Методы оптической литографии

Основными методами оптического экспонирования являются контактный, бесконтактный и проекционный.

Контактная печать. При контактной печати (см. рис. 1) пластина кремния, покрытая резистом, находится в непосредственном физическом контакте со стеклянным фотошаблоном.

1- источник света
2- оптическая система
3- шаблон
4- фоторезист
5- кремниевая пластина

Пластина установлена на вакуумном держателе, который поднимает ее до тех пор, пока пластина и шаблон не придут в соприкосновение друг с другом. Прикладываемое при этом усилие составляет несколько килограммов.

Для того чтобы провести совмещение топологического рисунка фотошаблона с предыдущим, вытравленным в кремнии топологическим рисунком, шаблон и пластину разводят на 25 мкм, а пару объективов с сильным увеличением помещают сзади шаблона для одновременного наблюдения рисунков шаблона и пластины из двух точек. Объективы принадлежат микроскопу с разведенным полем зрения, так что правый глаз видит точку на правой стороне шаблона и пластины, а левый - точку слева. Шаблон и пластину совмещают механическим перемещением и вращением вакуумного держателя до совпадения топологических рисунков шаблона и пластины.

В этом положении пластина приводится в соприкосновение с шаблоном и проводится еще одна проверка на точность совмещения. При экспонировании микроскоп автоматически отводится и коллимированный луч ультрафиолетового (УФ) облучения освещает весь шаблон в течение определенного времени экспонирования. Интенсивность экспонирования на поверхность пластины, умноженная на время экспонирования, дает энергию экспонирования или дозу облучения, получаемого резистом.

Разрешение при контактной литографии. Вследствие тесного контакта между резистом и шаблоном при контактной печати достигаются очень высокие значения разрешения. В пленке позитивного резиста толщиной 0,5 мкм достаточно легко можно воспроизвести элементы схемы размером 1 мкм.

Проблемы, возникающие при контактной печати, связаны с наличием загрязнений на поверхности кремниевой пластины. Кремниевая пылинка на пластине может привести к повреждению поверхности шаблона в момент его соприкосновения с пластиной. Поврежденный участок шаблона затем воспроизводится как дефектный топологический рисунок на всех других пластинах, при экспонировании которых использован этот шаблон. Каждая пластина добавляет свои собственные повреждения поверхности шаблона.

Если при изготовлении ИС не обеспечивается необходимая чистота процесса и окружающей среды, то лишь несколько кристаллов ИС не будут иметь дефектов. Для обеспечения высокого выхода годных кристаллов СБИС плотность дефектов (число дефектов на 1 см²) должна быть меньше 1 для каждого процесса литографического переноса.

Метод бесконтактного экспонирования (см. рис. 2) схож с методом контактной печати, за исключением того, что во время экспонирования между пластиной и шаблоном поддерживается небольшой зазор шириной 10-25 мкм. Этот зазор уменьшает (но не устраняет) возможность повреждения поверхности шаблона.

1- источник света
2- оптическая система
3- шаблон
4- фоторезист
5- кремниевая пластина
6-зазор

При отсутствии физического контакта между шаблоном и пластиной перенос изображения осуществляется в дифракционной области Френеля, разрешение в которой пропорционально квадратному корню из произведения lg, где l - длина волны экспонирующего излучения, g - ширина зазора между шаблоном и пластиной. При бесконтактной печати величина разрешения составляет 2-4 мкм.

Третий метод экспонирования - проекционная печать (см. рис. 3) позволяет полностью исключить повреждения поверхности шаблона. Изображение топологического рисунка шаблона проецируется на покрытую резистом пластинку, которая расположена на расстоянии нескольких сантиметров от шаблона.

1- источник света
2- оптическая система
3- шаблон
4- фоторезист
5- кремниевая пластина

Для достижения высокого разрешения отображается только небольшая часть рисунка шаблона. Это небольшая отражаемая область сканируется или перемещается по поверхности пластины. В сканирующих проекционных устройствах печати шаблон и пластина синхронно перемещаются. С помощью этого метода достигается разрешение порядка 1,5 мкм ширины линий и расстояния между ними.

Проекционные устройства печати, в которых изображение на шаблоне перемещается над поверхностью пластины, называют системами с непосредственным перемещением по пластине или фотоштампами. При использовании этих устройств печати шаблон содержит топологию одного кристалла большого размера или нескольких кристаллов малых размеров, которые увеличены до десяти раз. Изображение этой топологии или структуры уменьшается и проецируется на поверхность пластины. После экспонирования одного элемента кристалла пластина сдвигается или перемещается на столике с интерферометрическим управлением по осям XY к следующему элементу одного кристалла, и процесс повторяется. С помощью уменьшающих проекционных фотоштампов можно получить разрешение ~1 мкм.

В большинстве современных проекционных систем печати оптические элементы являются настолько совершенными, что их характеристики точности отображения ограничены дифракционными эффектами, а не аберрацией линз. Эти устройства печати называют системами с дифракционным ограничением.

Разрешение проекционных устройств печати с дифракционным ограничением может быть приближенно оценено величиной 0,5·(l/NA), где NA - числовая апертура проекционной оптики, а l - длина волны экспонирующего излучения. Высокое разрешение (большая величина числовой апертуры) достигается при уменьшении фокусного расстояния. Например, проекционная система с NA = 0,17 и длиной волны 400 нм будет иметь предельное значение разрешения ~ 1,2 мкм и фокусное расстояние ~ 7 мкм.

Фоторезисты

В качестве негативного резиста при оптической литографии применяют циклополиизопреновый полимер, смешанный с фоточувствительным соединением. Сенсибилизатор, или фотоинициатор активируется при поглощении энергии в диапазоне длин волн 200-450 нм. Активированный сенсибилизатор передает энергию молекулам полимера, что способствует образованию поперечных связей между цепочками полимера.

Увеличение молекулярного веса полимера приводит к нерастворимости резиста в проявителе. Многочисленные реакции, снижающие растворимость резиста, происходят при каждом поглощении сенсибилизатором фотона. Кислород препятствует протеканию реакций полимеризации, поэтому экспозицию поверхности негативного резиста часто проводят в атмосфере азота.

При проявлении пленка негативного резиста разбухает, а его неэкспонированные области с низким молекулярным весом растворяется в проявителе. Этот эффект разбухания пленки уменьшает разрешающую способность негативных резистов. Как правило, минимальный разрешаемый размер элемента в три раза больше толщины пленки негативного резиста.

Позитивные резисты также состоят из основного полимерного материала и фотосенсибилизатора, но абсолютно по-другому реагируют на воздействие экспонирующего облучения. Сенсибилизатор нерастворим в водном растворе проявителя и, следовательно, предотвращает растворение основного полимерного материала.

В области экспонирования сенсибилизатор поглощает энергию облучения и становится растворимым в водной среде. Различие в растворимости экспонированных и неэкспонированных участков резиста приводит к проявлению изображения в позитивном резисте. В отличие от негативного резиста проявитель не пропитывает всю пленку и она не набухает. В результате этого разрешающая способность позитивных резистов выше, чем негативных.

Сравнение резистов. Негативные резисты, обладая меньшей разрешающей способностью по сравнению с позитивным, имеют более высокую чувствительность (см. рис. 1) и их использование позволяет экспонировать большее количество пластин в час. Позитивные резисты, хотя и обладают более высокой разрешающей способностью, проявляются значительно медленнее, что приводит к уменьшению производительности и увеличению стоимости ИС. Следовательно, при определении типа используемого резиста необходимо делать выбор между разрешением и производительностью.