Классификация процессов литографии

Литография - технологический метод, предназначенный для формирования на подложке топологического рисунка микросхемы с помощью чувствительных к излучению покрытий. По типу излучения литографию делят на оптическую (фотолитографию), рентгеновскую и электронную. В фотолитографии используют ультрафиолетовое излучение с длиной волны от 200 до 450 нм, в рентгенолитографии - мягкое рентгеновское излучение с длиной волны 0,5 - 1,5 нм и в электронолитографии - электронное излучение с длиной волны 0,01 нм. Чем меньше длина волны излучения, тем меньшие размеры элементов рисунка,
ограничиваемые эффектами дифракции, возможно получить. Фотолитография характеризуется минимальным размером элементов, равным
0,2 мкм, рентгенолитография обеспечивает размер 0,05 мкм, электронолитография - до 0,001 мкм. Эти цифры относятся к предельным показателям; реально достижимые технологические нормы для фотолитографии, например, намного отличаются от предельных; в настоящее время для фотолитографического процесса принимают минимальные размеры 0,5 - 0,8 мкм.

Материалы, чувствительные к излучению, называют соответственно фото-, рентгено- и электронорезистами. Это в основном полимерные материалы, устойчивые к воздействию травителей, плазмы и другим. Резисты делят на два класса - негативные и позитивные. У негативного резиста в результате воздействия излучения (экспонирования) уменьшается растворимость полимера, его молекулы сшиваются поперечными цепочками. Если подложку, покрытую негативным резистом, опустить в растворитель, то неэкспонированные участки вымываются, а экспонированные образуют рельеф или резистивную маску заданной конфигурации. Позитивные резисты, напротив, после экспонирования приобретают повышенную растворимость; на подложке остается рельеф из неэкспонированных участков. В фото-, рентгено- и иногда электронолитографии применяют шаблон - стеклянную или кремниевую (в рентгенолитографии) пластину с нанесенным на ней топологическим рисунком, непрозрачным для используемого излучения. При экспонировании рисунок шаблона передается на слой резиста, чтобы после проявления воплотиться в виде защитного рельефа. В электронолитографии применяется и другой способ: "вычерчивание" требуемой конфигурации сфокусированным электронным лучом. Луч сканирует по подложке, экспонируя в нужных участках резист, шаблон при этом не нужен, информация о топологии поступает непосредственно из управляющей лучом ЭВМ. В фотолитографии передача рисунка с фотошаблона на слой фоторезиста осуществляется либо при непосредственном контакте (контактная фотолитография), либо проецированием его в различных (от 1:1 до 10:1) масштабах через высококачественный объектив (проекционная фотолитография).

4.2. Схема фотолитографического процесса

В технологии ИМС с помощью фотолитографии формируется рисунок топологического слоя. В контактной фотолитографии используются два метода: прямой и обратный. Они позволяют создать рисунок в пленках металла и диэлектрика или в объеме подложки, например, вытравливанием углублений в кремнии. Основные достоинства фотолитографии:

- гибкость, т.е. простой переход от одной конфигурации к другой путем смены фотошаблонов;

- точность и высокая разрешающая способность;

- высокая производительность, обусловленная групповым характером обработки, когда на пластине одновременно формируют от десятка до нескольких тысяч структур будущей ИМС;

- универсальность, т.е. совместимость с разнообразными технологическими процессами (маскированием при травлении, ионным легированием, электрохимическим осаждением и др.).

В технологический цикл прямой фотолитографии входят следующие операции:

1. обработка подложки - очистка от загрязнений и увеличение
   адгезии наносимого фоторезиста к поверхности;

2. нанесение слоя фоторезиста;

3. ИК сушка слоя фоторезиста;

4. экспонирование через шаблон с топологическим рисунком;
   если фотошаблонов несколько (комплект), то перед экспонированием выполняют совмещение рисунка очередного фотошаблона с рисунком, оставшимся на подложке от предыдущего фотошаблона;

5. проявление и образование рельефа из резиста (маски), повторяющего рисунок шаблона;

6. ИК сушка рельефа из резиста.

Дальнейшая последовательность операций зависит от поставленной цели и связи с другими технологическими процессами. Обычно следует:

7. травление окисной маски. Заключительной операцией прямой фотолитографии является удаление рельефа из резиста после того, как он выполнил свою роль.

Процесс обратной фотолитографии на примере формирования металлической разводки включает:

1) создание рельефа из фоторезиста; при этом используются первые пять операций прямой фотолитографии;

2) напыление на рельеф из фоторезиста слоя металла;

3) удаление рельефа с участками металла ("взрыв") в растворителе, не влияющем на металл.

Обратная фотолитография обычно применяется в двух случаях:

• материал подложки не травится вообще или травится в составах, которые не выдерживает резист (например, керамическая подложка, травление золота в царской водке);

• подложка представляет многослойную тонкопленочную структуру, а процесс травления неселективен, т.е. при травлении верхнего слоя процесс не прекращается на поверхности нижележащего слоя.

