Літографія та контактна фотолітографія. Позитивні і негативні фоторезистори

Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки

кафедра ЕТТ

Реферат на тему:

«Літографія та контактна фотолітографія. Позитивні і негативні фоторезистори »

МІНСЬК, 2008

Літографія - це процес формування в актіночувствітельном шарі, нанесеному на поверхню підкладок, рельєфного малюнка, повторювали ряющий топологію напівпровідникових приладів або ІМС, і після-дме перенесення цього малюнка на підкладки.

Актіночувствітельним називається шар, який змінює свої властивості (розчинність, хімічну стійкість) під дією актинічного випромінювання (наприклад, ультрафио-Лєтова світла або потоку електронів).

Літографічні процеси дозволяють!

отримувати на поверхні окислених напівпровідникових підкладок вільні від шару оксиду області, що задають конфігурацію напівпровідникових приладів і -моментів ІМС, в які проводиться локальна дифузія домішок для створення pn-переходів;

формувати межсоединения елементів ІМС;

створювати технологічні маски з резистів, що забезпечують виборче маскування при іонному легуванні.

Широке застосування літографії обумовлено наступними перевагами: високою відтворюваністю результатів і гнучкістю технології, що дозволяє легко переходити від од-ної топології структур до іншої зміною шаблонів; високою роздільною здатністю актинічного резистів; універс-ністю процесів, що забезпечує їх застосування для найрізноманітніших цілей (травлення, легування, осадження); високою продуктивністю, обумовленою груповими методами обробки.

Процес літографії складається з двох основних стадій:

формування необхідного малюнка елементів в шарі актіночувствітельного речовини (резисту) його еспонірованіем і проявом;

травлення нижчого технологічного шару (діелектрика, металу) через сформовану топологічну маску або безпосереднього використання шару резисту як топологічної маски при іонному легуванні.

Як діелектричних шарів зазвичай служать плівки діоксиду SiO ₂ і нітриду Si ₃ N ₄ кремнію, а межсоединений - плівки деяких металів. Всі плівки називають технологічним шаром.

Залежно від довжини хвилі використовуваного випромінювання застосовують такі методи літографії:

фотолитографию (довжина хвилі актинічного ультрафіолетового випромінювання л = 250 ... 440 нм);

рентгенолітографія (довжина хвилі рентгенівського випромінювання л = 0,5 ... 2 нм);

електронолітографія (потік електронів, що мають енергію 10 - 100 кеВ або довжину хвилі л = 0,05 нм);

іонолітографію (довжина хвилі випромінювання іонів л = 0,05 ... 0,1 нм).

Залежно від способу перенесення зображення методи літографії можуть бути контактними і проекційними, а також безпосередньої генерації всього зображення або мультиплікації одиничного зображення. У свою чергу, проекційні методи можуть бути без зміни масштабу переноситься зображення (Ml: 1) і зі зменшенням його масштабу (М 10: 1; М 5: 1) .Классіфікація методів літографії приведена на малюнку 1.

Залежно від типу використовуваного р е з и з та (негативний або позитивний) методи літографії за характером перенесення зображення діляться на негативні і позитивні (Малюнок 2).

Літографія є прецизійним процесом, тобто точність створюваних малюнків елементів повинна бути в межах часток мікрометра (0,3 - 0,5 мкм). Крім того, різні методи літографії повинні забезпечувати отримання зображень необхідних розмірів будь-якої геометричної складності, високу відтворюваність зображень в межах напівпровідникових кристалів і по робочому полю підкладок, а також низький рівень дефектності шару сформованих масок. В іншому випадку значно знижується вихід придатних виробів.

