Фотолитография в микроэлектронике

Получение элементов с малыми геометрическими раз­мерами и высокой точностью связано с применением процессов фотолитографии, без которой немыслима микроэлектроника.

Фотолитография — совокупность фотохимичес­ких процессов, основанных на использовании светочувствительных полимеров (фоторезистов), изменяющих свои первоначальные свойства под действием излучения (ультрафиолетового, электронного, рентгеновского). Ее цель — создать в слое фоторезиста «окна» заданных размеров и формы для доступа травителя к расположенной. Под этим слоем полупроводниковой или диэлек­трической подложке.

В зависимости от характера изменения свойств при облучении фоторезисты делятся на позитивные и нега­тивные. Позитивные фоторезисты — полимеры, которые в обычном состоянии стойки к действию растворителей и травителей, а под действием излучения разрушаются и легко смываются растворителями. Негативные фоторе­зисты в обычном состоянии легко растворяются, но под действием излучения становятся нерастворимыми и стой­кими к действию различных травителей. Фоторезисты должны обладать высокой разрешающей способностью, т. е. обеспечивать воспроизводство изображения миниа­тюрного элемента.

На рис. 19.2 приведена последовательность основных операций при фотолитографии рисунка микросхем. Фо­толитография может быть последовательной, селектив­ной и обратной.

В процессах фотолитографии используют фото­шаблон- трафарет, через который производят облуче­ние фоторезиста. От точности его изготовления в первую очередь зависит точность изготовления элементов мик­росхем. Фотошаблон представляет собой фотоснимок ри­сунка элементов микросхемы (фотооригинала).

Фотошаблоны, выполненные на фотопластинках, на­зывают жесткими, а на фотопленке — гибкими.

Для крупносерийного производства, при котором из­готовляется большое количество отпечатков, с эталонного фотошаблона снимаются износостойкие рабочие копии.

Фотошаблоны должны иметь геометрический рисунок с допусками на размеры элементов в пределах от ± 1 до + 5 мкм для гибридных интегральных схем и долей ми­крометра для полупроводниковых ИС. Учитывая, что по­лупроводниковая подложка представляет собой пластину диаметром 50 или 100 мм, а отдельная микросхема является элементом квадратной формы со стороной 2 — 3 мм, рисунок схемы на фотошаблоне мультиплицируется.

При изготовлении интегральных микросхем обычно требуется комплект из нескольких фотошаблонов с раз­личными взаимно дополняющими друг друга рисунками. Для получения фотошаблона специальными редук­ционными камерами с помощью высокоразрешающей оптики и специальных фотопластин, фотопленки, имею­щих высокую чувствительность и разрешающую способ­ность, фотографируют оригинал, представляющий собой увеличенный во много раз чертеж топологии микросхемы.

Оригиналы изготовляют на координатографах с по­грешностью расположения линий ± 50 мкм. В последнее время на смену координатографам в производстве полу­проводниковых интегральных схем пришли программно-управляемые микрофотонаборные установки, в которых непосредственно на фотопластине набирается топологи­ческий рисунок путем засветки через диафрагмы с от­дельными элементами прямоугольной формы.

Для нанесения фоторезиста на пластину существуют следующие способы: центрифугирование, пульверизация, вытягивание из раствора, напыление в электростатиче­ском поле, накатка валиком, полив.

В основном используется метод центрифугирования, при котором фоторезист тонкой струей льется в центр вращающейся подложки. Частота вращения центрифуги зависит от вязкости фоторезиста и подбирается экспери­ментально. Для нанесения тонких пленок фоторезиста (менее 1 мкм) время процесса составляет 20-30 с. При центрифугировании толщина слоя выдерживается с допу­ском ±10%.

При методе пульверизации можно проводить контроль толщены пленки фоторезиста в широких интервалах (от 0,35 до 20 мкм). Кроме того, пульверизация обеспечивает ородность толщины слоя и сравнительно малый рас­ход фоторезиста.

Метод полива применяют для создания толстых слоев фоторезиста (10-20 мкм).

Сушка фоторезиста должна обеспечить опре­деленную ориентацию молекул фоторезиста и удаление растворителя. Ее проводят при температуре 80-100°С.

Совмещение фотошаблонов осуществляют базовым и визуальным методами. Визуальный метод основан на совмещении реперных знаков (обычно крестов), располо­женных на фотошаблонах в одном и том же месте. Ба­зовый метод заключается в ориентации фотошаблона по двум базовым плоскостям или двум цилиндрическим поверхностям.

Экспонирование фоторезиста осуществляют контактным и проекционным способами.

Проявление фоторезиста заключается в удалении с поверхности подложки (после экспонирования) не­нужных его участков. Для повышения стойкости защит­ного рельефа фоторезиста производится его задубливание — вторичная сушка при более высокой температуре (с целью удаления остатков проявителя) и дальнейшая теп­ловая полимеризация фоторезиста.

Весьма ответственной является операция травления основного слоя. При химическом травлении ва­жен подбор состава травителя, его концентрация и тем­пература. Эти факторы влияют на размер бокового под-трава, и неправильный выбор параметров проявителя может вызвать боковой подтрав, равный толщине страв­ливаемого слоя, т. е. порядка 1 мкм.

Метод ионного травления основан на ис­пользовании пучка положительных ионов с высокой кине­тической энергией для разрушения материала в местах, подвергающихся травлению. Поскольку ионы бомбарди­руют подложку перпендикулярно ее поверхности, эффекта подтравливания не возникает и точность получения задан­ной конфигурации элементов микросхем повышается. Ионное травление позволяет полностью сохранить точ­ность рисунка, полученного на фоторезисте.