, на несложном оборудовании наносят слои фоторезиста, толщина которых колеблется в пределах ± 10 %. При этом методе на подложку 2, которая устанавливается на столике 3 центрифуги и удерживается на нем вакуумным присосом, фоторезист подается капельницей-дозатором 1. Когда столик приводится во вращение, фоторезист растекается тонким слоем по поверхности подложки, а его излишки сбрасываются с нее и стекают по кожуху 4. При вращении центрифуги с большой частотой происходит испарение растворителя и вязкость фото­резиста быстро возрастает.

Рисунок 7.3.2 (cлева). Установка несения слоя фоторезиста центрифугирова­нием:

1 — дозатор (капельница), 2 — подложка, 3 - столик, 4 - кожух для сбора избытка фо­торезиста, 5 - вакуумные уп­лотнители, 6 - электродвига­тель, 7 - трубопровод к ва­куумному насосу

Рисунок 7.3.3(справа). Зависимость толщины слоя фото­резиста от частоты вращения центрифуги при различных коэффициентах его вяз­кости:

1 - v  0,05 см/с, 2 - v = 0,04 см/с, 3 - v = 0,02 см/с

Наносимые центрифугированием слои фоторезиста могут иметь дефекты в виде "комет", образующиеся, если на поверх­ности подложек имелись остаточные загрязнения или фоторезист был плохо отфильтрован. Такие дефекты выглядят, как направ­ленные от центра локальные утолщения или разрывы слоя фоторезиста.

Полуавтомат для нанесения слоя фоторезиста центрифуги­рованием состоит из блоков центрифуг и дозаторов, блока управления, а также блока подачи и приема подложек и выпол­нен в виду двух треков. В блоке центрифуг имеется электро­двигатель малой инерционности, частота вращения которого контролируется специальным электронным блоком. Подложки удерживаются на столиках центрифуг вакуумным присосом, создаваемым системой вакуумной откачки. Блок дозаторов укреплен на задней стенке полуавтомата. Дозирование фоторе­зиста ведется с помощью электроиневмоклапанов, а подача осуществляется под давлением азота. Блок управления обес­печивает согласование работы всех блоков полуавтомата.

Полуавтомат предназначен для одновременного нанесения слоя фоторезиста по двум трекам, на которые загружаются стандартные кассеты с 25 подложками. После нанесения фото­резиста подложки поступают в разгрузочную кассету или прохо­дят по треку на сушку в конвейерную печь.

Достоинствами методами центрифугирования являются его простота, отработанность и удовлетворительная производитель­ность оборудования, а также возможность нанесения тонких слоев фоторезиста с небольшим разбросом по толщине. Недос­татки этого метода — трудность нанесения толстых слоев фото­резиста (более 3 мкм), необходимость тщательного контроля его коэффициента вязкости и режимов работы центрифуги.

Метод пульверизации (Рисунок 7.3.4), являющийся весьма перспективным, основан на нанесении слоя фоторезиста в виде аэрозоля с помощью форсунки, действующей под дав­лением сжатого воздуха или инертного газа. Подложки распо­лагаются на расстоянии в несколько сантиметров от форсунки, и фоторезист, осаждаясь в виде капель, покрывает их сплош­ным слоем. Метод пульверизации позволяет в автоматическом режиме вести групповую обработку подложек. При этом тол­щина слоя фоторезиста составляет от 0,3 до 20 мкм с точностью не хуже 5 %.

Достоинствами метода пульверизации являются: возмож­ность изменения толщины слоя фоторезиста в широких преде­лах: однородность слоев по толщине; отсутствие утолщений по краям подложек; нанесение фоторезиста на профилирован­ные подложки  (в малейшие углубления и отверстия): сравнительно малый расход фоторезиста; высокая производитель­ность и автоматизация процесса; хорошая адгезия слоя к под­ложкам (лучшая, чем при центрифугировании).

Недостатки этого метода состоят в том, что при его исполь­зовании необходимо специально подбирать растворители, так как слой фоторезиста не должен стекать по подложкам. Кроме того, следует тщательно очищать фоторезист и используемый для пульверизации газ.

Основными элементами установки для нанесения слоя фоторезиста .пульверизацией являются форсунка-пульверизатор и стол, на котором закрепляют подложки. Для равномерного покрытия подложек слоем фоторезиста стол и форсунка переме­щаются в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Рисунок 7.3.4. Нанесение слоя фоторезиста пульверизацией:

1 — область разрежения, 2 — сопло, 3 — форсунка, 4 — регули­рующая игла, 5 — распыляющий газ, 6 - подача фоторезиста

При электростатическом методе (Рисунок 7.3.5) спой фоторезиста наносят на подложки в электрическом поле напряженностью 1—5 кВ/см. Для создания такого поля между подложкой 3 и специальным кольцевым электродом 2 подают постоянное напряжение 20 кВ. При впрыскивании фоторезиста форсункой 1 в пространство между электродом и подложкой капельки фоторезиста диаметром в несколько микрометров заряжаются, летят под действием электрического поля к под­ложке на ней.

Этот метод имеет высокую производительность и позволяет наносить слой фоторезиста на подложки большой площади. Недостаток его - трудность стабилизации процесса и сложность оборудования.

Методы окуна­ния и полива явля­ются простейшими среди всех методов нанесения слоя фоторезиста.

При окунании подложки погружают на несколько се­кунд в ванну с фоторезис­том, а затем с постоянной скоростью вытягивают из нее в вертикальном положе­нии специальными подъем­ными устройствами и сушат, установив вертикально или наклонно.

Полив фоторезиста на горизонтально расположен­ные подложки обеспечивает лучшую по сравнению с оку­нанием однородность слоя по толщине. Следует отме­тить, что при этом методе неизбежны утолщения слоя фоторезиста по краям.

Окунание и полив применяют для нанесения слоя фото­резиста на подложки больших размеров, а также его толстых слоев (до 20 мкм) на обе стороны подложек. Недостаток этих методов - неоднородность слоя фоторезиста по толщине.

Общим недостатком нанесения жидких фоторезистов является трудность получения сплошных слоев заданной толщины.

Накатка пленки сухого фоторезиста значительно упрощает процесс и обеспечивает получение равно­мерного покрытия на подложках большой площади. Пленочный фоторезист представляет собой трехслойную ленту, в которой слой фоторезиста заключен между двумя полимерными пленка­ми: одна (более прочная) является несущей, а другая — защитной.

Предварительно защитную пленку удаляют, а фоторезист вместе с несущей пленкой накатывают валиком на подложки, нагретые до 100 °С. Под действием температуры и давления фоторезист приклеивается к подложке. При этом его адгезия к подложке выше, чем к несущей пленке, которую затем сни­мают.

Рисунок   7.3.5.   Нанесение   фоторезиста   в электростатическом поле:

1 - форсунка, 2 - кольцевой элек­трод, 3 — подложка, 4 — столик

Недостатки этого метода - большая толщина (10 — 20 мкм) и низкая разрешающая способность слоя сухого фоторезиста. Поэтому накатку пленки сухого фоторезиста используют толь­ко при больших размерах элементов ИМС.

Сушка слоя фоторезиста. Для окончательного удаления растворителя из слоя фоторезиста его просушивают. При этом уплотняется молекулярная структура слоя, уменьшаются внут­ренние напряжения и повышается адгезия к подложке. Непол­ное удаление растворителя из слоя фоторезиста снижает его кислотостойкость. Для удаления растворителя подложки нагре­вают до температуры, примерно равной 100 °С. Время сушки выбирают оптимальным для конкретных типов фоторезистов.

Температура и время сушки значительно влияют на такие важные параметры фоторезистов, как время их экспонирования и точность передачи размеров элементов после проявления. Большое значение при сушке имеет механизм подвода теплоты. Существует три метода сушки фоторезиста: конвекционный, инфракрасный и в СВЧ-поле.

При конвективной сушке подложки выдер­живают в термокамере при 90 — 100 °С в течение 15 — 30 мин. Недостаток этого метода — низкое качество фоторезистового слоя.

При инфракрасной сушке источником теп­лоты является сама полупроводниковая подложка, поглощаю­щая ИК-излучение от специальной лампы или спирали накали­вания. Окружающая среда (очищенный и осушенный инертный газ или воздух) при этом сохраняет благодаря непрерывной продувке примерно комнатную температуру. Так как "фронт сушки" перемещается от подложки к поверхности слоя фото­резиста, качество сушки по сравнению с конвективной сущест­венно выше, а время сокращается до 5 - 10 мин.

