4. Окисление поверхности эпитаксиального слоя для создания защитной маски при разделительной диффузии.

Процесс окисления заключается в образовании окиси кремния, который получается при нагревании его поверхности в присутствии кислорода. Термически выращенный окисел SiO₂ обладает наилучшими маскирующими свойствами и высокимы электрическими параметрами. Склонность окиси кремния к стеклообразованию способствует получению беспористой плёнки. Хорошо растворяясь в плавиковой кислоте, SiO₂ в то же время практически стабильна по огтношению к смесям HF+HNO₃ , что позволяет эффективно использовать её в качестве маски при селективном травлении кремния.

Процесс окисления выполняют в эпитаксиальных установках или в однозонных диффузионных печах со специальными газораспределительными устройствами. При окислении образуются химические связи между атомами и ионами поверхностного слоя кремния и атомами кислорода, в результате чего плотность поверхностных состояний уменьшается на несколько порядков по сравнению с атомарно-чистой поверхностью.

5. Фотолитография для вскрытия окон под разделительную диффузию.

Разработка конструкции фотошаблонов. Фотошаблон представляет собой плоскопараллельную стеклянную пластину с нанесенным на поверхность непрозрачным рисунком элементов топологического слоя ИМС. Стеклянная основа фотошаблона при толщине до 10 мм не должна заметно поглощать ультрафиолетовое излучение и вызывать изменений размеров элементов рисунка и их относительного расположения в результате нагрева. В качестве материала основы используют оптические марки К-8 или кварцевые оптические марки КУ-1 и КУ-2 стекла, имеющие высокую прозрачность в ультрафиолетовой области спектра. Покрытие должно быть износостойким, чтобы выдерживать большое число циклов контактной печати без возникновения дефектов рисунка. Толщину покрытия выбирают в пределах 0.08-0.12 мкм

При разделительной диффузии нам необходимо ограничить область резистора от соседних элементов ИМС. Как следует из геометрического расчета, габаритные размеры резистора:

(L + 2L₂) х (a) = (65.6 мкм + 2*25 мкм) х 25 мкм = 115.6 х 25 мкм

Внутренний размер же фотошаблона (при использовании негативного фоторезиста это будет та область, в которую проводится диффузия) должен быть несколько больше (см. рис.). Внешний размер фотошаблона возьмем на 10 мкм больше внутреннего. В результате получится конструкция следующего вида:

Рис.8. Часть шаблона под разделительную диффузию.

Причем это не весь фотошаблон, а только тот его участок, который предназначен для изолирования именно этого диффузионного резистора, т.к. процесс изолирования областей под отдельные элементы ИМС должен проходить в один этап.

При диффузии примеси р-типа и вскрытии контактных окон размеры фотошаблона должны строго совпадать с размерами резистора, так как именно диффузия акцепторной примеси определяет реальные размеры резистора:

Рис.9. Часть шаблона под диффузию р-примеси.

Фотошаблон для вскрытия контактных окон:

Рис.10. Часть фотошаблона для вскрытия контактных окон.

Технология процесса

Перенос рисунка фотошаблона в поверхностный слой пластины происходит в три стадии: экспонирование фотослоя через фотошаблон и образование скрытого изображения; проявление и задубливание рисунка, т.е. формирование защитной фотомаски; травление поверхностного слоя пластины на незащищенных участках.

Процесс формирования рельефа в поверхностном слое пластины будем проводить с помощью негативного фоторезиста ФН-106. Схема этого процесса представлена на рис.11.

1. Экспонирование

2. Проявление фотомаски

3. Травление и удаление фотомаски

а)

б)

Рис.11. Процесс формирования рельефа в поверхностном слое пластины.

в)

1 – УФ излучение

2 – Фотошаблон

3 – Слой фоторезиста

4 – Поверхностный слой на пластине

5 – Пластина

Этапы подготовки пластины перед нанесением фотослоя:

1. удалить молекулы воды (прогревом пластин при 700 – 800 ºС в сухом инертном газе)

2. повысить гидрофобность (путем погружения пластин в 10%-й раствор диметилдихлорсилана в обезвоженном трихлорэтилене на 1 мин и последующей промывки пластин в трихлорэтилене в течение 1 мин и термообработки при 400 ºС в течение 30 мин)

3. провести эффективную и безопасную очистку в эмульсии «фреон – вода - ПАВ» на первом этапе и в чистом фреоне на втором

Нанесение и сушка фотослоя. Для осуществления этого процесса в помещении необходимо обеспечить обеспыленную атмосферу 1-го класса. Для нанесения фотослоя применяем метод распыления, осуществляемый на полуавтомате для нанесения фоторезиста распылением ПНФ-1Р, схема которого представлена на рис.12.

