Лабораторная работа № 4 изучение технологического процесса изготовления плат на подложках из поликора без резисторов с покрытием химическим оловом

Цель работы:

1. Изучить теоретические основы фотолитографического процесса.

2. Получить основные практические навыки работы на фотолитографическом оборудовании и с жидким сухим пленочным фоторезистом.

3. Познакомиться и практически закрепить типового технологического процесса изготовления плат на подложках из поликора без резисторов с покрытием химическим оловом.

Оборудование и материалы: Лабораторное оборудование для проведения операций фотолитографии, установку экспонирования, микроскоп МБС.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Оптическая литография объединяет в себе такие области науки, как оптика, механика и фотохимия. При любом типе печати ухудшается резкость края (рисунок. 4.1). Проецирование двумерного рисунка схемы ведет к уменьшению крутизны края, поэтому нужен специальный резист, в котором под воздействием синусоидально модулированной интенсивности пучка будет формироваться прямоугольная маска для последующего переноса изображения травлением. Если две щели размещены на некотором расстоянии друг от друга, то неэкспонируемый участок частично экспонируется по следующим причинам:

• дифракция;

• глубина фокуса объектива;

• низкоконтрастный резист;

• стоячие волны (отражение от подложки);

• преломление света в резисте.

Рисунок 4.1 - Профили распределения интенсивности в изображения для случаев контактной печати, печати с зазором и проекционной литографии

Таким образом, задача фотолитографии заключается в том, чтобы обеспечить совмещение и воспроизвести в резисте двумерный рисунок фотошаблона с точностью в пределах ±15% от номинального размера его элементов и с 5%-ным допуском на требуемый наклон краев. Послойное совмещение приборных структур должно осуществляться с точностью не хуже ±25% от размера минимального элемента. Используемые в фотолитографии источники экспонирующего излучения бывают как точечными (лазеры), так и протяженными (ртутные лампы). Спектр излучения этих источников лежит в трех основных спектральных диапазонах: Дальний УФ от 100 до 200-300 нм. Средний УФ от 300 до 360 нм. Ближний УФ от 360 до 450 нм.

Современные литографические процессы.

Плотность элементов в кристалле ИМС достаточно велика и к настоящему времени существенно превысила рубеж 100000. Это достигнуто за счёт уменьшения минимального геометрического размера, который уже составляет величину порядка 1 мкм. Последнее обстоятельство связано с усовершенствованием в первую очередь таких технологических процессов как литография, плазменное травление и локальное окисление.

Процессы легирования, а также наращивания слоев различных материалов призваны сформировать вертикальную физическую структуру ИМС. Необходимые форма, размеры, элементов и областей в каждом слое структуры обеспечиваются процессом фотолитографии.

Разработчики ряда зарубежных фирм считают, что в технологии СБИС на современном уровне с успехом можно использовать оптическую литографию (фотолитографию). Её предельные возможности оцениваются в 2 мкм, хотя предполагают, что доступно достижение линий микронной ширины. Известно, что разрешающая способность литографического процесса не может быть меньше длины волны света, используемого для экспонирования. Для фотолитографии этот предел составляет 0,5 мкм при использовании когерентного яркого источника света с длиной волны 200 нм при длительном экспонировании. Возможности оптической литографии определяются в большей степени точностью совмещения и разбросом рабочих параметров аппаратуры. Успешно работает аппаратура, дающая 2 мкм при фотолитографии с малым зазором на пластинах диаметром более 100 мм. Такую же разрешающую способность имеет рентгеновская литография с зазором. Электронно-лучевая литография даёт разрешение 0,4 мкм, но из-за высокой стоимости и низкой производительности используется лишь для изготовления фотошаблонов и специальных ИС.

В результате полагают, что в течение ближайших лет оптическая литография останется основным технологическим методом формирования рисунков БИС. Использование когерентного света в дальнем ультрафиолете и фоторезистов, чувствительных к свету с длиной волны 0,24 мкм, а также применение лазерных устройств совмещения позволит достичь разрешения в 1 мкм. В таблице 4.1 приведены основные параметры, используемых в технологии БИС литографических процессов, а на рисунке 4.2 показана взаимосвязь минимального размера со стоимостью технологического процесса.

Традиционно классическим процессом является контактная фотолитография, при которой фотошаблон непосредственно соприкасается с полупроводниковой пластиной, на поверхность которой нанесён фоторезист. Основным недостатком контактной фотолитографии является ограниченное число циклов контактирования (как правило не более 70-80) и уменьшение выхода годных по циклам. Однако современный уровень контактной фотолитографии достаточно высок и в условиях серийного производства составляет 3 мкм. Установки с номинальными 3 мкм – проектными нормами успешно применяют для изготовления БИС с минимальным размером всего 2,5 мкм.

Параллельно интенсивно реализовался переход от контактной фотолитографии и литографии с зазором к проекционной фотолитографии, где экспонирование осуществляется через промежуточный шаблон, отстоящий от пластины на несколько мм, причём иногда с уменьшением размеров при проецировании.