В электронной промышленности широко используются ус­тановки ИК-сушки УИС-1 и конвейерные печи с инфракрас­ными нагревателями. Система измерения и стабилизации тем­пературы в них основана на определении температуры эталон­ных подложек, закрепленных на рамке внутри рабочей камеры, для продувки которой служат вентиляторы. Источниками теп­лоты являются лампы ИК-излучения. Время и температура сушки поддерживаются автоматически.

При СВЧ-сушке подложки нагреваются, погло­щая электромагнитную энергию СВЧ-поля. Такая сушка про­изводится в печах мощностью 200 — 400 Вт при рабочей час­тоте 2,45 ГГц. Время сушки — несколько секунд. Достоинством этого метода является высокая производительность, а недос­татками — сложность оборудования и необходимость тщатель­ного экранирования рабочего объема во избежание облучения оператора, а также неравномерность сушки слоя фоторезиста на различных по электрическим характеристикам участках под­ложек. Поэтому сушке в СВЧ-поле подвергают только однород­ные подложки.

При любом методе сушки ее режимы (время, температура) дол­жны исключать появление структурных изменений в слое фоторезиста. Высушенный слой необходимо экспонировать не позднее чем через 10 ч. Сушку подложек следует выполнять в тщательно обеспыленной среде 10-го и 1-го классов чистоты. Контролируют качество сушки визуаль­но или под микроскопом.

Основные виды и причины брака. При нанесении слоя фото­резиста могут появиться различные виды брака.

Плохая адгезия фоторезиста к подложке вызывает при последующем травлении растравливание и искажение рисун­ков элементов. Причиной плохой адгезии является некачест­венная подготовка поверхности подложек.

Локальные неоднородности рельефа слоя фоторезиста, имеющие вид капелек, обусловлены попаданием пылинок на подложки или присутствием посторонних частиц в фоторе­зисте.

Микродефекты (проколы) слоя фоторезиста связаны с теми же причинам, что и локальные неоднородности рельефа.

Неоднородности рельефа слоя фоторезиста в виде радиаль-но расходящихся длинных лучей вызываются нарушением режи­ма центрифугирования в процессе нанесения слоя (вибрацией столика при вращении).

Неоднородность толщины слоя фоторезиста на подложках и разброс ее на разных подложках являются результатами перекоса столика, уменьшения частоты его вращения и увели­чения времени разгона центрифуги. Отклонение толщины слоя фоторезиста от заданной может быть также связано с изменением вязкости фоторезиста.

Точность полученного в процессе фотолитографии топологичес­кого рисунка в первую очередь определяется прецизионностью процес­са совмещения.

Передача изображения с фотошаблона на подложку должна выполняться с точностью до десятых долей минимального раз­мера элемента, что обычно составляет 0,1 — 0,5 мкм. Поэтому процессы совмещения и экспонирования проводят на одном рабочем месте одновременно на одной установке, не допуская даже малой вибрации фотошаблона и подложки.

Совмещение и экспонирование являются наиболее ответственными операциями процесса фотолитографии.

Перед экспонированием слоя фоторезиста фотошаблон следует правильно сориентировать относительно подложки у рисунка предыдущего слоя. Для полного формирования струю туры полупроводникового прибора или ИМС необходим комплект фотошаблонов со строго согласованными топологическими рисунками элементов.

При первой фотолитографии, когда поверхность подложек еще однородна, фотошаблон ориентируют относительно базового среза подложки. При последующих фотолитографиях, когда на подложках сформированы топологические слои, рису­нок фотошаблона ориентируют относительно рисунка предыду­щего слоя.

Совмещают рисунки фотошаблона и подложки в два эта па. На первом этапе с помощью реперных модулей — "пустых кристаллов" выполняют грубое совмещение в пределах всего поля подложки. На втором этапе с помощью микроскопа в пределах единичного модуля по специальным знакам - фигу­рам совмещения, предусмотренным в рисунке каждого тополо­гического слоя, выполняют точное совмещение. Форму фигур совмещения (кресты, круги, квадраты) выбирают в зависи­мости от типа используемого при фотолитографии фоторезис­та (Рисунок 7.3.6,а - в).

Рисунок 7.3.6. Фигуры совмещения на фотошаблонах (I) и подложках после второй (II) и четвертой (III)  фотолитографии:

а - концентрические окружности, б — вложенные квадраты, в - биссекторные знаки

Сложность операции совмещения состоит в том, что прихо­дится с высокой точностью совмещать элементы малых разме­ров на большой площади. Для этого увеличение микроскопа должно быть не менее 200 раз. Современные установки обеспе­чивают точность совмещения 0,25 — 1 мкм. Точность совме­щения последовательных рисунков зависит от следующих факторов:

точности совмещения фотошаблонов в комплекте;

точности воспроизведения форм и размеров элементов рисунков в процессе фотолитографии;

качества подложек и слоев фоторезиста;

совершенства механизма совмещения установки;

разрешающей способности микроскопа;

соблюдения температурного режима.

Существует два метода совмещения фотошаблонов с под­ложками:

визуальный, при котором, выполняя совмещение, наблю­дают за контрольными отметками в микроскоп; при этом точность совмещения составляет 0,25 — 1 мкм и зависит от возможностей установки;

автоматизированный фотоэлектрический с помощью фото­электронного микроскопа, обеспечивающий точность совме­щения 0,1 — 0,3 мкм.

При контактной фотолитографии операцию совмещения выполняют с помощью специального механизма совмещения микроизображений (Рисунок 7.3.7), основными элементами которого являются предметный шаровой столик 1 со сферическим осно­ванием - гнездом 2, рамка 16 для закрепления фотошаблона 15 и устройство перемещения рамки и поворота предметного столика.

Предварительно подложку размещают на предметном сто­лике так, чтобы слой фоторезиста был сверху, и закрепляют фотошаблон в подвижной рамке над поверхностью подложки 14. Между подложкой и фотошаблоном должен быть зазор для свободного перемещения рамки. Для совмещения рисунков на фотошаблоне и подложке передвигают рамку с фотошаблоном в двух взаимно перпендикулярных направлениях в плоскости подложки и поворачивают предметный столик с подложкой вокруг вертикальной оси.

Современные установки совмещения и экспонирования представляют собой сложные оптико-механические комплексы. Точность совмещения и производительность зависят от выбран­ного метода совмещения - визуального или фотоэлектричес­кого.

В отечественных установках контактного совмещения и экспонирования (ЭМ-576, ЭМ-5006) используется принцип контактной печати с наложением фотошаблона на подложку. При идеальной плоскостности фотошаблона и подложки пере­дача изображения осуществляется с минимальными искажени­ями при большой производительности.

После выполнения совмещения (Рисунок 7.3.8, а) подложку прижимают к фотошаблону и экспонируют слой фоторезиста (Рисунок 7.3.8, б). Основной целью экспонирования является высо­коточное воспроизведение слоем фоторезиста всех элементов топологии полупроводниковых приборов или ИМС. Правиль­ность экспонирования влияет на качество переноса изображе­ния с фотошаблона на слой фоторезиста.

Рисунок 7.3.7. Механизм совмещения микро­изображений фото­шаблона и подлож­ки при контактной фотолитографии:

1,2 — предметный столик и его гнездо, 3 - направляю­щие, 4 — микроза­зор, 5 — штифт, 6 — регулировочный винт, 7, 10 - ди­афрагмы, 8, 11 -камеры, 9 - фикса­тор, 12, 13 -трубо­проводы, 14 — под­ложка, 15 — фото­шаблон, 16 — рамка

Процесс экспонирования зависит от качества фотошаблона, свойств фоторезиста и подложки, оптических явлений, происходящих в системе подложка — фотошаблон и точности их совмещения.

При контактном экспонировании ультрафиолетовое излу­чение проходит через фотошаблон и попадает на слой фоторёзиста. Следовательно, передача элементов рисунка на слое фото­резиста зависит от оптической плотности темных и светлых участков рисунка фотошаблона, резкости и ровности их краев и коэффициента отражения металлизированного слоя фото­шаблона.

