Основы фотолитографического процесса

Фотолитография -- процесс формирования на поверхности подложки (или основания изделия) элементов приборов микроэлектроники с помощью чувствительных к высокоэнергетическому излучению (ультрафиолетовому свету, электронам, ионам, рентгеновским лучам) покрытий, способных воспроизводить заданное взаимное расположение и конфигурацию этих элементов. На рис. 1 показано схематическое изображение литографического процесса.

Рис. 2.1. Схематическое изображение типичного фотолитографического процесса: П. и Н. - позитивная и негативная резистная маска.

Поставлены цели: изучить основные этапы процесса фотолитографии, ознакомиться с используемыми материалами и приспособлениями.

1. Формирование слоя фоторезиста. Фоторезисты и их свойства

Термином «фоторезисты» обозначают светочувствительные и устойчивые к воздействию агрессивных факторов составы, нашедшие применение в числе прочих для фотолитографии на полупроводниках. Применяемые составы должны обладать, с одной стороны, определенными фотографическими свойствами, а с другой -- резистивными, позволяющими выдерживать травление в кислотах и щелочах, нагрев и т. д. Поглощение актиничного излучения, спектральные характеристики чувствительности, резольвометрические характеристики -- в этих вопросах фоторезисты близки к хорошо изученным фотоэмульсионным материалам. Основное, однако, назначение фоторезистов заключается в создании защитного рельефа требуемой конфигурации, и в этом отношении они ближе к составам, применяемым в полиграфической технике.

Рельеф образуется в результате того, что под действием актиничного излучения, падающего на определенные участки слоя, последний в общем смысле слова изменяет первоначальные свойства. Появляется дифференцированная растворимость слоя: например, освещенные участки перестают растворяться в растворителе, удаляющем участки слоя, не подвергшиеся освещению. По способу образования рельефа фоторезисты удобно делить на два класса: негативные и позитивные. Различия в поведении фоторезистов обоих классов показаны на рис. 1-1. Негативные фоторезисты под действием актиничного излучения образуют защитные участки рельефа. В результате фотополимеризации, задубливания или иного процесса освещенные участки перестают растворяться и остаются на поверхности подложки. При этом рельеф представляет негативное изображение элементов фотошаблона: под непрозрачными участками фотошаблона фоторезист после обработки в растворителях удаляется, под прозрачными остаются участки, защищающие в дальнейшем от травления. Позитивные фоторезисты, напротив, передают один к одному рисунок фотошаблона, т. е. рельеф повторяет конфигурации непрозрачных элементов шаблона.

Актиничное излучение так изменяет свойства позитивного фоторезиста, что при обработке в соответствующих растворах экспонированные участки слоя разрушаются (вымываются). В основе создания рельефа лежит использование фотохимических реакций, преимущественно фотоприсоединения и фоторазложения. Актиничное излучение создает в слое активные центры; ими могут быть молекулы, которые, поглотив энергию фотонов, претерпевают энергетические превращения, активизируются. Фотохимическая активация, может быть прямой и сенсибилизированной. В первом случае поглотившие излучение молекулы непосредственно вступают в реакцию, например, диссоциируют на атомы или объединяются с другими молекулами. Во втором случае поглотившие излучение молекулы в реакции не участвуют, но передают свою энергию другим молекулам, в обычном состоянии к реакции не способным.

Когда молекула поглощает свет, она выходит из состояния термодинамического равновесия с окружающей средой и поэтому должна терять энергию в одном из трех следующих видов: а) флуоресценции или фосфоресценции, когда вся энергия или часть ее испускается обратно в виде лучистой энергии через малый промежуток времени; б) химической энергии, т. е. путем превращения исходных веществ в новые соединения, и в) тепловой энергии, выражающейся в повышении температуры реакционной системы, или в потере энергии в окружающую среду. Нанесению фоторезиста предшествует обработка подложки, улучшающая сцепление слоя резиста с подложкой (или ухудшающая смачивание подложки травителем). Для этого могут быть использованы простая очистка (обезжиривание) поверхности; физико-химическая обработка, изменяющая свойства поверхности; нанесение связующего подслоя. Для нанесения слоев на подложку можно использовать методы центрифугирования, пульверизации, купания в растворе, полива и т. д. Центрифугирование находит широкое применение в полупроводниковой технологии, так как при сравнительно несложном оборудовании позволяет выдержать колебания толщины слоя в пределах ±10%. Нанесенные на центрифуге слои зачастую содержат характерные дефекты в виде «комет». Эти дефекты возникают, если на поверхности подложки остались посторонние частицы -- пыль, грязь и т.д., или сама подложка неоднородна: в пленке окисла встречаются микровключения (например, участки с кристобалитной структурой).

