Фотолитография предназначение и същност на фотолитографията

На фиг. 5.2 е показан принципът на контактната фотолитография. Преди засветяването шаблонът 2 се съвместява с полупроводниковата пластина 3, като за целта се използват допълнителни репери. При съвместяването се взема под внимание чувствителността на човешкото око към паралелност на прави. Реперите се правят с подходяща геометрия, така че лесно и удобно да може да се осъществява този процес. Съвместяването се извършва обикновено на минимално разстояние, примерно 1020 m, което позволява все още едновременно фокусиране на шаблона и на повърхността на пластината и взаимното им движение с хоризонтална разрешаваща способност на площ до няколко квадратни милиметра. Това означава, че свързаните с тези параметри увеличение V и апертура A трябва да бъдат подходящо подбрани [212, 223]. Хоризонталната разрешаваща способност _min се изчислява по следния начин: _мin=1,22/2A0,33 m/A за =0,5 m. Вертикалната разрешаваща способност се състои от три съставки – вълнова T_u=/2A², геометрична Т_g=150 m/AV и акомодираща, която се изразява чрез T_a=250 nm/v². За V=1000 A и =0,5 m се получават T_общ=0,65 m/A²7(_min)². За съвместяването на структури с размери от 5 до 10 m е необходима хоризонтална разрешаваща способност _min от около 1 m. Това означава апертура А0,2 и вертикална разрешаваща способност Т_общ16 m. При необходимост от _мin<1 m трябва да се увеличи апертурата A, което води до намаление на Т_общ, т. е. до намаление на разстоянието между пластината и шаблона по време на съвместяване. Поради съществуващата кривина на полупроводниковата повърхност не е възможно това разстояние да се намалява. Трябва да се прибави и допълнителното изкривяване и разместване, което се получава при придвижването за прилепване на пластината към шаблона по време на засветяване [4, 5].тези недостатъци се избягват при проекционното съвместяване (фиг. 5.1). при този метод с помощта на проекционен обектив 3, 6 изображението от шаблона 2 се проектира върху полупроводниковата повърхност 4 т. е. пластината, която трябва да бъде съвместена, се намира винаги в равнината, в която се проектира шаблонът.

Традиционният начин за създаване на фотошаблони включва първоначално намаление (I редукция) на работния чертеж, обикновено 20:1 (10:1), последвано от мултипликация с помощта на репитер върху емулсионна фотоплака, съпроводено с още едно намаление (II редукция) например 10:1 за случая когато работният чертеж е бил с увеличение 200:1.

Като пример за обработка на фотолаковете ще разгледаме обработката на лаковете AZ1350 и AZ1350H. Това са позитивни лакове с голяма разрешаваща способност, характеризираща се с ясно очертана конфигурация на ръба на покритието, леко проявяване и отстраняване след завършване на фотолитографския процес [221, 222, 237]. Лаковете се използват по показаната на фиг. 5.3 технологична схема. Нанасянето на лака, изсушаването, засветяването и проявяването трябва да се извършат в помещение защитено от дневна светлина. На фиг. 5.4 са показани границите на използване в зависимост от дебелината на лаковото покритие. По-голяма разрешаваща способност може да бъде достигната чрез използване на по-тънки покрития.

За да се постигне оптимална адхезия на лака особено важно повърхността върху, която ще бъде нанасян да бъде чиста и суха. Една примерна процедура е следната: потопяване в кипящ трихлоретилен за 2 min, потопяване във втора баня от кипящ чист трихлоретилен, изсушаване с пречистен въздух или азот, изсушаване при 120 ⁰C в суха атмосфера и темпериране в ексикатор до нанасяне на лака.

Използват се главно два метода за нанасяне на лак – нанасяне с центрофуга и нанасяне чрез пулверизиране. В някои случаи се използва и нанасяне чрез потопяване. В табл. 5.1 е показана зависимостта на дебелината на покритието за двата лака от честотата на въртене на центрофугата. Най-добро качество на фотолитографията се получава когато лаковете се нанасят без допълнително разреждане при равномерно разтичане по повърхността.

