Комплект технологической документации по оптической контактной литографии (стр. 2 из 8)
Фотошаблон – это плоскопараллельная пластина из прозрачного материала с рисунком из прозрачных и непрозрачных для света участков, образующих топологию прибора, многократно повторенную на поверхности пластины. Фотошаблоны могут быть стеклянными и плёночными, металлизированными и эмульсионными, прямыми и обратными. Наилучшую разрешающую способность дают металлизированные фотошаблоны с покрытием из хрома или окиси железа – R ≥ 1000 линий/мм. Основные требования к фотошаблонам – это высокая разрешающая способность, большая площадь рабочего поля, высокая контрастность, высокая оптическая плотность непрозрачных участков, точность воспроизведения размеров рисунка не хуже 0, 5 мкм, точность шага между элементами не хуже 0, 5 мкм, стабильность рисунка и его размеров во времени, стойкость к истиранию, плоскостность рабочей поверхности.
На рисунке 2 представлена последовательность операций изготовления фотошаблонов различными методами. Наиболее простым и сравнительно дешёвым способом является оптико-механический. Способ включает в себя такие операции как вычерчивание оригинала, его репродуцирование и промежуточный отъем, мультиплицирование с одновременным уменьшением размера модуля до масштаба 1:1, изготовление рабочих копий фотошаблона. Недостатком этого способа является его многоэтапность, что определяет высокую трудоёмкость и большую продолжительность процесса изготовления. Поэтому оптико-механический способ применяют при изготовлении плат ГИС и ИМС малой или средней степени интеграции.
Рис. 2 Последовательность технологических операций изготовления фотошаблонов различными способами.
Высокопроизводительными являются способы оптического или электронного генерирования изображения, которые применяют при изготовлении БИС и СБИС. По характеру конструктивного оформления они подразделяются на микрофотонабор, фотомонтаж и сканирование с поэлементной развёрткой.
Микрофотонабор – это способ генерирования изображения, когда рисунок создают путём набора из отдельных элементов прямоугольной формы, размеры и разворот которых могут меняться. Экспонируемые элементы формируют с помощью диафрагмы по программе и последовательно экспонируют.
При фотомонтаже рисунок набирают из стандартных элементов или фрагментов и последовательно экспонируют.
Сканирование с поэлементной развёрткой осуществляют световым пятном, которое последовательно обегает всю рабочую поверхность заготовки фотошаблона по программе.
Генераторы изображения используют в качестве выходных систем машинного проектирования топологии фотошаблонов ИМС. В результате получают эталонные фотошаблоны ЭФШ, использовать которые в производстве ИМС экономически нецелесообразно. Поэтому методом контактной печати с полученного ЭФШ изготавливают необходимое количество рабочих копий, так называемые рабочие фотошаблоны, которые и применяют в технологии ИМС.
Качество изготовленных фотошаблонов во многом определяет процент выхода годных ИМС, поэтому для ЭФШ применяют 100%-ый контроль качества. Это прежде всего проверка линейных размеров под микроскопом с увеличением не менее 500х и проверка совмещаемости комплекта фотошаблонов по реперным знакам.
Суть процесса фотолитографии заключается в создании на поверхности полупроводниковой (или изолирующей) пластины защитного рельефа требуемой конфигурации, включающего в себя большое число рисунков элементов ИС. Фотолитография – это комплекс технологических операций, допускающих использование групповых методов обработки и обеспечивающих тем самым высокую производительность процесса в целом.
Основными составляющими процесса фотолитографии, определяющими её уровень, являются фоторезист, фотошаблон и конкретная схема реализации технологического процесса, связанная с техническими характеристиками используемого оборудования.
Дефекты при проведении процесса контактной фотолитографии.
Практически разрешающая способность процесса контактной фотолитографии 1, 5-2 мкм является предельно достижимой и хуже, чем дают теоретические оценки (на уровне 1 мкм). Это вызвано целым рядом явлений, сопровождающих литографический процесс и снижающих его разрешающую способность. Основными дефектами контактной фотолитографии, в частности, являются: наличие проколов в плёнке фоторезиста, неоднородность толщины плёнки фоторезиста, образование клина травления, неровность края проявленной плёнки фоторезиста, изменение геометрических размеров и наличие "ореола" по краю изображения.
Появление проколов в плёнке фоторезиста связано с некачественным или изношенным фотошаблоном, различного рода загрязнениями, плохой смачиваемостью поверхности пластины или перегревом плёнки фоторезиста при экспонировании. Как правило, при травлении проколы переходят в окисный защитный слой и являются "паразитными" областями локальной диффузии примесей, что может привести к закорачиванию р-n переходов.