Рисунок 7.3.8. Схемы совмещения (а) и экспонирования (б) :

1 - предметный столик, 2 - подложка, 3 - слой фоторезиста, 4 - фото­шаблон, 5 — микроскоп, 6 — затвор, 7 - конденсор, 8 - источник света; z - зазор между фотошаблоном и подложкой

Важной частью установки совмещения и экспонирования является микроскоп. Отечественные установки оснащены дву­польным микроскопом с увеличением до 300 раз, в который одновременно можно наблюдать изображение двух модулей в разных точках подложки. Этот микроскоп позволяет плавно изменять увеличение сменой объективов.

Как уже отмечалось, совмещение и экспонирование выпол­няют на одной установке (Рисунок 7.3.9), при этом подложка 9 с помощью подающей кассеты 1 перемещается по конвейеру 2 в устройство совмещения 3, где точно ориентируется относитель­но фотошаблона 4 при наблюдении в микроскоп 5. После сов­мещения микроскоп автоматически отводится в сторону, на его место устанавливается осветитель 6 и проводится экспони­рование. Затем подложка подается в приемную кассету 8 и по конвейеру 7 перемещается на операцию проявления.

Осветитель состоит из источника света, оптического уст­ройства для создания равномерного светового потока и зат­вора-дозатора актиничного излучения.

Рисунок 7.3.9. Установка совмещения и контактного экспонирования:

1, 8 — подающая и приемная кассеты, 2, 7 — конвейеры, 3 - уст­ройство совмещения, 4 — фотошаблон, 5 — микроскоп, 6 — осве­титель, 9 — подложки

В качестве источника света обычно применяют ртутно-кварцевую лампу высокого давления ДРШ-350 или ДРШ-500, создающую мощный световой поток. Излучение такой лампы лежит в основном в ультрафиолетовой области спектра (330 — 440 нм).

Оптическое устройство создает поток параллельных лучей, равномерно освещающих подложку. Разброс освещенности в пределах рабочего поля подложки не должен превышать 5 %. ' При работе на установке необходимо принимать меры по за­щите глаз от прямого попадания ультрафиолетового излучения.

Система затвор—дозатор обеспечивает точность дозы при экспонировании не хуже 5 %.

Режимы проявления слоя фоторезиста зависят от времени экспонирования. Необходимую экспозицию устанавливают, учитывая тип и светочувствительность фоторезиста, а также толщину его слоя. Оптимальную дозу излучения, обеспечиваю­щую наилучшую четкость изображения, получаемого после проявления, определяют экспериментально.

Качество изображения оценивают визуально по наиболее мелким элементам топологии или специальным контрольным знакам-элементам, предусмотренным в нем. Поскольку зазор между шаблоном и подложкой, а также освещенность распре­делены по рабочему полю неравномерно и носят случайный характер, качество изображения контролируют на разных участ­ках подложки.

Наличие зазора между фотошаблоном и подложкой вызы­вает дифракционные явления, что приводит к искажению формы и размеров элементов и обусловлено проникновением света в область геометрической тени. Чтобы уменьшить влияние диф­ракции при экспонировании, необходимо фотошаблон плотно прижимать к подложке для исключения зазора между ними или сведения его к минимуму.

Важным оптическим эффектом при экспонировании явля­ется прохождение ультрафиолетового излучения через пленку фоторезиста. Световой поток, проходя через слой фоторезиста, рассеивается в нем, а достигая подложки, отражается от нее и возвращается обратно в слой фоторезиста. Дойдя до поверх­ности фотошаблона, световой поток отражается под углом от его металлизированных непрозрачных участков и через про­зрачные участки попадает в слой фоторезиста на подложке.

Эти отражения светового потока приводят к нежелательно­му дополнительному экспонированию участков слоя фоторезис­та, находящегося под непрозрачными участками фотошаблона. Интенсивность отраженного потока света зависит от коэффици­ентов отражения подложки и фотошаблона. Для снижения эффекта отражения при контактной фотолитографии исполь­зуют цветные оксидные фотошаблоны, имеющие малый коэф­фициент отражения.

Обработка подложек. Заключительным этапом процесса фотолитографии является фор­мирование топологии рельефного рисунка на подложках в технологи­ческом слое (маскирующей, изолирующей, защитной диэлектрической или проводящей металлической пленке) травлением с последующими удалением слоя фоторезиста и очисткой подложек. Эти операции осу­ществляют химическим жидкостным или плазменным "сухим" трав­лением.

В связи с тем что процессы травления являются завершаю­щими в формировании элементов полупроводниковых прибо­ров и ИМС, они оказывают решающее влияние на электрические параметры этих изделий и выход годных и должны обеспечи­вать:

минимальные погрешности размеров элементов рисунка и наименьшее количество дефектов;

полное удаление материала на участках, не защищенных слоем фоторезиста, а также продуктов реакции;

возможность управления режимами обработки.

Химическое жидкостное травление основано на растворении в хи­мических реагентах не защищенных фоторезистивной маской участ­ков технологического слоя и состоит из следующих стадий: диффузии и адсорбции молекул травителя к поверхности подложки; химической реакции; десорбции продуктов реакции и удаления их в раствор.

Скорость травления зависит от наиболее медленной стадии и, кроме того, определяется составом травителя, его темпера­турой, а также структурой технологического слоя.

Используемые химические травители должны обладать следующими свойствами:

селективностью (избирательностью), т. е. способностью активно растворять основной технологический слой, не взаи­модействуя с фоторезистивной маской и другими нижележащи­ми слоями;

не образовывать продуктов реакции, способствующих от­слаиванию фоторезиста по контуру элементов рисунка и подтравливанию;

допускать возможность подбора оптимальной для данных условий скорости травления, обеспечивающей минимальную плотность дефектов полученного рисунка.

Процесс химического жидкостного травления, как правило, изотропен, т. е. имеет одинаковую скорость во всех направлени­ях. Участки подложки, не защищенные пленкой фоторезиста, травятся не только вглубь, но и в стороны, т. е. происходит так называемое боковое подтравливание, что приводит к изме­нению линейных размеров элементов рисунка. По боковому подтравливанию судят о качестве процесса травления и форми­рованию клина травления. Изменение размеров элементов рисунка не должно превышать допусков, указанных в ТУ.

При плохой адгезии слоя фоторезиста травитель может проникать под него на значительное расстояние и в этом случае боковое подтравливание l становится недопустимо большим. При хорошей адгезии фронт бокового травления (клин трав­ления) имеет форму дуги (Рисунок 7.3.10, а). Клин травления зависит от скорости процесса, адгезии защитной маски фоторезиста к подложке, толщины вытравливаемого слоя h и смачиваемости его поверхности травителем.

В состав любого травителя, как правило, входят следующие компоненты:

окислитель — для образования оксидов на поверхности технологического слоя;

растворитель — для растворения и удаления образовавших­ся оксидов;

замедлитель и ускоритель реакции.

Результатом процесса травления является полное стравли­вание материала на участках, не защищенных фоторезистом. Результат травления зависит от качества сформированного за­щитного рельефа фоторезиста, его адгезии, геометрических размеров элементов на фотошаблоне, клина травления. Кроме того, процесс травления, геометрические размеры получаемых после травления элементов рисунка и   клин травления определяются

Рисунок 7.3.10. Профили элементов рельефного рисунка после травле­ния:

а — жидкостного, б - ионно-химического, в, г - плазмохимического; 1 — слой фоторезиста, 2 - технологический слой

типом травителя, температурой травления и толщиной травящегося материала.

Травление технологических слоев. Наиболее широко в про­цессах химического травления при фотолитографической обра­ботке используют травители, представляющие собой слабые кислотные растворы. В производстве полупроводниковых приборов и ИМС большую часть фотолитографических процес­сов проводят на слое диоксида и нитрида кремния.

Для травления пленок диоксида крем-ния SiO₂ применяют плавиковую кислоту и травители на ее основе. Процесс происходит по следующей реакции:

SiO₂ +4HF => SiF₄ + 2Н₂О

Для улучшения качества рельефного рисунка в слое SiO₂ применяют так называемый "буферный" травитель с замедля­ющими добавками фторида аммония NH₄F. В этом случае процесс происходит по следующей реакции:

SiO₂ + 4HF + 2NH₄F => (NH₄)₂ SiF₆ + 2H₂O

В типовой состав буферного травителя входят: 2 ч. 48 %-ной плавиковой кислоты, 7 ч. 40 %-ного водного фтористого аммо­ния и 1 ч. воды. Увеличение концентрации кислоты в травителе повышает скорость травления пленки SiO₂, но при этом ухудшается качество вытравленного рельефа. При увеличении кон­центрации фтористого аммония уменьшается скорость травле­ния и улучшается качество рельефного рисунка. Оптимальная температура травителя 20 ^OС. Повышение температуры травителя увеличивает скорость травления, но ухудшает качество рельефа.