Для виконання цих вимог необхідні:

застосування машинних методів проектування і автоматизації процесів виготовлення шаблонів;

підвищення відтворення розмірів елементів, точності суміщення і використання нізкодефектних методів формування масок;

Малюнок 1. Класифікація методів літографії

Малюнок 2. Формування рельєфу зображення елементів (а - в) при використанні негативного (7) і позитивного (II) фоторезистов: 1 - ультрафіолетове випромінювання, 2, 3 - скляний фотошаблон і нанесена на нього маска, 4 - шар фоторезиста на кремнієвій підкладці, 5 - технологічний шар для формування рельєфу малюнка, 6 - кремнієва підкладка

впровадження оптико-механічного, хімічного і контрольного обладнання, що забезпечує створення малюнків елементів із заданими точністю та роздільною здатністю;

застосування нових технологічних процесів генерації і перенесення зображення з використанням контактних, проекційних методів фотолітографії, голографії, електронно-променевого та лазерної технології;

розробка технологічних процесів прямого одержання малюнка елементів мікросхем, минаючи застосування захисних покриттів, розвиток Еліон процесів.

Літографічні процеси безперервно удосконалюються: підвищується їх прецизійність і роздільна здатність, знижується рівень дефектності і збільшується продуктивність.

2 Контактна фотолітографія

Фотолітографія - це складний технологічний процес, заснований на використанні необоротних фотохімічних явищ, що відбуваються в нанесеному на підкладки шарі фоторезиста при його обробці ультрафіолетовим випромінюванням через маску (фотошаблон).

Технологічний процес фотолітографії можна розділити на три стадії:

формування фоторезистивной шару (обробка підкладок для їх очищення і підвищення адгезійної здатності, нанесення фоторезиста і його сушка);

формування захисного рельєфу в шарі фоторезиста (суміщення, експонування, прояв і сушка шару фоторезиста, тобто його задубліваніе);

створення рельєфного зображення на підкладці (травлення технологічного шару - плівки SiO _2, Si ₃ N _4, металу, видалення шару фоторезисту, контроль).

Послідовність виконання основних операцій при фотолітографії показана на малюнку 3.

Поверхня підкладок попередньо очищають, щоб забезпечити їх високу змочуваність і адгезію фоторезиста, а також виключити сторонні включення. Потім на підкладки тонким шаром наносять шар фоторезиста (світлочутливу полімерну композицію) і сушать його для видалення розчинника.

Поєднання фотошаблона з підкладкою і експонування виконують на одній установці. Мета операції суміщення - збіг малюнка фотошаблона з нанесеним на попередній операції на підкладку малюнком. Далі шар фоторезиста експонують - піддають дії ультрафіолетового

Малюнок 3. Послідовність виконання основних операцій при фотолітографії

випромінювання через фотошаблон. В результаті цього малюнок з фотошаблона переноситься на шар фоторезиста.

При прояві шару фоторезиста окремі його ділянки вимиваються і на підкладці при використанні позитивного фоторезиста залишаються неекспоновані (незасвічені) ділянки, а якщо застосовувався негативний фоторезист, то експоновані. Потім шар фоторезиста при термообробці при підвищеній температурі, тобто задублівают, внаслідок чого відбувається його часткова полімеризація і підвищується стійкість до Травители.

Закінчується процес фотолітографії травленням незахищених фоторезистом ділянок підкладки, створенням рельєфного малюнка на технологічному шарі і видаленням залишків фоторезиста. Таким чином, шар фоторезиста служить для передачі малюнка з фотошаблона на технологічний шар.

ПОЗИТИВНІ І НЕГАТИВНІ фоторезистом

Фоторезисти - це світлочутливі матеріали зі змінною по дією світла розчинність, стійкі до впливу травителей і приємним для перенесення зображення на підкладку.

Фоторезисти є багатокомпонентними мономірним-полімерними матеріалами, до складу яких входять: світлочутливий (полівінілціннамати - в негативні фоторезисти і нафтохінондіазіди - в позитивні) і плівкоутворювальні (найчастіше це різні фенолформальдегід-ні смоли, резольні і новолачние смоли) речовини, а також розчинники ( кетони, ароматичні вуглеводні, спирти, діоксан, циклогексан, диметилформамід та ін.).

