Совмещение и экспонирование являются наиболее ответственными операциями процесса фотолитографии.

Перед экспонированием слоя фоторезиста фотошаблон следует правильно сориентировать относительно подложки у рисунка предыдущего слоя. Для полного формирования струю туры полупроводникового прибора или ИМС необходим комплект фотошаблонов со строго согласованными топологическими рисунками элементов.

При первой фотолитографии, когда поверхность подложек еще однородна, фотошаблон ориентируют относительно базового среза подложки. При последующих фотолитографиях, когда на подложках сформированы топологические слои, рису­нок фотошаблона ориентируют относительно рисунка предыду­щего слоя.

Совмещают рисунки фотошаблона и подложки в два эта па. На первом этапе с помощью реперных модулей ЎЄ "пустых кристаллов" выполняют грубое совмещение в пределах всего поля подложки. На втором этапе с помощью микроскопа в пределах единичного модуля по специальным знакам - фигу­рам совмещения, предусмотренным в рисунке каждого тополо­гического слоя, выполняют точное совмещение. Форму фигур совмещения (кресты, круги, квадраты) выбирают в зависи­мости от типа используемого при фотолитографии фоторезис­та (Рисунок 7.3.6,а - в).

Рисунок 7.3.6. Фигуры совмещения на фотошаблонах (I) и подложках после второй (II) и четвертой (III) фотолитографии:

а - концентрические окружности, б ЎЄ вложенные квадраты, в - биссекторные знаки

Сложность операции совмещения состоит в том, что прихо­дится с высокой точностью совмещать элементы малых разме­ров на большой площади. Для этого увеличение микроскопа должно быть не менее 200 раз. Современные установки обеспе­чивают точность совмещения 0,25 ЎЄ 1 мкм. Точность совме­щения последовательных рисунков зависит от следующих факторов:

точности совмещения фотошаблонов в комплекте;

точности воспроизведения форм и размеров элементов рисунков в процессе фотолитографии;

качества подложек и слоев фоторезиста;

совершенства механизма совмещения установки;

разрешающей способности микроскопа;

соблюдения температурного режима.

Существует два метода совмещения фотошаблонов с под­ложками:

визуальный, при котором, выполняя совмещение, наблю­дают за контрольными отметками в микроскоп; при этом точность совмещения составляет 0,25 ЎЄ 1 мкм и зависит от возможностей установки;

автоматизированный фотоэлектрический с помощью фото­электронного микроскопа, обеспечивающий точность совме­щения 0,1 ЎЄ 0,3 мкм.

При контактной фотолитографии операцию совмещения выполняют с помощью специального механизма совмещения микроизображений (Рисунок 7.3.7), основными элементами которого являются предметный шаровой столик 1 со сферическим осно­ванием - гнездом 2, рамка 16 для закрепления фотошаблона 15 и устройство перемещения рамки и поворота предметного столика.

Предварительно подложку размещают на предметном сто­лике так, чтобы слой фоторезиста был сверху, и закрепляют фотошаблон в подвижной рамке над поверхностью подложки 14. Между подложкой и фотошаблоном должен быть зазор для свободного перемещения рамки. Для совмещения рисунков на фотошаблоне и подложке передвигают рамку с фотошаблоном в двух взаимно перпендикулярных направлениях в плоскости подложки и поворачивают предметный столик с подложкой вокруг вертикальной оси.

Современные установки совмещения и экспонирования представляют собой сложные оптико-механические комплексы. Точность совмещения и производительность зависят от выбран­ного метода совмещения - визуального или фотоэлектричес­кого.

В отечественных установках контактного совмещения и экспонирования (ЭМ-576, ЭМ-5006) используется принцип контактной печати с наложением фотошаблона на подложку. При идеальной плоскостности фотошаблона и подложки пере­дача изображения осуществляется с минимальными искажени­ями при большой производительности.

После выполнения совмещения (Рисунок 7.3.8, а) подложку прижимают к фотошаблону и экспонируют слой фоторезиста (Рисунок 7.3.8, б). Основной целью экспонирования является высо­коточное воспроизведение слоем фоторезиста всех элементов топологии полупроводниковых приборов или ИМС. Правиль­ность экспонирования влияет на качество переноса изображе­ния с фотошаблона на слой фоторезиста.