Для травления пленок нитрида крем­ния Si₃N₄ используют травитель на основе ортофосфорной кислоты Н₃РО₄ с добавками фосфорного ангидрида Р₂О₅. Оптимальная температура травителя до 180 — 200 °С. Так как при травлении при высоких температурах резко снижаются за­щитные свойства фоторезиста, пленку Si₃N₄ защищают тонким слоем SiO₂ (~ 0,2 мкм). В этом случае травление сначала про­водят в буферном травителе, а затем приступают к травлению нитрида кремния, используя пленку диоксида кремния в ка­честве защитной маски.

Окончание процесса травления устанавливают в момент перехода вытравленной поверхности из гидрофильного состоя­ния в гидрофобное, т. е. когда обнажившийся кремний перес­тает смачиваться травителем.

При травлении пленок диоксида и нитрида кремния возмож­ны различные виды брака, обусловленные следующими причи­нами. Так, растравливание, характерным признаком которого является появление интерференционных кругов под слоем фоторезиста вокруг вскрытых окон, вызывается нарушением межоперационного времени хранения подложек, плохой ад­гезией фоторезиста к их поверхности, нарушением режимов проявления и задубливания, завышенным временем травления, некачественным травителем.

Причинами отслаивания пленки фоторезиста при травлении могут быть его плохая адгезия к поверхности и нарушение режима задубливания, увеличение межоперационного времени хранения подложек.

Окрашивание кремния во вскрытых окнах происходит из-за его сильного легирования и высокой поверхностной кон­центрации примеси, попадания окислителей (например, HNO₃) в травитель, большого разброса толщины вытравливаемой плен­ки оксида. При этом на участках, где пленка оксида имеет тол­щину более 100 нм, наблюдается наибольшее окрашивание. Тонкая (60 — 70 нм) пленка оксида, остающаяся в окнах, не окрашивается, поэтому невидима, но может существенно влиять на параметры последующих диффузионных слоев. При­чинами нестравливания таких пленок могут быть недостаточное время травления, а также неравномерное травление окон в разных точках площади подложек.

При изготовлении металлизированной разводки и фор­мирования контактных площадок фотолитографию проводят по слою металла (алюминия, золота, молибдена, тантала, ни­хрома и др.) •

Для травления пленок алюминия приме­няют как кислотные, так и щелочные травители. Однако из-за плохой адгезии фоторезиста к пленке алюминия вследствие значительного изменения его угла смачивания (от 20 до 80 °) травитель выбирают в соответствии с типом применяемого при фотолитографии фоторезиста. Так, для травления масок нега­тивных фоторезистов используют 20 %-ный раствор КОН или NaOH. При температуре 60 — 90 ° С травление происходит с выделением пузырьков водорода, что вызывает неровности контура рельефа до 0,5 — 1 мкм. Процесс протекает по следую­щей реакции:

2Аl + 2NaOH + 6Н₂ О -> 2Na [Аl(ОН)₄]  + ЗН₂

При использовании в качестве масок позитивных фоторезис­тов для травления алюминия используют травители на основе ортофосфорной кислоты. Процесс протекает по следующей реакции:

2Аl + 6Н₃РО₄ -> 2Аl(Н₂РО₄)₃ + 3H₂

Более часто применяют травитель, состоящий из смеси ортофосфорной, азотной, уксусной кислот и воды.

Травление в кислотных травителях идет при температуре около 40 "С и сопровождается бурным газовыделением, что также приводит к неровностям контура рельефа.

Наилучшее качество травления получают, используя тра­витель на основе хромового ангидрида Сг₂О₃, фторида аммо­ния NH₄F и воды. При комнатной температуре скорость трав­ления составляет 0,7 мкм/мин. Кроме того, применяют трави­тель, состоящий из хромового ангидрида Сг₂О₃, фторида ам­мония NH₄F, ацетата кадмия Cd(CH₃COOH)₂, водораствори­мого крахмала и воды. При использовании этого травителя не требуется нагрев, отсутствует газовыделение и неровность контура рельефа не превышает 0,3 мкм.

При травлении пленок алюминия возможен такой брак, как изменение (уменьшение) линейных размеров элементов, что может быть вызвано следующими причинами: применением некачественного фоторезиста; нарушением режима его задубливания или плохой адгезией к алюминию; увеличением меж­операционного времени хранения; неправильным соотношением компонентов в травителе; превышением температуры и вре­мени травления; изменением размеров элементов рисунка после проявления.                                          

До обработки партии подложек проводят травление конт­рольной подложки. При несоответствии размеров элементов рисунка заданным необходимо прежде всего проверить режим задубливания, качество проявленного рельефа, температуру и состав травителя.                                                                                      

Иногда пленки алюминия при травлении окисляются и тем­неют их отдельные участки, что можно объяснить электрохи­мическими процессами, происходящими в системе Al — Si — р-n-переход — травитель. Для устранения этого явления обрат­ную и боковые стороны подложек покрывают фоторезистом, чтобы изолировать их от травителя.

Остатки невытравленного алюминия в виде перемычек могут привести к замыканию параллельных проводников одно­го уровня. Причинами этого могут быть: некачественное прояв­ление (недопроявление) слоя фоторезиста; нарушение режимов его задубливания (заплывание фоторезиста при повышенной температуре задубливания); дефекты в фотошаблоне. После­дующим дотравливанием, как правило, не удается ликвиди­ровать эти перемычки. Поэтому такой брак можно устранить только повторной фотолитографией.

Для травления пленок золота приме­няют смесь концентрированных соляной НС1 и азотной NHO₃ кислот в соотношении 3 : 1 (царскую водку), а также трави­тель, состоящий из йодистого калия KI, иода I₂ и воды в соот­ношении 4:1 : 1.

Для травления пленок серебра исполь­зуют травитель, в который входят нитрат железа Fe (NO₃)₂, раствор йодистого калия KI и иода I₂ в воде.

Для травления пленок молибдена при­меняют состав из ферроцианида калия, серной и азотной кислот либо смесь ортофосфорной, азотной и уксусной кислот.

Для травления пленок тантала исполь­зуют смесь нитрата железа, концентрированной плавиковой и азотной кислот, а пленки нихрома травят в соля­ной кислоте.

В полупроводниковых ИМС высокой степени интеграции электрические соединения часто выполняют в виде многослой­ной металлизации — двойных проводящих cлое в (например, молибден — золото, титан - алюминий). В этом случае рельеф вытравливают с помощью селективных тра-вителей последовательно в двух различных составах: в первом вытравливают пленку верхнего слоя, а во втором — нижнего.

Так, для получения рельефа в двухслойной системе молиб­ден — золото_; в которой нижний молибденный слой имеет толщину 0,2 мкм, а верхний — слой золота — 0,4 мкм, подложки последовательно обрабатывают в травителях для золота и молибдена. В травитель для золота входят этиленгликоль, йодистый калий, иод и вода, а в травитель для молибдена -этиленгликоль, азотная кислота и хлорное железо.

Основными параметрами режима травления, от которых зависят как его скорость, так и воспроизводимость размеров получаемых рель­ефов, являются время травления, температура и концентрация травителя. Так, с повышением концентрации травильной смеси и Температуры скорость травления растет. Увеличение времени травления приводит к боковому подтравливанию рисунка, причиной которого может быть также рост температуры травителя.

Удаление слоя фоторезиста. Для удаления фоторезистивной маски подложки обрабатывают в горячих органических растворителях (диметилформамиде, метилэтилкетоне, моноэтаноламине и др.) . При этом слой фоторезиста разбухает и вымы­вается. Скорость и чистота удаления фоторезиста зависят от степени его, задубливания при второй термообработке.

При высоких температурах задубливания (более 140 -150 °С) в слое фоторезиста происходят термореактивные пре­вращения, в результате которых он теряет способность раство­ряться в органических растворителях. В этом случае подложки два-три раза кипятят по 5 — 10 мин в концентрированной сер­ной, азотной кислоте или смеси Каро (серная кислота и пере­кись водорода). Слой фоторезиста при этом разлагается и раст­воряется в кислоте, а затем его окончательно удаляют в орга­ническом растворителе. Кислотное удаление фоторезиста нель­зя применять при фотолитографии по металлу.

