Основы фотолитографии

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 радиально 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.

При выделении из сопла дозированной капли фоторезиста происходит осаждение на ее поверхности посторонних примесей, которые наносятся на поверхность пластины вместе с фоторезистом. Кроме того, так как лицевая поверхность пластины обращена вверх, на наносимый слой фоторезиста прилипают посторонние примеси, существующие в окружающей среде. При этом образуются дефекты в виде "комет", которые выглядят как направленные от центра локальные утолщения или разрывы слоя фоторезиста.

Начальная стадия центрифугирования, включающая время, в течение которого происходит изменение скорости, оказывает влияние на формирование слоя фоторезиста. При этом возникают неоднородности толщины слоя фоторезиста в виде радиально расходящихся длинных лучей, вызываемые вибрацией столика при вращении; образование краевого утолщения.

Кроме того, в процессе центрифугирования происходит сбрасывание излишков фоторезиста. Процесс сбрасывания фоторезиста начинается на краю пластины с небольшой дуги, которая постепенно увеличивается. Сбрасываемые излишки фоторезиста, ударяясь о кожух для сбора избытка фоторезиста, образуют брызги в виде мельчайших капелек фоторезиста. Эти капельки, захватывая загрязнения с кожуха и окружающей среды, попадают на формируемую пленку фоторезиста и вносят загрязнения в пленку, вызывая ухудшение ее качества.[19]

В таблице 1.1. приведены сводные данные о видах и причинах брака.

Таблица 1.1- Виды и причины дефектов фотолитографии.

Виды дефектов	Причины дефектов
Неровный край (зазубрины на границе проявления)	Загрязнения на поверхности фотошаблона и в фоторезисте. Наличие зазора между фотошаблоном и подложкой при экспонировании Недостаточное задубливание пленки фоторезиста
Неполное проявление	Недостаточное время экспонирования. Превышение температуры первой сушки фоторезистивного слоя
После проявления удален весь фоторезист	Некачественная подготовка поверхности пластин. Недостаточное время или низкая температура сушки
Включения и локальные «проколы» в слое фоторезиста	Загрязнение поверхности пластин или плохая фильтрация фоторезиста
Увеличенные размеры элементов топологического рисунка	Низкая адгезия фоторезиста. Переэкспонирование. Высокая температура или величина pH проявителя. Наличие зазора между подложкой и фотошаблоном при экспонировании
Рельеф нечеткий, слабовыраженный	Некачественный фоторезист. Велика экспозиция (для позитивного фоторезиста) или мала экспозиция (для  негативного фоторезиста). Отсутствие должного контакта при экспонировании. Фотошаблон оши-бочно прижат к слою обратной стороной. Некачественное про-явление

 

 

7. ПОДГОТОВКА ПОДЛОЖЕК

Подготовка поверхности подложки к нанесению ФР состоит из нескольких операций и является индивидуальной для каждого конкретного случая в зависимости от материала подложки, технологии его получения, состояния поверхности и дальнейшего назначения маски. Под подложкой в фотолитографических процессах подразумевается тот материал, на котором формируют резистивный слой. Если фотомаска используется для локального травления, то качество передачи рисунка на подложку зависит в основном от адгезии маски к подложке и от способности травителя проникать под слой фотомаски по границам окон. Адгезия фотослоя увеличивается с повышением смачивания поверхности подложки ФР. Проникновение травителя под слой фотомаски, приводящее к растравливанию подложки, в свою очередь, зависит от смачивания поверхности подложки травителем или водой (рисунок 1.8 ).

Рисунок 1.8 – Клин травление при передаче рисунка с фотомаски на пленку  ФР

 Критерием смачиваемости является краевой угол смачивания поверхности твердого тела жидкостью (рисунок 1.9).

 

Рисунок 1.9 –Поверхность смачиваемая жидкостью: а) плохо б) хорошо

 Оптимально подготовленной  к ФЛ поверхностью является  поверхность, которая хорошо смачивается ФР и плохо смачивается водой,   т. е. для которой выполняется условие:

Ɵф0о

Ɵв180о

Эти условия не противоречат друг другу для большинства полимерных ФР, так как они, будучи сами гидрофобными, хорошо смачивают гидрофобные, а не гидрофильные поверхности. Таким образом, подготовленная к нанесению фоторезиста поверхность должна быть очищена от загрязнений, а также должна обладать свойством гидрофобности.