В процесі фотолітографії фоторезисти виконують дві функції: з одного боку, будучи світлочутливими матеріалами, вони дозволяють створювати рельєф малюнка елементів, а з іншого, володіючи резистивним властивостями, захищають технологічний шар при трав-лення.

Як уже зазначалося, рельєф утворюється в результаті того, то під дією актинічного випромінювання, що падає через фотошаблон на певні ділянки шару фоторезиста, він змінює свої початкові властивості. Для більшості фоторезистов актинічного є ультрафіолетове випромінювання ..

В основі створення рельєфу в плівці негативних фоторезистов лежить використання фотохімічної реакції фотопрісоедіненія - фотополімерізацш, а в плівці позитивних фоторезистов - реакції фоторазложенія - фотолиза.

При фотополімеризації відбувається поперечна зшивання; молекул полімеру, в результаті чого вони укрупнюються. Опісля експонування під дією актинічного випромінювання змінюється структура молекул полімеру, вони стають тривимірними і їх хімічна стійкість збільшується.

При фотолізі в фоторезисте під впливом актинічного випромінювання у молекул полімеру відбувається обрив слабких зв'язків, і утворюються молекули менш складної структури. Таким чином, фотоліз є процесом, протилежних фотополімеризації. Добутий в результаті фотоліз, полімер має знижену хімічну стійкість.

Багато полімерні речовини, з яких виготовляю: фоторезисти, містять функціональні групи, які поглинають світло в ультрафіолетовій області спектра. Власна світлочутливість полімеру при введенні в нього спеціальні добавок - стабілізаторів і сенсибілізаторів * може змінюватися в широких межах. Одна і та ж добавка для різних полімерів може служити і стабілізатором і сенсибилизатором. Пояснюється це тим, що ефект дії добавок визначається не тільки їхнім хімічним складом, але і енергетичним взаємодією з вихідним полімером.

Залежно від характеру протікають в фоторезисте фотохімічних реакцій визначається і тин фоторезиста - позитивний чи негативний.

Негативні фоторезисти під дією актинічного випромінювання утворюють захищені ділянки рельєфу. Після термообробки - задубліванія - в результаті реакції фотополімеризації освітлені при експонуванні ділянки не розчиняються в проявнику і залишаються на поверх-ності підкладки. При цьому рельєф являє собою негатив-ве зображення елементів фотошаблона.

Як негативні фоторезистов застосовують склади на основі складного ефіру полівінілового спирту

і коричної кислоти З ₆ Н ₅ --СН = СН - СООН.Ці склади називають полівінілціннаматамі (ПВЦ) і їх формула має вигляд R ₁ - [O - R _{2] n,} де R ₁ - макромолекула полівінілового спирту, що містить велику кількість атомів; R ₂ - світлочутливі ціннамоільние групи, представ-ляющие собою продукти коричної кислоти.

Молекули ПВЦ представляють собою довгі спіралі, що складаються з десятків тисяч атомів (молекулярна маса до 200 тис. Од.). При поглинанні фотонів ультрафіолетового випромінювання в результаті фотохімічної реакції фотополімеризації відбувається розрив слабкою подвійного зв'язку - С = С -ціннамоільной групи і утворилися вільні зв'язку зшивають молекули полімеру в хімічно стійку тривимірну структуру.

Залежно від способів отримання і властивостей вихідних продуктів фоторезисти на основі ПВЦ можуть володіти різними характеристиками по світлочутливості, роздільної здатності, кислотостійкий і ін.

Фоторезисти на основі ПВЦ представляють собою білий порошок, який розчиняється в органічних розчинниках (сумішах толуолу з хлорбензол, ацетату етиленгліколю з метаксілолом і ін.). Проявниками для цих фоторезистов служить трихлоретилен або його суміш з ізопропіловий спирт. Час прояви 0,5 - 1 хв. Фоторезисти на основі ПВЦ мають задовільну кислотостійкість: вони не витримують впливу концентрованої плавикової кислоти, але стійкі до Травители з невеликим її змістом.