1,2 ЎЄ предметный столик и его гнездо, 3 - направляю­щие, 4 ЎЄ микроза­зор, 5 ЎЄ штифт, 6 ЎЄ регулировочный винт, 7, 10 - ди­афрагмы, 8, 11 -камеры, 9 - фикса­тор, 12, 13 -трубо­проводы, 14 ЎЄ под­ложка, 15 ЎЄ фото­шаблон, 16 ЎЄ рамка

При контактном экспонировании ультрафиолетовое излу­чение проходит через фотошаблон и попадает на слой фоторёзиста. Следовательно, передача элементов рисунка на слое фото­резиста зависит от оптической плотности темных и светлых участков рисунка фотошаблона, резкости и ровности их краев и коэффициента отражения металлизированного слоя фото­шаблона.

Рисунок 7.3.8. Схемы совмещения (а) и экспонирования (б) :

1 - предметный столик, 2 - подложка, 3 - слой фоторезиста, 4 - фото­шаблон, 5 ЎЄ микроскоп, 6 ЎЄ затвор, 7 - конденсор, 8 - источник света; z - зазор между фотошаблоном и подложкой
Важной частью установки совмещения и экспонирования является микроскоп. Отечественные установки оснащены дву­польным микроскопом с увеличением до 300 раз, в который одновременно можно наблюдать изображение двух модулей в разных точках подложки. Этот микроскоп позволяет плавно изменять увеличение сменой объективов.

Как уже отмечалось, совмещение и экспонирование выпол­няют на одной установке (Рисунок 7.3.9), при этом подложка 9 с помощью подающей кассеты 1 перемещается по конвейеру 2 в устройство совмещения 3, где точно ориентируется относитель­но фотошаблона 4 при наблюдении в микроскоп 5. После сов­мещения микроскоп автоматически отводится в сторону, на его место устанавливается осветитель 6 и проводится экспони­рование. Затем подложка подается в приемную кассету 8 и по конвейеру 7 перемещается на операцию проявления.

Осветитель состоит из источника света, оптического уст­ройства для создания равномерного светового потока и зат­вора-дозатора актиничного излучения.

Рисунок 7.3.9. Установка совмещения и контактного экспонирования:

1, 8 ЎЄ подающая и приемная кассеты, 2, 7 ЎЄ конвейеры, 3 - уст­ройство совмещения, 4 ЎЄ фотошаблон, 5 ЎЄ микроскоп, 6 ЎЄ осве­титель, 9 ЎЄ подложки

В качестве источника света обычно применяют ртутно-кварцевую лампу высокого давления ДРШ-350 или ДРШ-500, создающую мощный световой поток. Излучение такой лампы лежит в основном в ультрафиолетовой области спектра (330 ЎЄ 440 нм).

Оптическое устройство создает поток параллельных лучей, равномерно освещающих подложку. Разброс освещенности в пределах рабочего поля подложки не должен превышать 5 %. ' При работе на установке необходимо принимать меры по за­щите глаз от прямого попадания ультрафиолетового излучения.

Система затворЎЄдозатор обеспечивает точность дозы при экспонировании не хуже 5 %.

Режимы проявления слоя фоторезиста зависят от времени экспонирования. Необходимую экспозицию устанавливают, учитывая тип и светочувствительность фоторезиста, а также толщину его слоя. Оптимальную дозу излучения, обеспечиваю­щую наилучшую четкость изображения, получаемого после проявления, определяют экспериментально.

Качество изображения оценивают визуально по наиболее мелким элементам топологии или специальным контрольным знакам-элементам, предусмотренным в нем. Поскольку зазор между шаблоном и подложкой, а также освещенность распре­делены по рабочему полю неравномерно и носят случайный характер, качество изображения контролируют на разных участ­ках подложки.

Наличие зазора между фотошаблоном и подложкой вызы­вает дифракционные явления, что приводит к искажению формы и размеров элементов и обусловлено проникновением света в область геометрической тени. Чтобы уменьшить влияние диф­ракции при экспонировании, необходимо фотошаблон плотно прижимать к подложке для исключения зазора между ними или сведения его к минимуму.