Неоднородность по толщине плёнки фоторезиста приводит к несплошности контакта с фотошаблоном и трудности в подборе времени экспонирования.
Наиболее часто встречающийся дефект – образование клина травления. Клин травления возникает при вскрытии окон в защитном слое окисла и влияет на размер диффузионной области рис. 3.
Рис. 3. Схематическое изображение клина травления в защитном слое SiO2.
При наличии клина размеры диффузионной области дополнительно увеличиваются и могут быть определены из следующего выражения
dдиффуз = dокна + 2×hдиффуз×(1+k/10L),
где hдиффуз – глубина диффузии. При толщине окисла 0, 7-0, 8 мкм; k = 1-2 мкм для негативных фоторезистов и 0, 3-0, 4 мкм для позитивных. Причины появления клина связаны с неправильно подобранной экспозицией, плохим контактом между пластиной и фотошаблоном, недостаточной оптической плотностью непрозрачных участков фотошаблона, неперпендикулярным падением света на фотошаблон, некачественным проявлением фоторезиста.
Дефекты, связанные с неровностью края плёнки фоторезиста появляются при неправильных режимах проявления и экспозиции, при наличии в фоторезисте инородных частиц размером 0, 3-0, 5 мкм, при некачественных фотошаблонах.
Минимальный геометрический размер элемента зависит от длины волны излучения λ, расстояния между фотошаблоном и пластиной z и толщины фоторезиста h, которые связаны между собой соотношением bmin=3/2×[λ×(z+h/2)]1/2. Поэтому при плохом контакте пластины и фотошаблона, т.е. при зазоре, возникает дифракция, которая и искажает размеры экспонируемой области. К искажению геометрических размеров рисунка могут привести также неправильно подобранные режимы экспонирования и проявления.
Интерференция проходящего через слой фоторезиста светового потока и его отражения от границы с подложкой, а также рассеяние света, создают нерезкую зону по краю изображения, которая после проявления даёт "ореол", что ухудшает контрастность и изменяет геометрические размеры рисунка. Для ослабления этого эффекта применяют антиотражающие покрытия, например, плёнки окиси хрома, которые осаждают на поверхность пластины перед нанесением фоторезиста.
В итоге контактная фотолитография при решении задачи повышения разрешающей способности и достижения предельной точности сталкивается с существенными ограничениями:
- неизбежность механических повреждений фотошаблона и подложки при контакте;
- вдавливание пылинок в фоторезист и прилипание его к шаблону при контакте;
- любые непрозрачные для УФ - излучения частицы между пластиной и фотошаблоном являются причинами появления дефектов;
- поскольку плотный контакт между пластиной и фотошаблоном невозможен, воздушные зазоры приводят к появлению дифракционных эффектов и увеличению размеров изображения;
- точность совмещения при контактной фотолитографии существенно снижается из-за проблем фиксации перехода от положения "зазор" в положение "контакт".
Бесконтактная фотолитография реализуется в двух способах: фотолитография на микрозазоре и проекционная фотолитография.
Фотолитография на микрозазоре (фотошаблон и пластина с нанесённым фоторезистом отстоят друг от друга на расстоянии 10-30 мкм) использует так называемый множественный источник излучения, когда УФ - лучи падают наклонно под одинаковыми углами к оптической оси системы экспонирования. Наклон лучей устраняет или сводит к минимуму дифракционные явления за прозрачными участками фотошаблона, улучшает равномерность облучения. В результате достигается высокая разрешающая способность, например, при толщине плёнки фоторезиста 1, 8 мкм можно получить линейный размер 2 мкм при зазоре 10 мкм и менее 3, 5 мкм при зазоре 30 мкм. Бесконтактная система экспонирования позволяет снизить время экспонирования до 2-3 с, увеличить срок службы фотошаблонов.
Проекционная фотолитография позволяет проецировать изображение фотошаблона на подложку и осуществлять совмещение при наблюдении рисунка фотошаблона и пластины в одной плоскости. Это исключает проблему глубины резкости и точной установки зазора между пластиной и фотошаблоном. При проекционной фотолитографии уменьшается длительность процесса совмещения и увеличивается точность совмещения. Разрешающая способность проекционной фотолитографии выше, так как исключается дифракция излучения в зазоре. Метод хорошо поддаётся автоматизации.