1. Очистка подложек должна включать:

• обработку моющими средствами;
• промывку;
• просушку.

2. Выбор моющих средств для обработки подложек, за исключением полиамидных, производится в соответствии с ГОСТ                  4 0.029.233-84. Обработку подложек из керамики нужно производить с использованием ультразвукового (УЗ) воздействия на частоте не менее 18 кГц.

3. Обработку полиамидных подложек производить в хромовой смеси серная кислота 1000 мл, вода деионизованная 100 мл, калий двухромовокислый 75 г).
4. Промывку подложек производить в проточной дистиллированной или деионизованной воде.
5. Сушку подложек, за исключением полиамидных, производить при температуре 120±5 °С в течение 15±5 мин. Допускается производить сушку подложек в центрифуге при использовании специальных линий очистки подложек, в которых предусмотрена такая сушка.
6. Сушку (отжиг) полиамидных подложек производить в среде инертного газа при температуре не менее 200 °С в течение 60±5 мин.
7. Поверхность подложки, прошедшей очистку, должна быть чистой, без подтеков, пятен и инородных предметов.
8. Очистку подложки следует производить непосредственно перед нанесением на нее слоев. В обоснованных случаях допускается перерыв между окончанием очистки и началом нанесения слоев, который не должен превышать 6 ч при хранении подложек в эксикаторе с силикагелем или 24 часа при хранении в шкафу с защитной средой.[20]

 

 

ГЛАВА 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. Технологический процесс фотолитографии.

На рисунке 2.1. показана технологическая схема фотолитографии.

Рисунок 2.1 – Технологическая схема фотолитографического процесса

Подготовка поверхности к нанесению фотослоя заключается в её обработке парами органического растворителя для растворения жировых плёнок, которые препятствуют последующему сцеплению фоторезиста с поверхностью. Отмывка сверхчистой (деионизованой) водой удаляет следы растворителя; а также микрочастицы, способные впоследствии образовать "проколы" в тонком (до 1 мкм) слое фоторезиста.

При нанесении фотослоя используется раствор светочувствительного полимера в органическом растворителе (фоторезист). Для получения тонких слоёв фоторезиста на поверхности пластины его вязкость должна быть очень мала, что достигается высоким содержанием растворителя (80-95 % по массе). В свою очередь, с уменьшением толщины фотослоя повышается разрешающая способность фотолитографического процесса. Однако, при толщинах менее 0,5 мкм плотность дефектов ("проколов") в фотослое резко возрастает, и защитные свойства фотомаски снижаются.

Нанесение фотослоя может быть выполнено одним из двух наиболее часто используемых способов: центрифугированием или распылением аэрозоля. В случае использования центрифуги дозированное количество фоторезиста подаётся в центр пластины, прижатой вакуумом к вращающейся платформе (центрифуге). Жидкий фоторезист растекается от центра к периферии, а центробежные силы равномерно распределяют его по поверхности пластины, сбрасывая излишки в специальный кожух.

Нанесение фотослоя должно выполнятся в условиях высокой обеспыленности в рабочих объёмах (боксах, скафандрах) 1 класса с соблюдением следующей нормы: в 1 литре воздуха должно содержатся не более четырёх частиц размером не более 0,5 мкм, 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.

При сушке нанесённого слоя в слое могут сохраниться пузырьки растворителя, а при выходе на поверхность слоя они могут образовать микротрещины. Поэтому сушка выполняется с помощью источников инфракрасного излучения, для которого фоторезист является прозрачным, а, следовательно, поглощение излучения с выделением тепла происходит на границе " пластина - фоторезист ". Следовательно, сушка протекает от нижних слоёв фоторезиста к верхним, обеспечивая свободное испарение растворителя. Во избежание преждевременной полимеризации (задубления) фоторезиста и потери им чувствительности температура сушки должна быть умеренной (100÷120°С).

Под совмещением перед экспонированием понимается точная ориентация фотошаблона относительно пластины, при которой элементы очередного топологического слоя (на фотошаблоне) занимают положение относительно элементов предыдущего слоя (в пластине), предписанное разработчиком топологии.