Таблица 5.1

Нанасянето на лак чрез потопяване зависи до голяма степен от формата и големината на повърхността, върху която трябва да бъде нанесен лакът. При нанасянето на лака чрез пулверизиране се работи с пречистен въздух и с налягане от 2027.10⁴ Pa (2,1 до 2,8 at) нанесеният по този начин лак трябва веднага да бъде поставен в пещта за изсушаване, за да може да продължи неговата “обработка”. Както и при нанасянето с центрофуга, и тук не се препоръчват разреждания освен в случаите, когато трябва да се получат по-тънки слоеве. Общо за всички методи е необходимостта от филтруване на лака. При дълго съхраняване или продължително използване в резултат на вътрешна полимеризация в него се получават твърди субстанции. При “стар” лак се препоръчва нанасяне чрез подходящи филтри, които позволяват отфилтрирането на частици, по-големи от 0,6 m.

Най-широко разпространен метод за изсушаване е използването на продухвана с азот пещ при температура 60 – 65⁰C. Времето за изсушаване зависи от дебелината на покритието. По-тънките слоеве, които се получават при нанасянето с центрофуга, изискват 5 – 10 min, по-дебелите до 30 min. Пещта трябва да работи с филтриран азот, за да може да се осигури отвеждане на летливите съставки на фотолака, каквито обикновено са разтворителите. Друга възможност за изсушаване на лака е използването на инфрачервена лампа, например 250 W, с дължина на вълната 800 nm, насочена от около 30 cm към работната повърхност. За лабораторни условия се препоръчва такава лампа да се монтира директно над центрофугата, което облекчава работата и осигурява добри условия. Тънките покрития изискват при този начин време за изсушаване от 3 до 5 мin, а дебелите от 5 до 15 мin. Оптималното време за изсушаване независимо от това, какъв метод се използва се определя с помощта на серия от опити, като при това се спазват еднакви условия на предварителната обработка. От друга страна, критерий за оптимално време на изсушаване са образците с най-голяма разрешаваща способност и с най-голяма рязкост на ръбовете на покритието.

В зависимост от параметрите на използваната апаратура времето за засветяване може да бъде от няколко секунди до няколко минути. Оптималната чувствителност на фотолака обикновено е в границите 340 – 450 nm. Засветяването зависи от различните параметри, които са свързани главно с фотохимичната реакция на покритието. Времето за засветяване зависи от спектъра на лампата, нейната интензивност, дебелината, цвета и отражателната способност на покритието, поглъщането на светлина от самата оптична система, стъклото на шаблона, оптиката на микроскопа и т. н. В полупроводниковата технология обикновено се използват живачни лампи от 200 W. За покритие, нанесено при 50 s^-1, времето за засветяване е обикновено между 15 и 25 s.

Засветеният лак се проявява по няколко различни метода. Във всеки случай в резултат на засветяването и на протеклата фотохимична реакция се изменят химичните свойства на покритието. Това е същността на проявяването, което протича в течна среда, като се използват или оригинален проявител, или разтвор, приготвен по рецепта. Важно условие за осигуряване на добро качество на фотолитографския процес е температурата на проявителя. Обикновено тя е в границите от 15 до 22⁰C. След проявяването за прекъсване на процеса пластината се измива с вода и се изсушава. За проявяване в оригинален проявител на покрития, нанесени с центрофуга при 50 s^-1, са необходими 4 до 5 s. При увеличаване на дебелината на покритието това време може да достигне и до 45 s (за покритие с дебелина до 2,5 m). Определянето на оптималното време за процеса е свързано с най-важните параметри на фотолитографията – разрешаващата способност и рязкостта на релефа. Гарантирането на тези параметри е критерий за правилно проявяване.

Следващата операция след проявяването е изпичане при висока температура. При използването на релеф от фотолак за обработка при вакуумни процеси тази операция може да се пропусне. В повечето случаи обаче е необходимо чрез температурната обработка да се повиши киселиноустойчивостта на покритието. Темперирането на фотолака, особено при температура T>160 ⁰C, затруднява неговото отстраняване след завършване на фотолитографския процес. Времетраенето и температурата зависят от времетраенето и характера на следващата химична обработка и от параметрите, които трябва да бъдат достигнати. За особени случаи като мезаецване се позволява темпериране на фотолака до 200 ⁰C.