Некоторые фоторезисты хорошо удаляются в водных раст­ворах поверхностно-активных веществ, например кипячением 5 — 10 мин в 30 %-ном растворе синтанола.

Интенсивность удаления слоя фоторезиста можно увели­чить ультразвуковым воздействием. Для этого ванночку с подложками, заполненную реагентом, помещают в ультразвуковую ванну с деионизованной водой. Время обработки при этом уменьшается в 10 - 20 раз.

Для удаления позитивных фоторезистов, температура суш­ки которых не превышает 95 °С, подложки предварительно облучают ультрафиолетовым светом. При этом ортонафтохинондиазиды превращаются в инденкарбоновые кислоты, которые легко удаляются в органических растворителях.

После химического удаления слоя фоторезиста подложки тщательно очищают от его остатков, которые могут отрицатель­но сказаться на таких последующих технологических операциях, как диффузия, окисление, нанесение металлизации и др. Кроме того, необходимо качественно очищать поверхность подложек от загрязнений, вносимых при фотолитографии.

Химическую обработку проводят на установках, входящих в комплекс универсального оборудования, предназначенного для очистки подложек перед первым окислением, травления оксидных металлических и полупроводниковых пленок, а также удаления слоя фоторезиста и последующей гидромеха­нической отмывки подложек деионизованной водой. Все эти операции проводят во фторопластовых ваннах, снабженных нагревателями и эжекторами для откачки реагентов после окончания технологического процесса.

Несмотря на широкое использование, химические жид­костные методы обработки (травление технологических слоев и удаление фоторезиста) имеют ряд недостатков, основными из которых являются невысокая разрешающая способность и изотропность процессов травления, трудность их автомати­зации и- появление загрязнений на поверхности подложек, что ограничивает возможности фотолитографии.

7.4 Проекционная ФЛГ

При проекционной литографии изображение с фотошаблона перено­сится (проецируется) на полупроводниковую подложку с помощью оптических систем — проекционных объективов. Разрешающая способ­ность проекционной фотолитографии 0,6 — 0,8 мкм.

Рисунок 7.4.1. Схема установки проекционной фотолитогра­фии без изменения масштаба переноса изображения:

1, 15 - метки координат х, у и углового разворота на подложке, 2 - проекционный объектив, 3 - фотошаб­лон, 4, 12 - метки углового разворота и координат х, у на фотошаблоне, 5, 11 - приводы углового раз­ворота и перемещения фотошаблона, 6, 10 - фотоэлек­трические микроскопы углового разворота и коорди­нат х, у фотошаблона, 7 - блок программного управ­ления, 8 - источник освещения для экспонирования, 9 — высокоскоростной затвор, 13 - полупроводниковая подложка, 14 - предметный столик

Метод проекционной фотолитографии имеет несколько вариантов, которые отличаются масштабами переноса изображе­ния и способами заполнения рабочего поля подложки.

Так, при масштабе 1 : 1 изображение с фотошаблона пере­носится с помощью проекционной системы на подложку без изменения размеров элементов (Рисунок 7.4.1). Экспонирование мо­жет осуществляться сразу всего рабочего поля подложки или последовательным его сканированием.

При проекционной фотолитографии с уменьшением мас­штаба (обычно 10 : 1 или 5 : 1) единичное изображение перено­сится с фотошаблона на рабочее поле подложки последователь­ной мультипликацией.

При проекционной фотолитографии, как и при контакт­ной, необходимо точно совмещать фотошаблон с подложкой, для чего служат специальные фигуры —метки совмещения.

В проекционных системах операция совмещения, как пра­вило, выполняется автоматически с помощью фотоэлектричес­кого микроскопа, который регистрирует сигнал, поступающий от метки совмещения на подложке, и сравнивает его с сигналом, поступающим от такой же метки на фотошаблоне. Для сов­мещения меток координатная система перемещает подложку и фотошаблон, а также поворачивает фотошаблон относитель­но оси проекции.

При совмещении меток сигналы равны, а при их смещении возникает разностный сигнал, который поступает в исполнитель­ный механизм системы совмещения, обеспечивающий взаимные перемещения фотошаблона и подложки.

Для совмещения элементов изображений на подложку наносят две группы меток совмещения (Рисунок 7.4.2), одна из которых х и у₁ определяет взаимное положение фотошаблона и подложки по координатам, а вторая у_г служит для коррекции угловой ошибки разворота </> фотошаблона относительно коор­динатных осей подложки. Из Рисунок 7.4.2 видно, что метки на под­ложке как бы рассматриваются фотоэлектрическим микроско­пом через соответствующие окна в фотошаблоне. Положению точного совмещения соответствует симметричное располо­жение всех меток на подложке относительно окон на фотошаб­лоне.

Рисунок  7.4.2. Метки автоматического совмеще­ния:

1, 4, 6 — метки х, у₁  и у_г на подложке 1,3, 5 — считывающие окна

Процесс совмещения начинается с "захвата" меток систе­мой наблюдения фотоэлектрического микроскопа, при котором их изображение на подложке попадает в окна фотошаблона и возникает разностный сигнал в каналах совмещения. При этом система совмещения предварительно совмещает фотошаблон и подложку по координатам в соответствии с метками, а затем, выполняя угловую коррекцию по метке у₂, поворачивает фото­шаблон относительно меток х и у₁.

Наиболее совершенным и перспективным вариантом метода проекционной фотолитографии является помодульный перенос изображения на подложки с промежуточных фотошаблонов (Рисунок 7.4.3). Совмещение модулей проводится по меткам, пред­варительно нанесенным на подложку, что обеспечивает высо­кую точность (ошибка совмещения не превышает 0,1 — 0,2 мкм). При помодульном совмещении уменьшается влияние изменения температуры и геометрических искажений подложки на точность передаваемого изображения.

Помодульный перенос изображения наряду с повышением точности передаваемого рисунка элементов обеспечивает сниже­ние плотности дефектов, вносимых в формируемую на слое фоторезиста маску. Это в первую очередь обусловлено тем, что исключается контакт фотошаблона с подложкой. Кроме того, дефекты и загрязнения, значительно меньшие элементов изображения, не переносятся с промежуточного фотошаблона на слой фоторезиста, как это происходит при переносе изоб­ражения с сохранением масштаба.

Основной задачей проекционной фотолитографии является обеспе­чение автоматического совмещения, которое осуществляется нанесением специальных меток совмещения на подложки.

Рисунок 7.4.3. Схема установки мультипликации с совмещением:

1, 15 - приводы стола по осям х и у, 2, 14 - лазерные интер­ферометры по осям х и у, 3 - координатный стол, 4, 5 — по­лупроводниковая подложка и упоры для ее ориентации, 6 -система фокусировки, 7 - проекционный объектив, 8 -столик с промежуточным фотошаблоном, 9 - источник света, 10 - затвор, 11 - актиничное излучение, 12 - устройство совмещения меток промежуточного фотошаблона и подлож­ки, 13 - управляющая ЭВМ

Обычно эти метки имеют форму в виде канавок травле­ния, на которых рассеивается (поглощается) падающий пучок света и создается их оптический контраст по отношению к ок­ружающему полю.

Если исходная полупроводниковая подложка ориентиро­вана в плоскости (100), метки в виде V-образных канавок (Рисунок  7.4.4, а)   получают селективным  травлением кремния в 5 %-ном растворе КОН через маску диоксида кремния. При травлении канавка ограняется плоскостями (111), которые го сравнению с другими кристаллографическими плоскостям обладают очень малой скоростью травления. При другой ориентации полупроводниковой подложки, например (111), мета совмещения заданного профиля (Рисунок 7.4.4, б) получают плазме химическим травлением при специальных режимах.

Сохранение во всем цикле создания ИМС оптического контраст метки, определяемого в основном ее формой, является важнейшей задачей проекционной фотолитографии.

Рисунок 7.4.4. Метки совмещения:

а - V-образная, б - бочкообразная; I, II - области рассеяния и отражения пучка света

После завершения операции совмещения выполняются ав тофокусировка, а также экспонирование, при котором открыва ется затвор и изображение с промежуточного фотошаблона чере: проекционный объектив переносится на слой фоторезист; полупроводниковой подложки. Затем координатный стол i полупроводниковой подложкой перемещается в новое положе ние на шаг по оси х или у и начинается новый цикл.