В любом случае на таких местах вязкая масса фоторезиста задерживается и под действием центробежных сил возникают направленные от центра локальные утоньшения или даже разрывы слоя. Немаловажную роль в получении равномерного покрытия играет фильтрация самого фоторезиста. Резисты фильтруют минимум 2--3 раза через стеклянные фильтры Шотта (№ 2, 3); при высокой вязкости применяют вакуумную фильтрацию. Такая очистка позволяет избавиться от инородных частиц, пылинок и др. Более тонкой обработкой, которая устраняет имеющиеся в резистах типа поливинилциннамата субполимерные образования размером порядка 0,5 мкм, является скоростное центрифугирование.

Скорость вращения центрифуги при этом 20 000 об/мин, а время, необходимое для эффективного удаления субполимерных включений, достигает нескольких десятков часов. В процессе эксплуатации вязкость фоторезистов возрастает, в результате чего растет толщина покрытия и может ухудшиться смачивание. Для контроля вязкости пригодны стандартные вискозиметры.Пульверизация резистов считается весьма перспективным методов наиболее удобным для полупроводниковой технологии. Метод пульверизации характеризуется следующими достоинствами: а) хорошо контролируемая толщина пленки, широкие интервалы изменения толщины: от 0,5 до 20 мкм; б) однородность по толщине, отсутствие утолщения на краях, неизбежно получаемого при центрифугировании; в) отсутствие проколов и нарушений пленки, возникающих на дефектах подложки за счет центробежных сил при центрифугировании; г) возможность нанесения слоя резиста на профилированную подложку, в мельчайшие углубления и отверстия подложки; д) сравнительно малый расход фоторезиста; е) высокая производительность и широкие возможности для автоматизации; ж) хорошая адгезия пленки к подложке (лучшая, чем при центрифугировании). В то же время метод пульверизации требует специального подбора растворителей, так как слой не должен стекать по подложке; тщательной очистки резиста и используемого для пульверизации воздуха или газа; наконец, разработки довольно сложного оборудования. Некоторые простейшие методы нанесения фоторезистов -- купание в растворе и полив на горизонтальную плоскость, -- заимствованы из полиграфической и фотографической техники. При нанесении фоторезиста купанием подложка погружается на несколько секунд, в жидкий фоторезист, после чего извлекается и сушится в вертикальном или наклонном положении.

Избыток резиста стекает и окончательно удаляется с помощью беззольного фильтра. Получаемая пленка клиновидна по толщине: в нижней части подложки слой всегда толще. Этот недостаток ограничивает применение метода купания. Некоторое улучшение однородности по толщине может быть достигнуто повторным купанием, при котором подложка опускается в раствор своей верхней частью. Несомненными достоинствами метода купания являются простота, хорошая адгезия пленки. Иногда полезную роль играет то обстоятельство, что слой наносится сразу на обе стороны подложки. Полив на горизонтальной плоскости обеспечивает лучшую по сравнению с методом купания однородность пленки по толщине (хотя при поливе неизбежно возникают утолщения но краям). Этим методом можно получать толстые слои фоторезиста -- до 10--20 мкм, что затруднительно при других методах. Толстые, слои обеспечивают надежную защиту при глубинном травлении; в меза-технологии часто используется метод полива. Приспособления для полива не сложны: платформа с тремя регулировочными винтами или (лучше) подвес маятникового типа с перпендикулярной площадкой. Толщина слоя при поливе регулируется изменением концентрации нанесенного фоторезиста. Операцией, завершающей формирование слоя, является сушка. Общие представления о механизме плёнкообразования основаны на следующих положениях: структура большинства цепных полимеров аморфна; молекулы полимеров имеют клубкообразную форму за счет того, что отдельные звенья молекулы подвижны относительно друг друга; при испарении растворителя пленкообразователи (полимеры) переходят в стеклообразное состояние. Процесс испарения растворителя играет важную роль в образовании пленки. Одним из условий получения качественной пленки является определенная низкотемпературная выдержка после нанесения раствора полимера, необходимая для ориентации макромолекул.

Последующее высушивание пленки при повышенной температуре приводит к интенсивному удалению растворителя. Следует учесть, что при формировании пленки макромолекулы стремятся перейти в устойчивое состояние, т. е. принять такую форму, которая соответствовала бы минимальному значению свободной энергии. Этот релаксационный процесс требует некоторого времени, поэтому слишком быстрая сушка может привести к возникновению напряжений в пленке. Иногда рекомендуется инфракрасная сушка слоя; она эффективна для формирования толстых слоев -- порядка 3--5 мкм и выше; для обычных же толщин (0,3--0,4 мкм) различие в методах сушки мало заметно. Хорошие результаты при работе с толстыми слоями позитивных резистов (например, для глубокого травления кремния) дает вакуумная сушка с медленным повышением температуры.

2. Формирование защитного рельефа