При температура на изпичане до 95 ⁰C за сваляне на лака се използват обикновено разтворители, като ацетон, метилетилкетон и др. Фирмите производители препоръчват и специални разтворители, които по състав не се различават съществено от горе изброените. При температура на изпичане, по-висока от 95 ⁰C, се използват същите разтворители, но загрети до температура 50 – 60 ⁰C. Може да бъде използвана и ултразвукова баня. При температура на изпичане над 180 ⁰C се използва обикновено сярна киселина. Прилага се и механична обработка за сваляне или доизгаряне на лаковото покритие, когато това е целесъобразно и възможно. В табл. 5.2 са показани някои от най-важните физични свойства на разгледаните 2 позитивни фотолака.

Таблица 5.2

От негативните лакове, които се използват в полупроводниковата технология трябва да споменем следните: KTFR, KPL, KOR, KMER, FK 11.3 [219, 221, 212, 213, 29].

Като представител на негативните лакове KTFR е изграден подобно на KPR на базата на разтвор на поливинилов алкохол и канелена киселина в кислол. KPL е подобен на KPR, но е с по-голяма покривност (около 4 пъти) и с по-лесно летлив разтворител. KOR е с 4 – 5 пъти по-голям вискозитет от KPR. При KPR чувствителността е преместена към дължина на вълната 550 nm, тъй като в състава има специален сенсибилизатор. За химична обработка на метални покрития и метални ленти се използва KMER. Той е подобен на KTFR, като при него полимерът е изграден на принципа на модифицирани молекули на полиизопрена, които позволяват по-добра адхезия върху метални повърхности. Използва се и лакът FK 113 [224].
5.3. Механизъм на фотолитографския процес
5.3.1. Фотохимична реакция
На фиг. 5.5 е показана принципната разлика при засветяване между негативен (а) и позитивен лак (б). Релефът 3, който се получава във фотолака, е резултат на няколко типа процеси. Първият, характерен за негативните лакове е свързан със собствена полимеризация и образуването на неразтворими участъци. Вторият се характеризира със свързване на линейните полимери с радикали, които се получават по време на фотолизата на светлочувствителните съставки и също се наблюдава при негативните лакове. Третият е свързан с фотолизата на светлочувствителните съединения и образуване на разтворими вещества и характеризира позитивния лак. Според [41] химичните промени при засветяването на негативния лак протичат по начина, показан на фиг. 5.5в.

Както се вижда от показаната структура, молекулите на поливиниловия спирт и канелената киселина са свързани в реда R₁ – O – R₂, където R₁ е светлочувствителната съставка, а R₂ е молекулата на поливиниловия спирт. При поглъщане на фотон с достатъчна енергия се разкъсва двойната връзка C=C. Разкъсването на връзката C=C изисква енергия, равна на 2,51 J/mol. За разкъсването на всяка друга връзка от молекулата се изисква по-голяма енергия. Появяването на свободни връзки е причината за полимеризацията на лака и неговата химична устойчивост.

При позитивните лакове се използват диазосъединения и химичните промени са показани на фиг. 5.5 г [41].

При поглъщане на фотон се разкъсва връзката въглерод – азот, молекулата на азота се освобождава и шестчленното бензолно ядро се преустройва в петчленно. Образува се ново съединение – инденкарбен, което, като взаимодейства с намиращата се в проявителя вода, образува инденкарбонова киселина. Солите на тази киселина получени при обработка с основни разтвори, са разтворими. Тези разтвори на базата за приготвяне на проявители. В незасветения участък молекулата на полимерното съединение остава стабилна. Именно напускането на азота води до получаване на нетрайни съединения и химично неустойчиви участъци, които лесно могат да бъдат проявени.
5.3.2. Основни зависимости, характеризиращи фотолитографския процес [41]
Изследванията на фотохимичните процеси при лаковете се свеждат до разглеждане на основните три операции, свързани с фотолитографията – експониране, проявяване и термообработка, и на състоянието на повърхността преди нанасянето на лака.