При работе установки по программе, введенной в блоь управления ЭВМ, осуществляется "опрос" всех меток совме щения на полупроводниковой подложке и впечатывание изоб ражения единичного модуля, т. е. его размножение — мульти гашкация по рабочему полю.

Достоинство проекционной литографии по сравнению с контакт ной состоит прежде всего в том, что исключается контакт фотошаблон: и полупроводниковой подложки, приводящий к образованию в них де фектов, кроме того, обеспечивается более низкая плотность дефекте! в формируемой маске фоторезиста.

В современной проекционной фотолитографии используют ся оптические системы, работающие в условиях дифракцион ных ограничений. Это означает, что конструкция и технологи* изготовления проекционных объективов настолько совершен ны, что их характеристики (разрешающая способность, точ ность воспроизведения размеров элементов) в основном опре-деляются дифракционными эффектами, обусловленными зна­чениями апертур, а не аберрациями.

Важнейшим параметром, характеризующим фотолитографи ческие характеристики проекционного объектива, является числовая апертура NA = л sin а (где п — коэффициент преломле­ния среды в пространстве изображения; в воздухе и — 1; а — половина максимального угла расходимости лучей, прихо­дящих в точку изображения на оптической оси проекционной системы).

Для   устранения   хроматических   аберраций    используют мощный источник монохроматического актиничного света, в качестве которого может служить ртутная лампа сверхвысо­кого давления ДРШ-350 или ДРШ-500 (буквы обозначают Д -дуговая, Р - ртутная, Ш — шаровая, а цифры указывают номи­нальную электрическую мощность). Создают монохроматичес­кое излучение с помощью специальных монохроматических полосовых фильтров и избирательно отражающих зеркал.

Схема осветительной системы проекционной установки показана на рисунке  7.4.5. Сотовый конденсор 4 значительно увели­чивает равномерность освещенности по полю, так как каждая его линзочка проецирует попадающий на нее световой поток на все поле засветки. Таким образом неравномерный световой поток от лампы усредняется и выравнивается. Зеркало 5 е селективно отражающим покрытием пропускает тепловые лучи, но эффективно отражает ультрафиолетовое излучение, что способствует защите проекционной системы от мощного тепло­вого потока, выделяемого лампой.

В условиях монохроматического и когерентного освеще­ния разрешающая способность проекционной системы 6_mi_n = ³¹ X/(2NA), где X - длина волны актиничного излучения. Из этой формулы видно, что чем меньше длина волны актинич­ного излучения и больше числовая апертура объектива, тем выше его разрешающая способность, т. е. меньше размер пере­даваемого элемента изображения.

Существует еще один параметр проекционной системы — ее глубина резкости. Для компенсации аберраций оптической системы, искривления поверхности полупроводниковых под­ложек и изменения толщины слоя фоторезиста на их поверх­ности из-за сформированного технологического рельефа необ­ходима вполне определенная (по возможности наибольшая) глубина резкости 5 = X/ [2(NA)2] . Из этой формулы видно, что чем больше числовая апертура, а это необходимо для увели­чения разрешающей способности проекционной системы, тем меньше ее глубина резкости.

Рисунок   7.4.5.  Схема осветительной системы  проекционной установки:

1   - эллиптический отражатель, 2 - источник  УФ-излучения, 3 - защитное стекло, 4 — сотовый конденсор типа   "мушиный   глаз",  5   -   селективно  отражающее зеркало, 6 - полосовой фильтр, 7 - конденсорная линза

Неправильная фокусировка может существенно влиять на качество передачи изображения проекционным методом. Поэтому проекционные установки снабжают высокоточными устройствами автофокусировки с точностью установки фокус­ного расстояния не хуже ± 0,2 мкм.

Правильная фокусировка, а также точная доза экспозиции - обя­зательные условия прецизионного переноса изображения на слой фото­резиста при проекционной фотолитографии.

Таким образом, видно, что необходим компромисс между разрешающей способностью, глубиной резкости, полем изоб­ражения и выбором числовой апертуры объектива.

7.5 Электрополитография

Электронолитография основана на непосредственном создании или проекционном переносе изображения с помощью пучка электронов.

Этот метод наиболее перспективен для формирования эле­ментов изображения, размеры которых составляют менее мик­рометра, и имеет несколько существенных отличий от фото­литографии.

Электронный пучок, ускоренный электрическим полем при разности потенциалов U (В), характеризуется длиной волны (нм) актиничного излучения

   (7.5.1)

Так, при разности потенциалов 15 000 В длина волны сос­тавит 0,01 нм, что более чем в десять тысяч раз меньше длины волны актиничного излучения, используемого в фотолитогра­фии. Следовательно, даже при формировании элементов раз­мером менее 1 мкм дифракционные явления не будет оказывать существенного влияния.

Энергия кванта светаЕ у = hcfh, а при прохождении ускоря­ющей разности потенциалов U энергия электрона

Е_е = т_ес  + е U   (7.5.2)

где h =6,62 • 10^-34 Вт • с - постоянная Планка; т = 9,1 х 10^{-28 г - масса электрона; с = 3 • 108} м/с —скорость света в вакууме; е=1,6•10^-19Кл- заряд электрона.

Таким образом, при λ = 0,4 мкм энергия кванта света Е_у = = 5 • 10"¹⁹ Дж, а при U=15 000 В энергия электрона Е_е = 8,33 х10^-14 Дж.

Столь высокая энергия актиничного излучения (в сто тысяч раз большая энергии кванта света) позволяет применять в электронолитографии специальные чувствительные полимерные сос­тавы, называемые электронорезистами. Электронорезисты ха­рактеризуются коэффициентом чувствительности, который оп­ределяется зарядом, образующимся при их экспонировании пучком электронов на единицу площади (Кл/см²).

Сравнительные характеристики фото- и электронорезистов при экспонировании их электронным пучком приведены В таблице 4.

Характеристики экспонирования резистов       Табли ц а 7.5.1.

Актиночувствительная      Разрешающая способ-   Коэффициент чувст-
             композиция                      ность, линий/мм               вительности при U=

                                                                                           = 15 000 В, Кл/см²

Фоторезисты:

позитивные                                   600                            6 • 10^-4

негативные                                   300                        (5…8)  • 10^-5

Электронорезисты на

основе:

метакрилатов                             1000                      10^-s - 5 • 10^-6

силиконов                                   1250                        10^-s -10^-6

При экспонировании электронорезиста происходит рассея­ние электронов пучка на ядрах его атомов и орбитальных элек­тронах. Так как толщина слоя электронорезиста обычно мала (0,3 - 1,0 мкм), пучок элек­тронов проходит через него и рассеивается в нижележащем слое и подложке (Рисунок 7.5.1). При этом наблюдается прямое и обратное рассеяние электро­нов, суммарное действие кото­рого расширяет область экспо­нирования по сравнению с пер­вичным пучком. Так, при диа­метре пучка d₀ = 50 нм, тол­щине слоя электронорезиста 0,5 мкм и энергии 20 кэВ диаметр рассеянного пучка эле­ктронов будет равен 200 нм. Естественно, что чем тоньше слой электронорезиста, тем больше его разрешающая спо­собность.

При попадании электрон­ного пучка в тонкий полимер­ный слой электроны при упру­гих и неупругих столкновениях теряют свою энергию. Эти процессы и называют рассеянием электронов. При таком рассея­нии возникает поперечный поток электронов в направлении, перпендикулярном направлению падающего пучка. При прохож­дении пучка электронов в подложку в ней также происходят рассеяние и отражение электронов (обратное рассеяние).

Характеристики рассеяния зависят от энергии, тока и гео­метрии электронного пучка, толщины слоя электронорезиста и материала подложки. Обратное рассеяние оказывает влияние на экспонирование электронорезиста. Поэтому участки слоя электронорезиста, нанесенные на различные по составу   слои, получают   разные   дозы  облучения и будут    проявляться по-разному.

Характеристиками рассеяния электронов в слое электронорезиста определяется форма клина проявления, которая зависит также от энер­гии воздействующих электронов, типа электронорезиста (позитивный или негативный), его толщины и состава слоев осажденных на подложку.