Важным оптическим эффектом при экспонировании явля­ется прохождение ультрафиолетового излучения через пленку фоторезиста. Световой поток, проходя через слой фоторезиста, рассеивается в нем, а достигая подложки, отражается от нее и возвращается обратно в слой фоторезиста. Дойдя до поверх­ности фотошаблона, световой поток отражается под углом от его металлизированных непрозрачных участков и через про­зрачные участки попадает в слой фоторезиста на подложке.

Эти отражения светового потока приводят к нежелательно­му дополнительному экспонированию участков слоя фоторезис­та, находящегося под непрозрачными участками фотошаблона. Интенсивность отраженного потока света зависит от коэффици­ентов отражения подложки и фотошаблона. Для снижения эффекта отражения при контактной фотолитографии исполь­зуют цветные оксидные фотошаблоны, имеющие малый коэф­фициент отражения.
Обработка подложек. Заключительным этапом процесса фотолитографии является фор­мирование топологии рельефного рисунка на подложках в технологи­ческом слое (маскирующей, изолирующей, защитной диэлектрической или проводящей металлической пленке) травлением с последующими удалением слоя фоторезиста и очисткой подложек. Эти операции осу­ществляют химическим жидкостным или плазменным "сухим" трав­лением.

В связи с тем что процессы травления являются завершаю­щими в формировании элементов полупроводниковых прибо­ров и ИМС, они оказывают решающее влияние на электрические параметры этих изделий и выход годных и должны обеспечи­вать:

минимальные погрешности размеров элементов рисунка и наименьшее количество дефектов;

полное удаление материала на участках, не защищенных слоем фоторезиста, а также продуктов реакции;

возможность управления режимами обработки.

Химическое жидкостное травление основано на растворении в хи­мических реагентах не защищенных фоторезистивной маской участ­ков технологического слоя и состоит из следующих стадий: диффузии и адсорбции молекул травителя к поверхности подложки; химической реакции; десорбции продуктов реакции и удаления их в раствор.

Скорость травления зависит от наиболее медленной стадии и, кроме того, определяется составом травителя, его темпера­турой, а также структурой технологического слоя.

Используемые химические травители должны обладать следующими свойствами:

селективностью (избирательностью), т. е. способностью активно растворять основной технологический слой, не взаи­модействуя с фоторезистивной маской и другими нижележащи­ми слоями;

не образовывать продуктов реакции, способствующих от­слаиванию фоторезиста по контуру элементов рисунка и подтравливанию;

допускать возможность подбора оптимальной для данных условий скорости травления, обеспечивающей минимальную плотность дефектов полученного рисунка.

Процесс химического жидкостного травления, как правило, изотропен, т. е. имеет одинаковую скорость во всех направлени­ях. Участки подложки, не защищенные пленкой фоторезиста, травятся не только вглубь, но и в стороны, т. е. происходит так называемое боковое подтравливание, что приводит к изме­нению линейных размеров элементов рисунка. По боковому подтравливанию судят о качестве процесса травления и форми­рованию клина травления. Изменение размеров элементов рисунка не должно превышать допусков, указанных в ТУ.

При плохой адгезии слоя фоторезиста травитель может проникать под него на значительное расстояние и в этом случае боковое подтравливание l становится недопустимо большим. При хорошей адгезии фронт бокового травления (клин трав­ления) имеет форму дуги (Рисунок 7.3.10, а). Клин травления зависит от скорости процесса, адгезии защитной маски фоторезиста к подложке, толщины вытравливаемого слоя h и смачиваемости его поверхности травителем.

В состав любого травителя, как правило, входят следующие компоненты:

окислитель ЎЄ для образования оксидов на поверхности технологического слоя;

растворитель ЎЄ для растворения и удаления образовавших­ся оксидов;

замедлитель и ускоритель реакции.

Результатом процесса травления является полное стравли­вание материала на участках, не защищенных фоторезистом. Результат травления зависит от качества сформированного за­щитного рельефа фоторезиста, его адгезии, геометрических размеров элементов на фотошаблоне, клина травления. Кроме того, процесс травления, геометрические размеры получаемых после травления элементов рисунка и клин травления определяются

Рисунок 7.3.10. Профили элементов рельефного рисунка после травле­ния:

а ЎЄ жидкостного, б - ионно-химического, в, г - плазмохимического; 1 ЎЄ слой фоторезиста, 2 - технологический слой

типом травителя, температурой травления и толщиной травящегося материала.

