2 Фоторезисты

Фоторезисты представляют собой сложные полимерные композиции, в составе которых имеются

фоточувствительные и пленкообразующие компоненты,

растворители

и специальные добавки.

Последние вводят для улучшения условий пленкообразования (разбавители), изменения фоточувствительности (сенсибилизаторы), повышения адгезии фоторезистивного слоя к подложкам, улучшения стойкости к воздействиям кислот, щелочей, высоких температур и др. Растворители определяют стабильность свойств готовых фоторезистов, влияют на процесс нанесения и последующее высыхание фотослоя.

Под влиянием излучения в фоторезисте происходят фотохимические процессы, в результате которых растворимость экспонированных участков может возрастать, а может снижаться. По этому признаку фоторезисты разделяют на негативные и позитивные.

Негативные фоторезисты под действием излучения переходят в нерастворимое состояние. После проявления в местах, которые соответствуют прозрачным участкам фотошаблона, негативный фоторезист образует защитные участки, стойкие к воздействию травителей (кислотных или щелочных). После локальной засветки будут удаляться неэкспонированные участки (рис. 3,б).

Негативные фоторезисты изготавливают на основе поливинилциннамата или на основе каучуков. Поливинилциннамат (ПВЦ) представляет собой сложный эфир циннамоильной кислоты и поливинилового спирта и имеет общую формулу R₁-О-R₂, где R₁ - фоточувствительная циннамоильная группа; R ₂ - пленкообразующая часть поливинилового спирта; О - соединяющий их атом кислорода.

При поглощении квантов излучения наиболее слабые в светочувствительных частях молекул химические связи СН=СН разрываются. За счет освободившихся связей происходит фотоструктурирование, т. е. поперечное сшивание молекул ПВЦ в трехмерную сетку. Негативные фоторезисты на основе каучука наиболее часто представляют собой механическую смесь циклокаучука и бис-азида. Циклокаучук является полимерной основой и обладает слабой фоточувствительностью. Под действием облучения азиды распадаются на азот и нитрен. Нитрен, находящийся в возбужденном состоянии, вступает в химическое взаимодействие с каучуком, в результате происходит сшивание линейных полимеров каучука образующимися свободными радикалами.

В позитивных фоторезистах излучение разрушает полимерные цепочки, и при проявлении будут растворяться экспонированные участки (рис 4,б). Слой фоторезиста, оставшийся на поверхности, в точности повторяет рисунок оригинала, через который проводилось экспонирование фоторезиста.

Позитивные фоторезисты изготавливают на основе фоточувствительных нафтохинондиазидов и фенолформальдегидных смол, являющихся пленкообразующими полимерами. Молекула позитивного фоторезиста, сокращенно НХД, имеет строение R₁-О-R₂, где R₁ и R₂ - светочувствительная и полимерная части, О - соединяющий их атом кислорода. При поглощении квантов облучения молекула НХД распадается на азот и неустойчивый радикал, который превращается в инденкарбен; инденкарбен присоединяет всегда имеющуюся в фоторезисте влагу, образуя инденкарбоновую кислоту.

Облученные участки фотослоя, в отличие от необлученных, становятся гидрофильными, хорошо смачиваются и удаляются щелочными проявителями.

Рисунок 4– Формирование защитного слоя с помощью позитивного фоторезиста: а – экспонирование фоторезиста; б – рисунок на фоторезисте; в – рисунок, полученный травлением

Свойства фоторезистов характеризуются следующим основными параметрами: чувствительностью к излучению, разрешающей способностью, кислотостойкостью.

Негативные фоторезисты имеют наибольшую чувствительность к длине волны света 0,28 мкм (ультрафиолет). Максимальная чувствительность позитивных фоторезистов находится в диапазоне более длинных волн (до 0,45 мкм – видимое излучение).

Разрешающая способность слоя фоторезиста определяется как число задубленных линий на 1 мм, разделенных свободными от резиста промежутками

, ,

где Δ - минимальная ширина линии раздельно передаваемой, мкм.

Разрешающая способность ограничивается принципиально длиной полимера в резисте, длиной волны экспонирующего излучения, предельными возможностями оптической системы, и техническими факторами, которые обусловливаются уровнем технологии.