Процесс совмещения включает три этапа:

1. Предварительная ориентация по базовому срезу, обеспечивающую на границах модулей групповой пластины наиболее выгодную кристаллографическую плоскость с точки зрения качества разделения пластины на отдельные кристаллы.
2. Предварительное грубое совмещение по границам крайних модулей, имеющее целью исключить разворот пластины и фотошаблона относительно вертикальной оси Z.
3. Точное совмещение, исключающее смещение рисунков фотошаблона и пластины по осям X и Y.

Для точного совмещения используют специальные знаки совмещения с контролируемым зазором, которые входят в состав топологических рисунков соответствующих слоёв. Совмещение считается выполненным, если при введении одного знака внутрь другого по всему контуру просматривается зазор.

Проявление скрытого изображения для негативных фоторезистов заключается в обработке фотослоя органическим растворителем. При этом участки, не подвергшиеся облучению, растворяются, а облучённые участки, где при поглощении ультрафиолетового излучения происходит разрыв межатомных связей и перестройка структуры (фотополимеризация), сохраняются.

В позитивных фоторезистах на участках, подвергшихся облучению, происходит разрушение структуры (деструкция) с образованием кислоты. Для перевода её в растворимые слои применяют раствор неорганического соединения со щелочными свойствами (KOH, NaOH и др).

После отмывки от следов проявителя и сушки полученную фотомаску подвергают тепловому задубливанию (120÷180°С в зависимости от марки фоторезиста), в результате чего окончательно формируются её защитные свойства.

При травлении в жидких травителях используются водные растворы неорганических соединений (обычно кислот). Химический состав и концентрация травителя в растворе подбирается так, чтобы поверхностный слой растворялся активно, а нижележащий не растворялся. С травлением в жидких травителях связано не только явление подтравливания под фотомаску, но и разброс величины подтравливания в совокупности элементов одного слоя.

После проведения всех операций фотолитографического процесса происходит контроль на наличии дефектов фоторезистивного слоя под микроскопом. 
2.2. Результаты опробования фоторезиста 9120-1.8.

В апреле месяце на участке ПФЛ было проведено опробование фоторезиста ФП 9120-1.8 ( ТУ 6-36-0020134-121-096) .

Опробование проводилось на рабочих партиях на всех слоях фотолитографии (подложки Si02, Si3N4, Al, ФCC).

На контрольных кремниевых пластинах определена толщина пленки фоторезиста.

 ФП 9120-1, 8 на разных скоростях V2 центрифуги АНФ “Лада 125”  в сравнении с фоторезистом S1813SP15. Замер проводился на спектрофотометре-толщиномере в СКТБ. Полученные результаты занесены в таблицу 2.1.

      Таблица 2.1- Сравнительная характеристика толщины  фоторезистивных слоев для разных  скоростей вращения центрифуги.

V2 НФР,об/мин	ФП 9120-1.8 d фоторезиста, мкм	S1813SP15 d фоторезиста, мкм
3000	1,59	1,65
3500	1,50	1,58
4000	1,43	1,50
4500	1,34	1,41
5000	1,29	1,33
5500	1,25	1,28
6000	1,19	1,22

 

Светочувствительность была определена на этих же контрольных пластинах на установке ЭМ 584А в режиме RE (M). Полученные результаты приведены в таблице 2.2.

 

 

 

Таблица 2.2- Результаты определения светочувствительности.

Тип фоторезиста	V2 НФР, об/мин	d фоторезиста, мкм	Светочувст.t эксп. проявления “окна”, ед.	Время проявления, сек
S1813SP15	4000	1,50	38	20
ФП9120-1.8	3500	1,49	32	20

 

Из полученных данных видно, что светочувствительность фоторезиста ФП 9120-1.8 немного выше, чем светочувствительность  фоторезиста S1813SP15.

Для определения качества, полученного рельефа, стойкости ФП9120-1.8 к травителям и проявителю и плазме (ПХТ Si3N4) были взяты рабочие партии, в которых пластины были поделены на две группы:

1-ая группа – S1813 SP15

2-ая группа  - ФП 9120-1. 8

Нанесение фоторезиста проводилось на установке “Лада-125” со скоростью V2 центрифуги, соответствующей толщине пленки фоторезиста для каждой  фотолитографии. 

Режимы ИК-сушки для фоторезиста S1813 SP15 приведены в    таблице 2.3.

Таблица 2.3-Режимы ИК-сушки фоторезиста S1813 SP15

Зона	Зона 1	Зона 2	Зона 3
Температура	80+30С	90+30С	105+30С