Прежде чем рассмотреть подробно технологический цикл фотолитографии необходимо ознакомиться с характеристиками фоторезистов и изготовлением фотошаблонов.

4.3. Фоторезисты

Фоторезисты - сложные полимерные композиции, в состав которых входят светочувствительные и пленкообразующие компоненты, растворители, некоторые добавки, улучшающие адгезию слоя резиста к подложке, повышающие светочувствительность и кислотостойкость или щелочестойкость.

Светочувствительные компоненты, как правило, содержат ненасыщенные двойные связи, рвущиеся при поглощении энергии фотонов.

Позитивные фоторезисты

Образование рельефа при использовании позитивных резистов основано на процессе фотолиза светочувствительных соединений с последующим образованием растворимых веществ. Большинство позитивных резистов получено на основе нафтохинондиазида (НХД) - мономера, образующего в результате фотолиза соединения, растворимые в щелочи. НХД не дает пленок, поэтому он прививается на пленкообразующие смолы. Наилучшими из них считаются фенолформальдегидные смолы - новолачные или резольные (полимерная компонента), обладающие наибольшей кислотостойкостью.

Н

оволачные и резольные смолы растворяются в слабых щелочах. Молекулы НХД скрепляют их, препятствуя смачиванию резиста раствором щелочей. Однако после облучения ультрафиолетовым светом молекулы НХД перестраиваются, теряя азот (рвется связь C-N); в результате взаимодействия с водой и щелочью образуются растворимые соли инденкарбоновой кислоты.

Экспонированные участки фоторезиста вымываются щелочным проявителем. В местах, не подвергавшихся облучению, молекулы НХД защищают фоторезист от действия проявляющего раствора.

В промышленности используются позитивные фоторезисты
AZ-1350, ФП-383 на основе бромированной фенолформальдегидной смолы и ФП-РМ-7 на основе резольной и новолачной смол. Последний обладает повышенной кислотостойкостью.

Негативные фоторезисты

Свойства негативных фоторезистов определяют две группы фотохимических реакций:

• фотополимеризация с образованием нерастворимых участков (на основе коричной кислоты и поливинилового спирта);

• сшивка линейных полимеров радикалами, образующимися при фотолизе светочувствительных соединений (на основе каучука с добавлением светочувствительных веществ - бисазидов).

Б

ольшинство негативных резистов используют первую группу фотохимических реакций, это резисты на основе поливинилциннамата (ПВЦ). Циннамоильная группа (эфир коричной кислоты),

у

словно обозначаемая R₂, замещает водород в гидроксильной группе, входящей в состав винилового спирта R₁:

Поливинил - цепочка из нескольких R₁.

П

од действием света рвется двойная связь в циннамоильной группе и молекулы циннамата сшиваются, образуя длинные цепочки:

При этом число прореагировавших молекул пропорционально числу поглощенных фотонов. Однако энергии излучения часто бывает недостаточно для эффективной сшивки, поэтому добавляются сенсибилизаторы, поглощающие энергию излучения и передающие ее другим молекулам. ПВЦ обладает сравнительно невысокой кислотостойкостью из-за входящей в его состав гидроксильной группы.

Д

ругая группа фоторезистов включает светочувствительные вещества на основе диазосоединений, например диазостильбена:

В результате облучения от диазостильбена, играющего роль инициатора, отрывается азот. Две свободные связи - два электрона азота - разрывают двойную связь С=С в циклокаучуке и сшиваются с ним: инициатор пронизывает каучук, вступая с ним в химическую реакцию и образуя жесткую трехмерную сетку.

Проявление рельефа осуществляется в органических растворителях. Фоторезисты на основе циклокаучука имеют повышенную кислотостойкость, позволяющую травить кремний глубиной до 100 мкм.

Промышленность использует негативные резисты на основе ПВЦ марок ФН-3Т, ФН-5Т и на основе циклокаучука марок ФН-11, КМЕR (фирмы Kodak) и другие.

Основные свойства фоторезистов

Светочувствительность S = 1/H - величина, обратная экспозиции H, требуемой для перевода фоторезиста в растворимое или нерастворимое состояние (в зависимости от того, позитивный резист или негативный). Светочувствительностью определяются производительность
процесса фотолитографии и выбор оборудования. Например, необходимость использования ртутных ламп вызвана тем, что максимум спектральной чувствительности резистов лежит в области ближнего ультрафиолета. Светочувствительность измеряется в единицах эрг^–1см².

Разрешающая способность R = N/2l - умещающееся на 1 мм число N полос фоторезиста, разделенных промежутками такой же ширины l. Часто используется термин "выделяющая способность", т.е. способность передавать отдельные малые размеры. Разрешающая или выделяющая способность зависит от многих технологических факторов; конечная задача сводится к получению резкодифференцированной границы между неэкспонированным и экспонированным участками слоя резиста, минимально изменяющейся при проявлении и термообработке.