Почистването е химична операция, която може да бъде проведена в няколко варианта. Както е показано на фиг. 5.6, термично израсналият силициев двуокис има една от трите възможни повърхности – първият тип (а) съдържа абсорбирани молекули вода, вторият тип (б) – силанови групи, а третият тип (в) – силоксанови структури. Съществуват химични съединения, които подобряват адхезията на лака към повърхността. Например тънко покритие от диметилдихлорсилан позволява да се увеличи съществено качеството на фотолитографския процес, тъй като реагира химически със силановите групи и осъществява чиста хидрофобна повърхност. Тази реакция е показана схематично на фиг. 5.7.

При операцията “експониране” най-съществена информация носи характерът на протичане на фотохимичната реакция както по време на засветяване, така и на тъмно. Подобно на разгледаните досега механизми на другите технологични обработки трябва да се определи най-бавният процес, който е определящ по отношение на цялата реакция. Критерий за скоростта на протичане може да бъде изменението на концентрацията на молекулите на светлочувствителната съставка за единица време. Изменението на концентрацията е пропорционално на потока от фотони и се описва с уравнението

,

където C е концентрацията на молекулите;  - квантовата ефективност на реакцията;  - количеството фотони за единица време и на единица площ.

Като се използва уравнението на Бургер и Ламберт, се получава зависимостта

,

където d_ е дебелината на покритието,  - полярният коефициент на поглъщане на диазосъединението.

Получената зависимост означава, че динамиката на светлата реакция е описана с уравнение от първи порядък, т. е. права линия с наклон, зависещ от потока фотони и от дебелината на покритието. Ако светлата реакция е определяща, при слаба осветеност основният параметър, от който зависи времето на експониране е дебелината на фотолака. Обратно, при силна осветеност се създава условие за реакцията (реакция на тъмно) да започне да играе определяща роля по отношение на кинетиката на цялата реакция. Тъй като реакцията на тъмно е чисто химична, тя се описва чрез уравнението

където K_x е коефициентът на реакцията; C_x,T –

концентрацията на полученото междинно съединение.

Това уравнение води до

т.е. при условия на свободно протичане на светлия етап на реакцията скоростта на изменение на концентрацията и времето на експониране зависят от влажността на околната среда. При средна стойност на засветяване от 3.10³ lx за една секунда във фоточувствителния слой ще се разложат около 10¹⁵ молекули. Това означава, че за една минута експониране ще бъдат разложени всички налични молекули в покритие от фотолак с дебелина от 1 m.

Основният процес на проявяването, разгледан конкретно за позитивен лак, е разтварянето на получените в резултат на експонирането соли на инденкарбоновата киселина [41] уравнението, с което се описва взаимодействието на фотолака с основния разтвор на проявителя, има следния вид:

V=K_пр(C^OH-)^mC,

където V е скоростта на реакцията; К_пр – коефициентът на реакцията; m – порядъкът на реакцията; C^OH- - концентрацията на хидроксилните йони в проявителя; C – концентрацията на разтворимите молекули. Изменението на порядъка на реакцията свидетелства за това, че между отделните съставки на фотолака има не само механична връзка, но се получава и промяна в общите химични свойства на лака като цяло. За това свидетелства и разликата в енергията на активация при разтваряне отделно на смола и на фотолак [27, 28, 29]. Експериментите показват, че скоростта на протичане на проявяването зависи от дифузията на хидроксилните групи към повърхността на фоточувствителния слой и по слабо от тяхната концентрация.

Интерес представлява и разтварянето на незасветените части от лака в проявителя. Неразложените молекули на диазосъединенията са бариера срещу тяхното разтваряне. Това обяснява определянето на времето на експониране така, че не всички молекули да бъдат разложени. Важен експериментален извод представлява и оцветяването на проявителя. Той остава безцветен когато молекулите на диазосъединенията са напълно разложени и обратно, оцветява се в малинов цвят, когато покритието е добре експонирано. Минимумът на времето за експониране се определя от достигането на максимална скорост на разтваряне на засветените участъци.