Рисунок 7.5.1. Рассеяние пучка элект­ронов в слое электронорезиста и подложке:

1 — первичный пучок электро­нов, 2 - слой электронорезиста, 3 - подложка, 4 — область прямо­го и обратного рассеяния электронов

Рисунок 7.5.2. Формы клина проявления на тонком слое по­зитивного электронорезиста (а) и на толстых слоях позитивного (б) и негативного (в):

 1 — пучок электронов, 2 - слой электронорезиста, 3 — подложка, 4 - область рассеяния и поглощения электронов, 5 - клин проявления

Формы клипа проявления электронорезиста в зависимости от толщины его слоя показаны на рисунке  7.5.2, а - в. Если пучок 1 электронов проходит через слой 2 злектронорезиста и не успевает рассеяться, так как его толщина мала, а энергия элек­тронов велика, формы клина 5 проявления близка к вертикаль­ной (Рисунок 7.5.2, а). Когда рассеяние электронов происходит в основном в объеме слоя электронорезиста большой толщины, после проявления форма его клина повторяет форму и облас­ти рассеяния электронов (Рисунок 7.5.2, б, в). На позитивных электронорезистах в этом случае получают "отрицательный" клин проявления, а на негативных — "тянутый".

Рассеяние электронов в слое электронорезиста влияет не только на форму клина проявления, но и существенным обра­зом определяет возможность формирования малых элементов изображения. Так, на рисунке  7.5.1 была пунктиром показана граница области проявления при экспонировании электронным пуч­ком. На самом деле область рассеяния электронов намного больше. Если элементы изображения лежат в непосредствен­ной близости друг к другу, то дозы, полученные от рассеян­ных при экспонировании электронов, складываются и могут вызвать существенное искажение геометрии элементов после проявления.

Рисунок 7.5.3. Проявление "эффекта близости" при экс­понировании в случаях отсутствия (а) и наличия (б) рассеяния электронов:

1 —  распределение   первичного  пучка электронов, 2 — уровень облучения, необходимый для полного проявления, 3 — полученное изображение, 4 — реаль­ное    (рассеянное)    распределение   электронов   при экспонировании, 5 - суммарное распределение до­зы облучения с учетом рассеяния (эффект близости)

Рассмотрим, как "хвосты" рассеяния от экспонированных областей складываются и приводят к проявлению областей, в которые не проходило прямое экспонирование электронным пучком, но которые получили суммарную дозу, достаточную для их проявления. При малом рассеянии (тонкий слой электро-норезиста — Рисунок 7.5.3, а) область проявления соответствует об­ласти экспонирования, поэтому можно получить изображение малых экспонируемых областей d при их близком взаимном расположении. Сильное рассеяние электронов (Рисунок 7.5.3, б) ис­кажает не только размеры проявленных областей, но и вызы­вает взаимное влияние близко расположенных элементов изо­бражения. Такое влияние называют эффектом близости.

Эффект близости является самым значительным ограниче­нием в электронолитографии по точности переноса изображения и формирования элементов малых размеров. На рисунке  7.5.4, а, б показано, как исходная геометрия элементов искажается из-за эффекта близости. Причем геометрия элементов может настолько исказиться, что произойдет полное их слияние.

Уменьшением дозы экспонирования площади элемента искажения устранить нельзя, так как это приведет к его недопроявлению. Поэтому для компенсации эффекта близости пред­варительно устанавливают определенную дозу экспонирования и выбирают необходимую геометрию элементов изображения. Только так удается избежать влияния эффекта близости.

В электронолитографии применяют два способа непосредственно­го формирования элементов изображения на полупроводниковых под­ложках: последовательной экспозицией тонким сфокусированным элек­тронным пучком круглого сечения (сканирующий способ) и последо­вательным экспонированием прямоугольным пучком переменного сече­ния (электронно-наборный способ). Оба эти способа отличаются только операцией экспонирования.

По сравнению с фотолитографией электронолитография обладает следующими преимуществами:

Рисунок 7.5.4. Перенос изоб­ражения элементов без влияния "эффекта бли­зости" (д) и искажение их геометрии под его влиянием (б): 1 — смыкание элемен­тов, 2, 3 - допустимое и не допустимое час­тичное искажение фор­мы элементов

Рисунок 7.5.5. Структурная схема электронно-лучевой установки экспони­рования :

1 — электронно-оптическая система, 2 - электронная пушка, 3, 7 — формирующая первичный электронный пучок и промежуточная диаф­рагмы, 4 - магнитная линза, формирующая электронный пучок, 5 -отклоняющая пластина, б, 8 - промежуточная фокусирующая и умень­шающая магнитные линзы, 9 - система электродов отклонения и отключения электронного пучка, 10 - магнитная система отклонения электронного пучка, 11 - проекционная магнитная линза, 12 -экспо­нируемая подложка, 13 - координатный стол, 14 — шлюзовая система загрузки и смены подложек, 15 - вакуумная система с безмасляны­ми средствами откачки, 16 - система привода координатного стола, 17 - блок контроля и управления вакуумной системы, 18 - систе­ма управления координатным столом и загрузкой - выгрузкой под­ложек, 19 - блок питания и контроля магнитной системы, 20, 25 -блок и система контроля электронно-оптической системы, 21 - высо­ковольтный блок, 22 — буферное быстродействующее запоминающее устройство, 23 - арифметический блок расчета коррекций, 24 -система контроля изображения и совмещения, 26 - интерфейс, 27 — быстродействующая суперЭВМ, 28 - магнитная лента с топологичес­кой информацией, 29 - система управления

во-первых, имеет принципиально большую разрешаю­щую способность, обусловленную малым влиянием дифракци­онных явлений;

во-вторых, пучок электронов можно отклонять и за­пирать с большими скоростями с помощью электрических или магнитных полей и управлять им по программе, заложенной в ЭВМ;

в-третьих, электронный пучок можно фокусировать с помощью магнитных линз в тонкий луч однородной плотности или формировать с помощью диафрагм в прямоугольный пучок переменного сечения;

в -четвертых, глубина резкости электронно-оптичес­ких систем значительно больше, чем оптических проекционных, что существенно снижает требования к геометрии полупровод­никовых подложек;

в-пятых, так как электронно-лучевые системы разме­щаются в вакуумной рабочей камере, подложки в процессе экспонирования не загрязняются.

7.6 Рентгенолитиграфия

При рентгенолитографии изображение на полупроводниковую под­ложку "переносится с шаблона, называемого рентгеношаблоном, с по­мощью мягкого рентгеновского излучения, длина волны которого λ = 0,5…2 нм. Разрешающая способность рентгенолитографии 0,2 - 0,3 мкм.

В настоящее время рентгенолитография не нашла широко­го применения в серийном производстве полупроводниковых приборов и ИМС из-за сложности технологии и используемого оборудования. Для реализации рентгенолитографии необходимы:

мощный источник рентгеновского излучения с малой расходимостью пучка;

рентгеношаблоны, обладающие высокой прочностью, контрастностью и малым температурным коэффициентом линейного расширения;

рентгенорезисты высокой разрешающей способности и чувствительности;

системы мультипликации изображения, погрешность совмещения которых не превышает 0,03 - 0,05 мкм.

Упрощенная схема экспонирования при рентгенолитографии показана на рисунке  7.6.1.

При рентгенолитографии используют два способа переноса изображения с рентгеношаблона на рабочую площадь подложек: полностью и мультипликацией.

В обоих случаях совмещение выполняют по специальным меткам на рентгеношаблоне и подложках при освещении монохроматическим излучением видимого диапазона, а экспонирование — рентгеновским.

Рисунок 7.6.1. Схема экспонирова­ния рентгенолитографии:

1 — поток рентгеновских лучей, 2 - канал совмеще­ния, 3 — опорная рамка рентгеношаблона, 4 — об­ласть экспонирования (ок­но в опорной рамке), 5 -рисунок на слое, непрозрач­ном для рентгеновских лу­чей, б — окно для совме­щения рентгеношаблона и подложки, 7 - пленка, несу­щая рисунок и прозрачная для рентгеновских лучей, 8 — метка совмещения на подложке, 9 — слой рент-генорезиста, 10 — подложка

Плотность потока рентгеновский лучей, падающих на под­ложку, обратно пропорциональна расстоянию от их источника. Поэтому это расстояние, чтобы уменьшить время экспониро­вания, с одной стороны, должно быть небольшим, а с другой, для уменьшения размытости изображения из-за расходимости рентгеновского луча — большим. Кроме того, необходимо устанавливать с высокой точностью (не хуже 0,5 мкм) зазор между поверхностями рентгеношаблона и подложки, для чего их закрепляют в специальном устройстве.