Травление технологических слоев. Наиболее широко в про­цессах химического травления при фотолитографической обра­ботке используют травители, представляющие собой слабые кислотные растворы. В производстве полупроводниковых приборов и ИМС большую часть фотолитографических процес­сов проводят на слое диоксида и нитрида кремния.

Для травления пленок диоксида крем-ния SiO2 применяют плавиковую кислоту и травители на ее основе. Процесс происходит по следующей реакции:

SiO2 +4HF => SiF4µ § + 2Н2Оµ §

Для улучшения качества рельефного рисунка в слое SiO2 применяют так называемый "буферный" травитель с замедля­ющими добавками фторида аммония NH4F. В этом случае процесс происходит по следующей реакции:

SiO2 + 4HF + 2NH4F => (NH4)2 SiF6 + 2H2O

В типовой состав буферного травителя входят: 2 ч. 48 %-ной плавиковой кислоты, 7 ч. 40 %-ного водного фтористого аммо­ния и 1 ч. воды. Увеличение концентрации кислоты в травителе повышает скорость травления пленки SiO2, но при этом ухудшается качество вытравленного рельефа. При увеличении кон­центрации фтористого аммония уменьшается скорость травле­ния и улучшается качество рельефного рисунка. Оптимальная температура травителя 20 OС. Повышение температуры травителя увеличивает скорость травления, но ухудшает качество рельефа.

Для травления пленок нитрида крем­ния Si3N4 используют травитель на основе ортофосфорной кислоты Н3РО4 с добавками фосфорного ангидрида Р2О5. Оптимальная температура травителя до 180 ЎЄ 200 °С. Так как при травлении при высоких температурах резко снижаются за­щитные свойства фоторезиста, пленку Si3N4 защищают тонким слоем SiO2 (~ 0,2 мкм). В этом случае травление сначала про­водят в буферном травителе, а затем приступают к травлению нитрида кремния, используя пленку диоксида кремния в ка­честве защитной маски.

Окончание процесса травления устанавливают в момент перехода вытравленной поверхности из гидрофильного состоя­ния в гидрофобное, т. е. когда обнажившийся кремний перес­тает смачиваться травителем.

При травлении пленок диоксида и нитрида кремния возмож­ны различные виды брака, обусловленные следующими причи­нами. Так, растравливание, характерным признаком которого является появление интерференционных кругов под слоем фоторезиста вокруг вскрытых окон, вызывается нарушением межоперационного времени хранения подложек, плохой ад­гезией фоторезиста к их поверхности, нарушением режимов проявления и задубливания, завышенным временем травления, некачественным травителем.

Причинами отслаивания пленки фоторезиста при травлении могут быть его плохая адгезия к поверхности и нарушение режима задубливания, увеличение межоперационного времени хранения подложек.

Окрашивание кремния во вскрытых окнах происходит из-за его сильного легирования и высокой поверхностной кон­центрации примеси, попадания окислителей (например, HNO3) в травитель, большого разброса толщины вытравливаемой плен­ки оксида. При этом на участках, где пленка оксида имеет тол­щину более 100 нм, наблюдается наибольшее окрашивание. Тонкая (60 ЎЄ 70 нм) пленка оксида, остающаяся в окнах, не окрашивается, поэтому невидима, но может существенно влиять на параметры последующих диффузионных слоев. При­чинами нестравливания таких пленок могут быть недостаточное время травления, а также неравномерное травление окон в разных точках площади подложек.