Не на последно място трябва да се разгледат и процесите на термолизата, която е определящ процес по време на изсушаването на фотолака. Термолизата е подобна на фотолизата, тъй като е свързана също с предаване на енергия във фотолака, т. е. с нарушаване на баланса на енергията на химичната връзка на диезосъединението, която може да доведе до разрушаване на някои от връзките. Уравнението, което описва термолизата, е [31,33, 41]:

В практиката се предполага, че по време на изсушаването могат да бъдат разложени най-много няколко процента от молекулите на диазосъединението. От това условие може да се определи времето, което гарантира запазване на параметрите на фотолака след изсушаване. В зависимост от количеството на молекулите и техния вид това време е различно за различните фотолакове. Така например за съветския лак ФР383 за това време за T=100 ⁰C е около един час, а за някои други лакове може да бъде до 10 минути [33, 34]. Някои производители гарантират неразрушаване на фотолака при изсушаване до определена температура в атмосфера на азот.

Всякакви замърсявания от вида на прах, мазнини, дори остатъци, получени в резултат на дишането на персонала в непосредствена близост на пластината по време на нанасяне на фотолака се отразяват върху състоянието на повърхността, а от там върху адхезията на самия фотолак. Както беше посочено, наличието на силоксанови групи, които притежават рязко изразени хидрофобни свойства е предпоставка за добра адхезия. Силоксанова повърхност се образува от силанолова при температура над 850⁰C. Слабо свързаната вода се отделя и ъгълът на умокряне се увеличава. Този процес, който обикновено се нарича освежаване на пластината, може да се получи при температурна или плазмена обработка.

При избора на фотолака трябва добре да се отчитат особеностите на диелектричното покритие върху което ще се формира конфигурацията на прибора. Съществуват различни възможности в зависимост от начинът на получаването им, които изменят скоростта на ецване определяща качеството на фотолитографския процес. Обикновено се счита, че прясно окислените пластини притежават силно изразена хидрофобна повърхност и в резултат на това осигуряват най-добра адхезия на фотолака. Експериментите показват, че добра адхезия се осигурява, ако фотолакът се нанесе веднага след получаването на покритието, което трябва да бъде обработено. Ако се наложи пластините да престоят известно време поради невъзможност от непосредствена обработка, използва се предварително темперирани до 200 ⁰C в чист азот. Температура на обработката 800 – 900⁰C, и то в атмосфера на сух кислород, се използва, ако пластините са били в допир с вода или други разтвори. При проявяването е необходимо процесът да не спира изведнъж, а да се осигури междинен етап, за да се избягнат напреженията, които биха се получили в лаковото покритие. Върху адхезията оказват влияние и алкални инфрачервени разтвори, необходими при ецването на някои метални покрития.

Параметърът киселиноустойчивост определя минималния разтвор, който може да бъде гарантиран при конструирането на една структура. При големите интегрални схеми се получава възможност за увеличаване на плътността на дефектите на различни критични места, свързано с нарушаване на киселиноустойчивостта в резултат на различни замърсявания във фотолака. Този проблем се решава с филтруването. Така например за лакове KPR, AZ1350, и др. след филтруването се гарантира максимален размер на твърди частици от 0,5 m. За KMER се гарантира 1,5 m, а за KTFR - 1m [212]. Голямо значение има дебелината на покритието. След като лакът се филтрира и се гарантира максималния размер на твърдите частици, в него може да се различи случая, когато тези частици са изцяло обхванати от фотолака (дебел) или когато те са на повърхността му (тънък). Във втория случай се получава влошаване и по-голяма плътност на дефектите в резултат на отделянето на частиците и получаването на големи пори на повърхността. На фиг. 5.9 е показана зависимостта на плътността на дефектите от дебелината на покритието за 56 частици / mm² – 1 и 36 частици / mm² – 2 [224].

Таблица 5.3

Фотолак	Разрешаваща способност, линии/m	Минимален размер, m	Дебелина на покритието, nm
KPR	2,5	2,5	900
KMER	5,0	7,5	1250
KTFR	2,5	7,5	900
WAYCOATIC	2,5	5,0	1200
AZ111	<2,5	2,5	700
AZ1350H	<2,5	2,5	1200
MICROLINE 102	<2,5	2,5	1000

Особено значение при конструиране на приборите има гарантирането на изображението между дълги, тесни, редуващи се черни и бели ивици. Засветяването в средата на тези бели ивици е по-слабо, отколкото в краищата. В резултат на това независимо от разрешаващата способност на лака се стига до изкривявания на успоредните прави и до влошаване на изображението.