Підвищеної кислотостойкостью мають негативні фоторезисти на основі ізопропілового каучуку, ціклокаучук і інших каучуків з різними добавками. Так як самі каучуки не є світлочутливими речовинами, до складу фоторезистов вводять світлочутливі діазосполуки - сенсибілізатори. Під дією світла молекула діазосполуки розкладається з втратою молекули азоту, утворюючи нові речовини - нітрит, які вступають в реакцію з макромолекулами каучуку. В результаті утворюється стійка тривимірна структура. Розчинником для таких фоторезистов служить суміш ксилолу з толуолом, а в якості проявителей використовуються склади на основі ксилолу ^ толуолу, уайт-спіриту.

Прикладами негативних фоторезистов є ФН-11, ФН-11К, ФН-4ТВ, ФН-ЗТ і ФН-106.

Негативні фоторезисти чутливі до ультрафіолетового випромінювання в діапазоні довжин хвиль 260 - 320 нм. При додаванні стабілізаторів світлочутливість збільшується в 100 - 300 разів. Роздільна здатність негативних фоторезистов 100 - 300 лін / мм при товщині шару від 0,3 до 0,5 мкм. Сучасні негативні фоторезисти забезпечують формування мікрозображень з шириною ліній 2 --| 3 мкм.

Позитивні фоторезисти, навпаки, передають один до одного малюнок фотошаблона, тобто рельєф повторює конфігурацію його непрозорих елементів. Актинічного випромінювання так змінює властивості позитивного фоторезиста, що при обробці в проявнику експоновані ділянки шару руйнуються і вимиваються. В позитивних фоторезистом при висвітленні відбувається розпад молекул полімеру і зменшується їх хімічна стійкість.

В якості позитивних фоторезистов використовують суміші сульфоефіров нафтохінондіазідов (НХД) з фенолформаль-дегіднимі смолами (Новолачная або резольного) в органічних розчинниках. Світлочутливої ​​основою такого фоторезиста є НХД, а смола грає роль кислотостойкого полімеру. При експонуванні в результаті фотохімічних реакцій фотолізу гідрофобні похідні НХД руйнуються і стають гідрофільними, набуваючи здатність розчинятися в слабких водних розчинах лугів, які і є проявником для позитивних фоторезистов.

Позитивні фоторезисти і режими їх обробки Та б л і ц а 1.

Розчинниками позитивних фоторезистов є спирти, кетони, ароматичні вуглеводні, діоксан, ксилол або їх суміші.

Позитивні фоторезисти на основі НХД чутливі до ультрафіолетового випромінювання в діапазоні довжин хвиль 250 - 450 нм. Роздільна здатність їх вище, ніж негативних фоторезистов (500 - 600 лін / мм при товщині шару 1 мкм), що дозволяє формувати мікрозображення з шириною ліній 1-2 мкм. Позитивні фоторезисти мають високу кіслотостойкостио; витримують дію концентрованих плавиковою та азотної кислот.

Основні позитивні фоторезисти і режими їх обробки наведені в таблиці 1.

ЛІТЕРАТУРА

Черняєв В.Н. Технологія виробництва інтегральних мікросхем і мікропроцесорів. Підручник для вузів - М; Радио и связь, 2007 - 464 с: ил.

Технологія НВІС. У 2 кн. Пер. з англ. / Под ред. С.Зі, - М .: Світ, 2006.-786 с.

Готра З.Ю. Технологія мікроелектронних пристроїв. Довідник. - М .: Радио и связь, 2001.-528 с.

Достанко А.П., Баранов В.В., Шаталов В.В. Плівкові струмопровідні системи СБІС.-Мн .: Виш.шк., 2000.-238 с.