При изготовлении металлизированной разводки и фор­мирования контактных площадок фотолитографию проводят по слою металла (алюминия, золота, молибдена, тантала, ни­хрома и др.) •

Для травления пленок алюминия приме­няют как кислотные, так и щелочные травители. Однако из-за плохой адгезии фоторезиста к пленке алюминия вследствие значительного изменения его угла смачивания (от 20 до 80 °) травитель выбирают в соответствии с типом применяемого при фотолитографии фоторезиста. Так, для травления масок нега­тивных фоторезистов используют 20 %-ный раствор КОН или NaOH. При температуре 60 ЎЄ 90 ° С травление происходит с выделением пузырьков водорода, что вызывает неровности контура рельефа до 0,5 ЎЄ 1 мкм. Процесс протекает по следую­щей реакции:

2Аl + 2NaOH + 6Н2 О -> 2Na [Аl(ОН)4] + ЗН2µ §

При использовании в качестве масок позитивных фоторезис­тов для травления алюминия используют травители на основе ортофосфорной кислоты. Процесс протекает по следующей реакции:

2Аl + 6Н3РО4 -> 2Аl(Н2РО4)3 + 3H2µ §

Более часто применяют травитель, состоящий из смеси ортофосфорной, азотной, уксусной кислот и воды.

Травление в кислотных травителях идет при температуре около 40 "С и сопровождается бурным газовыделением, что также приводит к неровностям контура рельефа.

Наилучшее качество травления получают, используя тра­витель на основе хромового ангидрида Сг2О3, фторида аммо­ния NH4F и воды. При комнатной температуре скорость трав­ления составляет 0,7 мкм/мин. Кроме того, применяют трави­тель, состоящий из хромового ангидрида Сг2О3, фторида ам­мония NH4F, ацетата кадмия Cd(CH3COOH)2, водораствори­мого крахмала и воды. При использовании этого травителя не требуется нагрев, отсутствует газовыделение и неровность контура рельефа не превышает 0,3 мкм.

При травлении пленок алюминия возможен такой брак, как изменение (уменьшение) линейных размеров элементов, что может быть вызвано следующими причинами: применением некачественного фоторезиста; нарушением режима его задубливания или плохой адгезией к алюминию; увеличением меж­операционного времени хранения; неправильным соотношением компонентов в травителе; превышением температуры и вре­мени травления; изменением размеров элементов рисунка после проявления.

До обработки партии подложек проводят травление конт­рольной подложки. При несоответствии размеров элементов рисунка заданным необходимо прежде всего проверить режим задубливания, качество проявленного рельефа, температуру и состав травителя.

Иногда пленки алюминия при травлении окисляются и тем­неют их отдельные участки, что можно объяснить электрохи­мическими процессами, происходящими в системе Al ЎЄ Si ЎЄ р-n-переход ЎЄ травитель. Для устранения этого явления обрат­ную и боковые стороны подложек покрывают фоторезистом, чтобы изолировать их от травителя.

Остатки невытравленного алюминия в виде перемычек могут привести к замыканию параллельных проводников одно­го уровня. Причинами этого могут быть: некачественное прояв­ление (недопроявление) слоя фоторезиста; нарушение режимов его задубливания (заплывание фоторезиста при повышенной температуре задубливания); дефекты в фотошаблоне. После­дующим дотравливанием, как правило, не удается ликвиди­ровать эти перемычки. Поэтому такой брак можно устранить только повторной фотолитографией.

Для травления пленок золота приме­няют смесь концентрированных соляной НС1 и азотной NHO3 кислот в соотношении 3 : 1 (царскую водку), а также трави­тель, состоящий из йодистого калия KI, иода I2 и воды в соот­ношении 4:1 : 1.

Для травления пленок серебра исполь­зуют травитель, в который входят нитрат железа Fe (NO3)2, раствор йодистого калия KI и иода I2 в воде.

Для травления пленок молибдена при­меняют состав из ферроцианида калия, серной и азотной кислот либо смесь ортофосфорной, азотной и уксусной кислот.

Для травления пленок тантала исполь­зуют смесь нитрата железа, концентрированной плавиковой и азотной кислот, а пленки нихрома травят в соля­ной кислоте.

В полупроводниковых ИМС высокой степени интеграции электрические соединения часто выполняют в виде многослой­ной металлизации ЎЄ двойных проводящих cлое в (например, молибден ЎЄ золото, титан - алюминий). В этом случае рельеф вытравливают с помощью селективных тра-вителей последовательно в двух различных составах: в первом вытравливают пленку верхнего слоя, а во втором ЎЄ нижнего.

Так, для получения рельефа в двухслойной системе молиб­ден ЎЄ золото; в которой нижний молибденный слой имеет толщину 0,2 мкм, а верхний ЎЄ слой золота ЎЄ 0,4 мкм, подложки последовательно обрабатывают в травителях для золота и молибдена. В травитель для золота входят этиленгликоль, йодистый калий, иод и вода, а в травитель для молибдена -этиленгликоль, азотная кислота и хлорное железо.

Основными параметрами режима травления, от которых зависят как его скорость, так и воспроизводимость размеров получаемых рель­ефов, являются время травления, температура и концентрация травителя. Так, с повышением концентрации травильной смеси и Температуры скорость травления растет. Увеличение времени травления приводит к боковому подтравливанию рисунка, причиной которого может быть также рост температуры травителя.

Удаление слоя фоторезиста. Для удаления фоторезистивной маски подложки обрабатывают в горячих органических растворителях (диметилформамиде, метилэтилкетоне, моноэтаноламине и др.) . При этом слой фоторезиста разбухает и вымы­вается. Скорость и чистота удаления фоторезиста зависят от степени его, задубливания при второй термообработке.

При высоких температурах задубливания (более 140 -150 °С) в слое фоторезиста происходят термореактивные пре­вращения, в результате которых он теряет способность раство­ряться в органических растворителях. В этом случае подложки два-три раза кипятят по 5 ЎЄ 10 мин в концентрированной сер­ной, азотной кислоте или смеси Каро (серная кислота и пере­кись водорода). Слой фоторезиста при этом разлагается и раст­воряется в кислоте, а затем его окончательно удаляют в орга­ническом растворителе. Кислотное удаление фоторезиста нель­зя применять при фотолитографии по металлу.

Некоторые фоторезисты хорошо удаляются в водных раст­ворах поверхностно-активных веществ, например кипячением 5 ЎЄ 10 мин в 30 %-ном растворе синтанола.

Интенсивность удаления слоя фоторезиста можно увели­чить ультразвуковым воздействием. Для этого ванночку с подложками, заполненную реагентом, помещают в ультразвуковую ванну с деионизованной водой. Время обработки при этом уменьшается в 10 - 20 раз.

Для удаления позитивных фоторезистов, температура суш­ки которых не превышает 95 °С, подложки предварительно облучают ультрафиолетовым светом. При этом ортонафтохинондиазиды превращаются в инденкарбоновые кислоты, которые легко удаляются в органических растворителях.

После химического удаления слоя фоторезиста подложки тщательно очищают от его остатков, которые могут отрицатель­но сказаться на таких последующих технологических операциях, как диффузия, окисление, нанесение металлизации и др. Кроме того, необходимо качественно очищать поверхность подложек от загрязнений, вносимых при фотолитографии.

Химическую обработку проводят на установках, входящих в комплекс универсального оборудования, предназначенного для очистки подложек перед первым окислением, травления оксидных металлических и полупроводниковых пленок, а также удаления слоя фоторезиста и последующей гидромеха­нической отмывки подложек деионизованной водой. Все эти операции проводят во фторопластовых ваннах, снабженных нагревателями и эжекторами для откачки реагентов после окончания технологического процесса.

Несмотря на широкое использование, химические жид­костные методы обработки (травление технологических слоев и удаление фоторезиста) имеют ряд недостатков, основными из которых являются невысокая разрешающая способность и изотропность процессов травления, трудность их автомати­зации и- появление загрязнений на поверхности подложек, что ограничивает возможности фотолитографии.

7.4 Проекционная ФЛГ

Рисунок 7.4.1. Схема установки проекционной фотолитогра­фии без изменения масштаба переноса изображения:

1, 15 - метки координат х, у и углового разворота на подложке, 2 - проекционный объектив, 3 - фотошаб­лон, 4, 12 - метки углового разворота и координат х, у на фотошаблоне, 5, 11 - приводы углового раз­ворота и перемещения фотошаблона, 6, 10 - фотоэлек­трические микроскопы углового разворота и коорди­нат х, у фотошаблона, 7 - блок программного управ­ления, 8 - источник освещения для экспонирования, 9 ЎЄ высокоскоростной затвор, 13 - полупроводниковая подложка, 14 - предметный столик
Метод проекционной фотолитографии имеет несколько вариантов, которые отличаются масштабами переноса изображе­ния и способами заполнения рабочего поля подложки.