Параметрите на фотошаблоните могат да бъдат характеризирани по следния начин – рязкост на релефа, чистота, прозрачност и запазване на параметрите на изображението. Експериментът показва, че покривността, която фотошаблонът може да осигури, определя качеството на изображението, прехвърлено във фотолака. Колкото по-фина става структурата, толкова по-голямо значение има този параметър. Особено значение за осигуряване на този параметър има работата на фоторепитера.

Оптимална покривност (защитимост на черните участъци) се постига при гарантиране на следните условия – избягване на допир с непроявения слой, почистване на стъклата с органични разтворители, разтварящи мазнините, изсушаване на стъклата с инертен газ, осигуряване на високо качество на фоточувствителния слой на повърхността на стъклото, осигуряване на необходимите параметри на проявяване, като химичен състав на проявителя, постоянна температура и т. н.

Качеството на релефа се определя от прехода “черно – бяло”, който се характеризира със “сив” участък и с неравномерност на ръба. Толерансите, които се допускат, са обикновено по-малки или равни на 0,8 m и зависят до голяма степен от оптичната система при засветяването. При измерване с обектив с увеличение 10 и апертура 0,4 областта на прехода се получава до 3 m. Кафеникави участъци по ръба на релефа не са допустими.

Качеството на самия ръб се определя до голяма степен от диаметъра на зърната на фоточувствителния слой. В слоеве, изградени на базата на сребро, размерът е до няколко десети от микрометъра.

В табл. 5.4 са дадени характеристиките на фотоплаки с голяма разрешаваща способност, използвани в микроелектрониката.

Фотоплаките KHRP са с микрозърнеста структура и имат разрешаваща способност до 2000 линии / mm. Дебелината на емулсията преди проявяване е приблизително 6 m, а след проявяване – 4 m. размерите на зърната на хологенидното сребро са около 0,1 m. От обратната страна е нанесен противоореолен слой. Максимумът на спектралната чувствителност на тези плаки е при =545 nm. Отличават се с голяма контрастност и рязкост на ръба. Фотоплаките KHRP – 2 се отличават от KHRP с по малкото си оптично разсейване, което позволява да се спести нанасянето на противоореолен слой от обратната страна.

Таблица 5.4

Тип фотоплаки	Светлочув-ствителност, SО2 ед. ГОСТ	Коефициент на контрастност	Плътност на воала, D0	Максимална плътност на почерняване, Dmax	Разрешава-ща способност R, линии/mm	Дебелина на емулсион-ния слой, m	Дефек-тност, cm-2
HRP, KODAK /САЩ/	5	4,3	0,03	3	1850	4 – 6	0,7 – 1
LP - 1, ORWO /ГДР/	3,5	4,4	0,12	3	1054	15	0 – 20
MR -4, KODAK /АНГЛИЯ/	13	7,4	-	3	1300	20	-
AGFA - GAEVAERT /БЕЛГИЯ/	13	4,6	0,02	3	1900	4 - 6	0,7 – 1
СРБШ /СССР/	5	5,4	0,08	3	2000	8	-

Каталог: Home -> Rado -> home -> 4.Четвърти%20курс%20-%20ФЕТТ
home -> Задача №6 „ Евристични методи II изработил: проверил: Наталия Ивайлова Метровска ас. Станчева група: 40
home -> Въпрос 11. Вторични химични източници на електрична енергия- акумулатори. Видове. Процеси при зареждане и работа
home -> Въпрос 1 логически елементи
home -> Напишете ел. Структура на като използвате правилото на Клечковски
home -> Търси се нов външен вид или допълнителна функция,или друга реализация на някои от функциите на то „Климатик”
4.Четвърти%20курс%20-%20ФЕТТ -> Получаване на pn преход и неизправящ преход
4.Четвърти%20курс%20-%20ФЕТТ -> Конспект по схемотехника на интегралните схеми
4.Четвърти%20курс%20-%20ФЕТТ -> Амплитудна модулация

Изтегляне 238.87 Kb.

Сподели с приятели: