Технологічні процеси фотолітографії

Фотолітографія - це технологічний процес, який базується на використанні фотохімічних реакцій, що виникають в фоторезистивних шарах при актинічному їх опроміненні.

Актинічним називається опромінювання, яке викликає незворотні зміни властивостей фоторезистивного шару. Для цього використовують два типи фоторезистивних матеріалів (негативні та позитивні).

Негативні фоторезисти (ФН) під дією актинічного опромінювання полімеризуються і утворюють захисний шар, стійкий до травників, які застосовуються в технологічному процесі виготовлення ІМС. Позитивні фоторезисти (ФП) під дією опромінювання розкладаються і легко усуваються з підкладки, а захисні властивості має неопромінений фоторезист.

Для опромінення фоторезистів використовують ультрафіолетові джерела світла. Фотохімічні реакції в фоторезистах стимулюються поглинанням квантів опромінюючого світла. Фотолітографія являється основним способом перенесення рисунка мікросхеми на напівпровідникову пластину.

Роздільна здатність фоторезиста визначається максимальною кількістю ліній однакової ширини, розділених проміжками, рівними ширині лінії, яку можна отримати в фоторизистивному шарі на довжині 1 мм (іноді 1 см).

Поряд з роздільною здатністю слід розрізняти т.з. виділяючу здатність. Виділяюча здатність визначається мінімальною шириною окремої лінії, яку можна відтворити з допомогою того чи іншого фоторезисту.

Роздільну та виділяючу здатність визначають з допомогою випробувальної міри. Цією мірою можна контролювати вказані параметри фотокамери, фотошаблонів, фоторезиста і процесу фотолітографії.

На практиці широко застосовують фоторезисти таких марок: ФП-307, ФП-309, ФП-330, ФП-383, ФП-РН-7, ФП-617 і інші, які забезпечують; формування ліній, шириною 1 - 2 мкм при товщині фоторезиста 0,3-0,4 мкм.

Негативні фоторезисти мають дещо меншу роздільну здатність (до 200 ліній/мм), яка забезпечує відтворення ліній шириною більше 2,5 мкм.

При виборі матеріалу фоторезисту оцінюють світлочутливість S, роздільну здатність, стійкість до агресивних середовищ та вартість.

, де

Е – освітленість; час експонування.

Одночасно треба знати, які травники і проявники будуть застосовуватися при виготовленні даної мікросхеми. Фоторезистивна маска, сформована на основі позитивного чи негативного фоторерезиста, повинна бути стійкою до цих агресивних середовищ і мати хороші захисні властивості, щоб не була порушена геометрія елементів.

Для створення фоторезистивної захисної маски використовуються фотошаблони, виготовлення яких проводиться із застосуванням фотооригіналів. Розглянемо послідовність операцій фотолітографічного процесу при формуванні маски з окису кремнію необхідної конфігурації.

Підкладка з нанесеною суцільною окисною плівкою покривається фоторезистом. Після засвічування фоторезиста через фотошаблон та проявлення формується фоторезистивна маска (рис.1).

Рисунок 1 - Процес утворення рельєфу у поверхневому шарі пластин за допомогою позитивного (І) та негативного (ІІ) фоторезистів на стадіях експонування (а), після проявлення фоторезисту (б), та після травлення поверхневого шару пластини і вилучення частини фоторезисту (в):

1- ультрафіолетове випромінювання;

2- фотошаблон;

3- шар фоторезисту;

4- поверхневий шар на пластині;

5- пластина.

Після нанесення фоторезисту усувається розчинник, який заважає ефективному проходженню фотохімічних реакцій. Для отримання твердої плівки і забезпечення зчеплення її з поверхнею підкладки чи плівки, на яку вона наноситься, проводять висушування.

Засвічування фоторезисту проводиться через фотошаблони, рисунок яких повинен бути точно суміщений з рисунком на підкладці, раніше нанесеному в процесі попередньої фотолітографії. Фотошаблон може знаходитися безпосередньо на підкладці з фоторезистом при контактному експонуванні або проектуватися на поверхню фоторезиста при проекційному експонуванні.

Проекційна фотолітографія відрізняється від контактної фотолітографії технікою суміщення і експонування і полягає в проектуванні зображення фотошаблону на пластину, покриту фоторезистом, з допомогою системи лінз з високою роздільною здатністю. Проекційна фотолітографія дозволяє збільшувати або зменшувати зображення в широких границях.

Для експонування використовують джерела ультрафіолетового, випромінення, наприклад, ртутно-кварцеві лампи. Час експозиції підбирають на контрольних зразках в залежності від типу фоторезистів і джерел випромінювання.

Після експонування проводять проявлення, усуваючи експонований позитивний і неекспонований негативний фоторезист. При проявленні неекспонованих негативних фоторезистів використовують толуол, трихлоретилен, діоксан та інші розчинники, а експонований позитивний фоторезист усувається водними лужними розчинами (0,3-0,5% розчин їдкого калію, 1-2% розчин тринатрійфосфату) чи органічними лугами. Проявлення здійснюється зануренням у розчин або витримкою у парах проявника. Після проявлення зображення підкладку старанно промивають деіонізованою водою і проводять сушіння.

При необхідності усунення фоторезистивної маски застосовують хімічну, термічну (в атмосфері кисню) чи плазмохімічну деструкцію.