Таблица 4.1 - Основные параметры литографических процессов

Способ литографического процесса	Минимальная ширина линии, мкм	Ошибка совмещения, мкм
Контактная фотолитография λ=360-460 нм	1,25 – 1,5	0,25-1,0
Проекционная фотолитография λ=360-460 нм	0,75-1,0	0,1-0,2
Электронная литография λ=50-100 нм	0,25	0,03
Рентгеновская литография λ=0,1-10 нм	0,5	0,03-0,05

Рисунок 4.2

Взаимосвязь минимального размера со стоимостью его реализации различными литографическими процессами.

Современные системы проекционной литографии в масштабе 1:1 рассчитаны на 1 мкм топологическую проектную норму и предусматривают, на пример, обработку пластин диаметром 125 мм при точности совмещения рисунков всех слоёв не хуже ±0,25 мкм.

Фоторезисты.

Фоторезисты – это светочувствительные и стойкие к агрессивно воздействующим факторам вещества, представляющие собой сложные полимерно-мономерные системы, в которых под действием излучения протекают фотохимические процессы. Под действием света в таком синтетическом полимере происходит либо структурирование (сшивание), либо деструкция (разрушение) молекулярных цепей. В первом случае Фоторезисты называют негативными, а во втором – позитивными. Современные позитивные Фоторезисты (ФП) – это сложные эфиры нафтохинондиазидов сульфокислоты и фенолформальдегидных смол. Условно его структуру можно представить как R₁-O-R₂, где R₁ и R₂ –светочувствительная и полимерная составляющие части фоторезиста соответственно, а О - соединяющий их кислород.

Критерием применимости фоторезиста являются его чувствительность, разрешающая способность и кислотостойкость.

Чувствительность фоторезиста – это величина, обратная экспозиции, т.е. освещённости, помноженной на время. При этом чувствительность позитивного фоторезиста – это полнота разрушения освещённых участков плёнки. Чувствительность для негативного фоторезиста ФН – наоборот, закрепление после экспонирования и проявления локальных участков плёнки фоторезиста, подвергнутых освещению. В обоих случаях необходимо обеспечить чёткость изображения, т.е. резко очерченную границу между областями удалённого при проявлении и оставшегося фоторезиста. Граница поглощения фоторезиста – 0,28-0,4 мкм (ультрафиолетовая область спектра излучения).

Разрешающая способность фоторезиста – это число линий равной толщины, которые могут быть получены (без слияния) на 1 мм поверхности пластины в результате процесса фотолитографии.

где L – ширина линии в мкм.

Для получения рисунка с элементами ИС размером ~5-7 мкм, применённый фоторезист должен иметь R ≥ 500 лин/мм. Разрешающая способность фоторезиста зависит от минимальной толщины плёнки фоторезиста, способной выдержать воздействие агрессивной среды. Отношение толщины плёнки к минимальной ширине линий для лучших негативных фоторезистов составляет 1:2-1:3, в то время как для позитивных – 1:1. Лучшая разрешающая способность позитивных фоторезистов позволяет использовать их при изготовлении СБИС.

Кислотостойкость – это устойчивость фоторезиста к воздействию травителей на основе азотной, плавиковой, соляной и др. кислот. Критерием кислотостойкости служит величина краевого и локального растравливания. Её обычно оценивают по величине клина, образующегося на краю плёнки после травления.

Важным фактором, влияющим на разрешение литографического процесса в целом, является контрастность изображения. Для улучшения контрастности после операции экспонирования до проявления фоторезист сушат, чем достигается его однородная плотность. Кроме этого, возможно применение антиотражающих покрытий для исключения внутреннего отражения в плёнке фоторезиста. Это явление возникает из-за того, что отражённый поток интерферирует с проходящим светом, вызывая дополнительную засветку в местах, защищённых непрозрачными участками фотошаблона. В результате образуется так называемый "ореол", вызывающий нерезкость и неровность края изображения.

Для нанесения равномерного слоя фоторезиста малой толщины на сильно рельефную ступенчатую поверхность используют многослойные Фоторезисты, например, двухслойные. В этом случае сначала экспонируют и проявляют верхний тонкий 0,2-0,4 мкм слой фоторезиста, а затем с помощью реактивного ионного травления переносят рисунок на второй более толстый слой фоторезиста. Использование 3-х слойной структуры, например, фоторезист - SiOsub>2 - фоторезист, позволяет при толщине 1,6 мкм получать линии шириной 0,4 мкм. Многослойные фоторезисты можно применять для получения линий субмикронного размера.

Контактная фотолитография.

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 рисунок 4.3.

Рисунок 4.3 - Схематическое изображение клина травления в защитном слое SiO₂

При наличии клина размеры диффузионной области дополнительно увеличиваются и могут быть определены из следующего выражения

d_диффуз = d_окна + 2×h_диффуз×(1+k/10L),

где h_диффуз – 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 b_min=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".

Процесс контактной фотолитографии состоит из следующих операций:

• подготовка поверхности исходной подложки;

• нанесение на подложку слоя фоторезиста;

• первая сушка фоторезиста — пленкообразование;

• совмещение рисунка фотошаблона с рисунком на исходной подложке (если процесс фотолитографии повторяется с изменением фотошаблона);

• экспонирование фоторезиста контактным способом;

• проявление фоторезиста;

• вторая сушка фоторезиста — полимеризация;

• контроль рельефа рисунка в пленке фоторезиста;

• травление подложки;

• снятие пленки фоторезиста с поверхности подложки;

• контроль рельефа рисунка в подложке.