Рис.12. Схема компоновки полуавтомата ПНФ-1Р:

1 – Основание

2 – Подвижный стол с пластинами

3 – Подвижная форсунка

4 – Внутренний защитный кожух

5 – Общий защитный кожух

В качестве инжектирующего газа используем пары фреона-113, которые из-за своей большой молекулярной массы позволяют существенно снизить давление.

Просушивать нанесенный фотослой в нашем случае целесообразно инфракрасной сушкой, источником теплоты при которой является полупроводниковая пластина, поглощающая ИК-излучение, тогда как окружающая среда сохраняет примерно комнатную температуру благодаря непрерывной продувке. При данном методе качество сушки существенно выше, чем при конвективной сушке, но в то же время она значительно дешевле и технологичнее, чем СВЧ-сушка.

Время сушки – 10 мин, допустимая температура – не более 120 ºС, высушенный слой экспонировать не позднее чем через 10 ч.

После сушки необходимо провести совмещение с фотошаблоном и экспонирование.

Совмещение рисунков фотошаблонов и пластины выполняют в два этапа:

1. Грубое совмещение осуществляют в пределах всего поля пластины с помощью контрольных модулей – пустых кристаллов, что позволяет практически исключить разворот пластины относительно фотошаблона.

2. Точное совмещение производят в пределах модуля с помощью специальных знаков совмещения.

Рис.13. Совмещение фотошаблона с пластиной:

1 – Групповой фотошаблон

2 – Контрольный модуль

3 – Групповая пластина

4 – Базовый срез пластины

5 – Знак совмещения в модуле пластины

6 – Знак совмещения в модуле шаблона

Предельная погрешность совмещения:

Δ_с = ± (Δ_п + Δ_ш + Δ_и + Δ_t) = ± 1.5 мкм

где Δ_п – погрешность знака совмещения на пластине, ± 0.4 мкм

Δ_ш – погрешность знака совмещения на шаблоне, ± 0.35 мкм

Δ_и – инструментальная погрешность совмещения, ± 0.5 мкм,

Δ_t – погрешность шага, возникающая в процессе изготовления групповых фотошаблонов, ± 0.25 мкм

Для выполнения этих операций необходимо использовать установку полуавтоматического совмещения и экспонирования УПСЭ-4.

Проявление и термообработка фотомаски. В процессе проявления избирательно растворяются участки фотослоя – в нашем случае при использовании негативного фоторезиста – неэкспонированные. Будем использовать особенно эффективный способ проявления – пульверизационный (струйный) (рис.14), который облегчает автоматизацию процесса и позволяет объединить его с последующими операциями отмывки и сушки в едином агрегате. Для проявления: температура 20 ºС, рН 12.4, для сушки: время 1ч, максимальная температура 150 ºС, повышение температуры проводить ступенчато в три этапа.

Рис.14.Схема центрифуги для струйного проявления:

1 – Полый ротор

2 – Днище камеры с отверстием для сброса реактивов

3 – Струйная форсунка сушки

4 – Пневматические форсунки проявления и промывки

5 – Платформа с пластинами

6 – Съемная крышка

Травление слоя окиси кремния – в буферном травителе, содержащем плавиковую кислоту (40%) для реакции:

SiO₂ + 4HF → SiF₄ + 2H₂O

Выделяющийся при этом газообразный четырехфтористый кремний связывается в SiF₆ и не приводит к растрескиванию и отслаиванию фотомаски по контуру рисунка благодаря наличию в составе травителя фтористого аммония NH₄F (48%). Оставшаяся доля в травителе – вода. Использовать автомат химической обработки полупроводниковых пластин АФОП, позволяющий проводить травление, отмывку и сушку.

Удаление фотомаски проводим воздействием концентрированной серной кислотой при 160 ºС. При этом имеет место химическая деструкция фоторезиста. Для удаления фоторезистивных масок использовать полуавтомат «Плазма-600» или подобные.