Как известно, при облучении поверхности потоком ускоренных электронов она излучает рентгеновские лучи. Для создания высокоинтенсивного потока рентгеновского излу­чения необходимо использовать электронные пучки высокой плотности тока. В качестве материалов, используемых для изготовления мишеней, способных излучать рентгеновские лучи требуемых длин волн, обычно служат Сu, Al, Mo, Pd.

Основной характеристикой источника рентгеновского излу­чения является длина волны и способность материала мишени выдерживать электронный поток высокой интенсивности. Ми­шень при облучении мощными потока электронов сильно на­гревается, плавится и испаряется, поэтому отвод теплоты явля­ется основной задачей при создании высокоинтенсивных источ­ников излучения. Так как электроны и рентгеновские лучи достаточно легко рассеиваются в воздухе, необходимо рентге­новский источник помещать в высокий вакуум. По этой же причине систему совмещения и экспонирования также распола­гают в низковакуумной рабочей камере или заполняют камеру гелием.

Высоковакуумная   часть   установки   рентгенолитографии отделяется от низковакуумной вакуумно-плотным окном, прозрачным для мягкого рентгеновского излучения. Этим требованиям отвечают окна из бериллия или прочных орга­нических пленок толщиной до 7 — 8 мкм, которые, кроме того, обладают незначительным поглощением рентгеновского излучения и обеспечивают надежную изоляцию объемов источ­ника и рабочей камеры.

В настоящее время в рентгенолитографии используют точечные источники мягкого рентгеновского излучения, в ко­торых электронный пучок фокусируется на вращающейся с большой частотой (10 000 об/мин и более) мишени, охлаждае­мой проточной водой.

Наиболее перспективным источником рентгеновского излу­чения является синхротронное излучение, создаваемое ускори­телем электронов в магнитном поле при движении их по криво­линейным траекториям. Синхротронное излучение имеет непре­рывный спектр, максимум которого при достаточно большой энергии (до 1 ГэВ) приходится на область мягкого рентгенов­ского излучения.

Использование синхротронного излучения в рентгенолито­графии обусловлено его сильной природной коллимацией, т. е. малой расходимостью потока. В каждой точке криволинейного участка орбиты поток синхротронного излучения сосредоточен в пределах очень узкого конуса с углом вертикальной расходи­мости порядка нескольких угловых секунд. В результате этого при экспонировании геометрические искажения переносимого изображения оказываются незначительными.

Синхротронное излучение обладает высокой интенсивностью и превосходит в тысячи раз рентгеновское излучение, создаваемое мише­нями. Благодаря этому экспонирование синхротронным излучением составляет единицы секунд, что обеспечивает высокую производитель­ность рентгенолитографии.

Стоимость синхротронов очень велика, поэтому необходи­мо использовать их на множество каналов экспонирования.

Следует отметить, что при использовании синхротронного излучения плоскости рентгеношаблона и подложки должны располагаться по вертикали. Это надо учитывать при проектиро­вании установок совмещения и мультипликации, так как под­ложки должны точно перемещаться в вертикальной плоскости.

Рентгенорезисты не являются особым классом органических соединений и не отличаются по механизму работы от электронорезистов. Особенность состоит лишь в том, что поглощение слоем резиста рентгеновского излучения меньше, чем электрон­ного, поэтому и эффективность экспонирования рентгеновски ми лучами ниже. В результате поглощения кванта энергии рент геновского излучения в резисте возникают фотоэлектроны которые, взаимодействуя с полимерной основой позитивны: или негативных резйстов, приводят к ее деструкции или объем ной полимеризации.

Кроме того, следует учитывать, что в результате поглощения рентгеновского излучения подложка также излучает электроны, которые производят дополнительное экспонирование. Именно вторичное электронное излучение ограничивает разрушающую способность рентгенолитографии.

Важной проблемой рентгенолитографии является разработка технологии изготовления рентгеношаблонов, которые должны отвечал определенным требованиям. Маска рентгеношаблона, нанесенная на тон кую мембрану, должна хорошо поглощать рентгеновское излучение а мембрана должна обладать малым коэффициентом поглощения, достаточной механической прочностью и не давать усадок и искажение при изменении внешних условий.

Исходя из этих требований, маски формируют в виде тон­ких пленок Аu, Pt, W, Mo, а мембраны изготовляют в виде тонких слоев Be, Si, SiO₂, Si₃N₄, A1₂O₃, их сочетаний или спе­циальных безусадочных полимерных пленок.

Как правило, рентгеношаблоны выполняют на жестком кар­касе (обычно — это селективно вытравленные кремниевые подложки), на который наносят мембрану. Изображения эле­ментов на рентгеношаблоне создают электронолитографией.

При рентгенолитографии следует учитывать также радиа­ционные дефекты, которые возникают как в экспонируемых Полупроводниковых подложках, так и в рентгеношаблонах. Дефекты, возникающие в формируемых в подложках тран­зисторных структурах, устраняют термическим отжигом. Высокие дозы рентгеновского излучения приводят к тому, что сроки использования рентгеношаблонов невелики.

Одним из достоинств рентгенолитографии является воз­можность получения структур субмикронных размеров с низ­ким уровнем дефектности. Это объясняется тем, что загрязняю­щие частицы, как правило органические, существенно не ос­лабляют рентгеновское излучение при экспонировании, вслед­ствие чего дефекты рентгеношаблона не переносятся на слой рентгенорезиста на подложке.

Рентгенолитографию следует рассматривать как один из наиболее перспективных методов литографии при изготовле­нии сверхбыстродействующих полупроводниковых приборов и ИМС.

7.7 Ионнолитография

При ионолитографии сохраняются принципы формирования изоб­ражения элементов, применяемые при электронно-лучевой литографии, но вместо пучка электронов используется ионный пучок. Разрешаю­щая способность ионолитографии 0,1 - 0,2 мкм.

Ионолитография обладает рядом достоинств, которые обус­ловлены особенностями взаимодействия ионов с материалом резиста.

Первое достоинство состоит в том, что ионы, обладая значительно большей массой, чем электроны, активно взаимодействуют с материалом резиста, следовательно, больше тормозятся и имеют малый пробег, а значит и меньше, чем электроны, рассеиваются. Таким образом, эффект близости при ионолитографии проявляется незначительно, что обуслов­ливает ее высокую разрешающую способность.

Второе достоинство связано с сильным погло­щением ионов, поэтому перенос изображения можно проводить при меньших, чем при электронолитографии, дозах.

Лекция "Дайте определение условного математического ожидания и докажите его основное свойство" также может быть Вам полезна.

Кроме того, пучком ионов можно непосредственно локаль­но легировать структуру ИМС, т. е. формировать им соответ­ствующие структурные области (базы, эмиттеры, стоки, исто­ки и др.). При этом пользуются узким прямоугольным пучком переменной формы, которым непосредственно сканируют соот­ветствующие области или обрабатывают их широким пучком через трафаретный шаблон. Остальные элементы этих установок такие же, как в установках электронно-лучевой литографии (см. §24).

Таким образом, при формировании структур ИМС узким пучком процесс литографии в обычном понимании заменяется процессом размерного легирования, называемым имплантографией.

Основными элементами установок ионолитографии, созда­ние которых вызывает наибольшие трудности, являются ис­точники ионов и системы фокусировки и развертки ионных пучков.

Источник ионов должен обеспечивать формирование ион­ного пучка необходимой энергии и высокой плотности тока. Энергией ионов, как и при ионном легировании, определяется глубина их проникновения в подложки.

В настоящее время развиваются два направления разработки мощных ионных источников: с ионизацией паров жидких метал­лов или газа в сильном электрическом поле. Ионизация в этих источниках происходит вблизи острия электрода, на который подается потенциал. При напряженности электрического поля до 10⁶ — 10⁷ В/см в него вводится капля расплавленного метал­ла на подогреваемом электроде или газ. В сильном поле ионы вырываются из жидкометаллической фазы или газ, находящий­ся вблизи острия, притягивается к нему и ионизируется. Обра­зовавшиеся ионы вытягиваются из области ионизации системой электродов и ускоряются до заданной энергии.

В последнее время созданы и исследуются возможности применения источников ионов Н, Не, Ar, Ga, Аu, In, Si, Al, Ge. Можно предполагать, что процессы имплантографии займут ведущее место в автоматизированных технологических системах создания СБИС.