Основным физическим фактором, ограничивающим разрешающую способность, является дифракция света. Предельная раздельная способность фотолитографии определяется дифракционным критерием Релея. Соответственно нему минимальная ширина линии составляет

,

где А – числовая апертура оптической системы;

λ – длина волны света, которым экспонируют;

α – апертурный угол выхода, угол между крайними лучами пучка; который входит в отверстие объектива со стороны изображения;

n – коэффициент преломления света среды.

Из этой формулы следует, что теоретическая граница оптического разрешения фотолитографии для видимого света _мин=0,15 мкм, а для ультрафиолетового - _мин=0,11 мкм. На практике величина  значительно больше, так как возникают искажения в оптической системе – это аберрация (искажение рисунка), астигматизм (искажение рисунка по одной из координат) и др.

Разрешающая способность зависит от толщины слоя. При уменьшении толщины слоя фоторезиста разрешающая способность повышается, но одновременно ухудшаются его защитные свойства, увеличивается вероятность возникновения проколов (сквозных пор). Толстые слои фоторезиста имеют небольшую разрешающую способность. Это поясняется набуханием пленки фоторезиста при проявлении и как следствие этого, её деформация, разрушением связей между пленкой и подложкой и, как следствие - сдвиг пленки, изменение формы и размеров элементов рисунка. Поэтому рекомендуется толщина слоя фоторезиста от 0,3 до 0,8 мкм. Разрешающая способность используемых фоторезистов составляет 2000 лин/мм при толщине 0,2...0,3 мкм.

Разрешающая способность процесса фотолитографии значительно хуже чем разрешающая способность фоторезиста. На каждой стадии процесса фотолитографии действуют факторы, искажающие рисунок фотошаблона.

На этапе экспонирования размеры элементов изменяются вследствие дифракции, интерференции, рассеяние и отражение света в системе подложка – фотошаблон. Эти факторы вызывают уменьшение четкости границы раздела участков, покрытых фоторезистом и свободных от него, после проявления.

На этапе проявления и задубливания искажение размеров обусловлено набуханием слоя фоторезиста и усадкой маски при последующих термообработках.

На этапе жидкостного травления происходит дальнейшее изменение размеров элементов в результате бокового подтравливания под фоторезистивную маску.

В связи с этим существует понятие разрешающая способность фотолитографического процесса. Ее оценивают максимальным числом линий раздельно воспроизведенных параллельных отверстий в форме полосок в маске SiО₂ в пределах 1 мм.

На практике разрешающую способность часто характеризуют значением .

В массовом промышленном производстве  определяет минимальные топологические размеры, то есть минимальные размеры областей слоёв в кристалле или на его поверхности и расстояний между ними.

На практике n = 1; sin =0,95; λ=0,4 мкм и предельная разрешающая способность оптической контактной и проекционной фотолитографии составляет 0,25 мкм.

Разрешающая способность позитивных фоторезистов выше, чем негативных. Это обусловлено более резкими границами между облученными и необлученными участками фоторезиста после процесса проявление.

Экспонирование в области глубокого ультрафиолета (0,15...0,3 мкм) когерентными источниками излучения (лазером) и применение сухих методов травления (например, плазмохимического) позволяет значительно повысить разрешающую способность фотолитографии. В современных серийно-выпускаемых СБИС достигнут минимальный топологический размер 0,09 мкм.

Кислотостойкость определяет способность фоторезиста не реагировать на воздействия агрессивных травителей после проведения процессов экспонирования, проявление, задубливания. Кислотостойкость определяется временем в течении которого начинается разрушение или отслаивание пленки под влиянием травителя, а также качеством полученных структур после травления.

Подготовка подложек. Для получения фоторезистивных масок с соответствующими защитными свойствами, раздрешающей способностью, адгезией к подложке осуществляют обезжиривание, физико-химическую обработку или плазмохимическую обработку. Операции фотолитографии проводятся в промежутках между операциями окисления, эпитаксии, диффузии, ионного легирования. Поэтому для лучшей очистки поверхности подложки применяют сухую очистку плазмохимическим методом.