Необходимо различать разрешающую способность фоторезиста и процесса фотолитографии в целом. Так, при разрешающей способности резиста до 1000 лин/мм разрешающая способность процесса не будет превышать 500 - 600 лин/мм из-за искажения рисунка вследствие различных физических эффектов, возникающих при экспонировании. В результате при контактной фотолитографии на границе рисунка образуется небольшой "ореол" сшитого (или, напротив, вытравленного) резиста (рис.4.1). После проявления он остается лишь на участке, непосредственно прилегающем к пластине. Это наиболее значительно уменьшает разрешающую способность негативных резистов. Позитивные резисты при проявлении размягчаются и "прилипают" к подложке в подтравленных местах, залечивая их.

С

Рис.4.1. Влияние излучения на точность передачи размера рисунка: а - рассеяние света на границе освещенного и неосвещенного участков фоторезис-та; б - появление "ореола" при использовании негативного фоторезиста.
1 - фотошаблон, 2 - фоторезист, 3 - подложка

тойкость к воздействию агрессивных факторов - понятие, как правило, не поддающееся общим определениям; в частном случае может означать величину, пропорциональную времени отслаивания пленки фоторезиста в используемом травителе или времени проникновения травителя сквозь поры пленки фоторезиста к подложке. Измеряется в секундах или минутах. В последнее время стойкость пленки фоторезиста все чаще характеризуют плотностью дефектов, передающихся при травлении на подложку (дефект/мм²). Для позитивных фоторезистов указывают обычно важный параметр: устойчивость к воздействию стандартного проявителя, которая измеряется в минутах (до момента разрушения слоя) и должна быть, по крайней мере, на порядок выше времени проявления. Кислотостойкость k можно оценить также по величине бокового подтравливания x под фоторезист при глубине h травления подложки: k = h/x. Стойкость к агрессивным средам существенно зависит от адгезии фоторезиста к подложке. Очевидно, что величина подтравливания x при высокой адгезии минимальна.

Стабильность эксплуатационных свойств фоторезистов во времени выражается сроком службы при определенных условиях хранения и использования. Ее обеспечение - одна из важнейших проблем.

4.4. Фотошаблоны

Фотошаблоны - наиболее ответственная составляющая фотолитографического процесса. Заменяя один фотошаблон на другой, можно быстро найти оптимальный технологический режим, обеспечить получение весьма малых размеров, сменить один тип резиста на другой, более подходящий, ввести плазменную обработку вместо химического травления и т.д. Комплект фотошаблонов изготовляется в течение недель и месяцев, стоимость его (для сложных БИС) составляет несколько сотен тысяч рублей.

Для изготовления фотошаблонов может использоваться оптико-механический способ. Изготовление комплекта ИМС начинается с разработки чертежей топологических слоев будущей ИМС в масштабе,
например 1:1000, и составления задания на комплект.

Задание содержит:

- указания о типе шаблонов; шаблоны делятся на два типа: с прозрачными элементами на темном поле и с темными элементами на светлом поле. Такое деление имеет значение для процессов уменьшения и мультиплицирования, поскольку от типа шаблона зависят условия экспонирования;

- информацию о мультипликации, в которой, помимо количества мультиплицированных структур, указываются пропуски структур для совмещения и контроля, а также другие непериодические изображения (тестовые структуры);

- контрольную информацию, состоящей из задающей и методической. Задающая информация указывает, каким образом выполняются отметки совмещения и обязательные для сложных приборов тестовые структуры, позволяющие проверять разрешающую способность процесса фотолитографии, технологические параметры (поверхностное сопротивление, дефекты окисла) и электрические параметры прибора. Методическая информация содержит указания о методике и критериях контроля характеристик изготовленных шаблонов: размеров, совмещаемости, критических областей, дефектов и т.д.

Сложная топология каждого уровня переводится в увеличенный оригинал. Оригинал уменьшается до размера, в десять раз превышающего размер стеклянной основы шаблона. Затем с использованием фотонаборного генератора изготавливают первичный фотооригинал (ПФО), который фотоповторителем уменьшается до масштаба 1:1 и проецируется на стеклянную пластинку со слоем хрома или окисла
железа с нанесенной поверх него пленкой фоторезиста. Стол фотоповторителя перемещается на нужный шаг, обеспечивая многократный перенос изображения на фотошаблон. Точность перемещения координатного стола фотоповторителя 0,2 мкм. Каждый элемент содержит полную топологию схемы, соответствующую данному уровню шаблона.

Проектирование шаблонов с помощью увеличенного оригинала просто, но для создания СБИС непрактично. В настоящее время разработаны интерактивные графические системы машинного проектирования. Эти системы выдают выходные результаты в виде цифровых данных, записанных на магнитном носителе. С помощью этих данных идет управление генератором изображений, формирующим топологический рисунок в масштабе 1:1 или 10:1. Рисунок на шаблоне выполняется с помощью электронного луча, позволяющего получить субмикронные размеры элементов топологии схемы.

Используются фотошаблоны трех типов: эмульсионные, металлизированные (обычно применяется хром) и полупрозрачные, в которых рисунок создается в слое окисла железа (иногда окиси хрома). Наиболее дешевы эмульсионные шаблоны, но они имеют низкое разрешение и быстро изнашиваются. Вследствие этого в промышленном производстве они практически не применяются.