Основные свойства фоторезистов

Светочувствительность S = 1/H - величина, обратная экспозиции H, требуемой для перевода фоторезиста в растворимое или нерастворимое состояние (в зависимости от того, позитивный резист или негативный). Светочувствительностью определяются производительность
процесса фотолитографии и выбор оборудования. Например, необходимость использования ртутных ламп вызвана тем, что максимум спектральной чувствительности резистов лежит в области ближнего ультрафиолета. Светочувствительность измеряется в единицах эрг^–1×см².

Разрешающая способность R = N/2 l - умещающееся на 1 мм число N полос фоторезиста, разделенных промежутками такой же ширины l. Часто используется термин "выделяющая способность", т.е. способность передавать отдельные малые размеры. Разрешающая или выделяющая способность зависит от многих технологических факторов; конечная задача сводится к получению резкодифференцированной границы между неэкспонированным и экспонированным участками слоя резиста, минимально изменяющейся при проявлении и термообработке.

Необходимо различать разрешающую способность фоторезиста и процесса фотолитографии в целом. Так, при разрешающей способности резиста до 1000 лин/мм разрешающая способность процесса не будет превышать 500 - 600 лин/мм из-за искажения рисунка вследствие различных физических эффектов, возникающих при экспонировании. В результате при контактной фотолитографии на границе рисунка образуется небольшой "ореол" сшитого (или, напротив, вытравленного) резиста (рис.4.1). После проявления он остается лишь на участке, непосредственно прилегающем к пластине. Это наиболее значительно уменьшает разрешающую способность негативных резистов. Позитивные резисты при проявлении размягчаются и "прилипают" к подложке в подтравленных местах, залечивая их.

Стойкость к воздействию агрессивных факторов - понятие, как правило, не поддающееся общим определениям; в частном случае может означать величину, пропорциональную времени отслаивания пленки фоторезиста в используемом травителе или времени проникновения травителя сквозь поры пленки фоторезиста к подложке. Измеряется в секундах или минутах. В последнее время стойкость пленки фоторезиста все чаще характеризуют плотностью дефектов, передающихся при травлении на подложку (дефект/мм²). Для позитивных фоторезистов указывают обычно важный параметр: устойчивость к воздействию стандартного проявителя, которая измеряется в минутах (до момента разрушения слоя) и должна быть, по крайней мере, на порядок выше времени проявления. Кислотостойкость k можно оценить также по величине бокового подтравливания x под фоторезист при глубине h травления подложки: k = h/x. Стойкость к агрессивным средам существенно зависит от адгезии фоторезиста к подложке. Очевидно, что величина подтравливания x при высокой адгезии минимальна.

Стабильность эксплуатационных свойств фоторезистов во времени выражается сроком службы при определенных условиях хранения и использования. Ее обеспечение - одна из важнейших проблем.

Лекция 11.

План.

1. Технологические операции фотолитографии

2. Контактная фотолитография

3. Литография в глубокой ультрафиолетовой области

4. Электронолитография

5. Рентгенолитография

Процесс фотолитографии начинается с обработки поверхности подложек, т.е. того слоя интегральной структуры, по которому создается рисунок. Чаще всего это слои трех типов: двуокись кремния, примесносиликатные стекла (фосфоро- и боросиликатные), пленки металлов.

На окисленные подложки, полученные термическим окислением в сухом кислороде или парах воды, фоторезист лучше всего наносить сразу (в пределах часа) после окисления без каких-либо дополнительных обработок. Если подложки долго хранились или окисел с самого начала был гидрофильным, желательна термообработка.

Фосфоросиликатные стекла в отличие от двуокиси кремния имеют резковыраженную гидрофильную поверхность, поэтому качество фотолитографии на них намного хуже.

Хорошие результаты дает обработка фосфоросиликатных стекол в растворах органохлорсиланов - фенилтрихлорсилане или диметилдихлорсилане.

Контактная фотолитография

Нанесение слоя резиста. Наиболее распространенным методом нанесения фоторезиста на подложки является центрифугирование: при включении центрифуги жидкий фоторезист растекается под действием центробежных сил. При центрифугировании на краю подложки всегда возникает утолщение - "валик", ширина и высота которого зависят от вязкости резиста, скорости вращения центрифуги и формы подложки. В слое, нанесенном на центрифуге, всегда есть внутренние напряжения, плотность дефектов довольно высока, в частности, из-за того, что пыль из окружающей среды засасывается в центр вращающегося диска.

Первая сушка при температурах 80 - 90 °С заканчивает формирование слоя фоторезиста. При удалении растворителя объем полимера уменьшается, слой стремится сжаться, но жестко скрепленная с ним подложка препятствует этому. Величина и характер возникающих напряжений определяются свойствами фоторезиста и режимами сушки, в частности, приближением к температурному интервалу пластичности полимера. Обычно используют ИК сушку.

Экспонирование (совмещение) и проявление неразрывно связаны между собой. В силу этого для выбора режимов, обеспечивающих точную передачу размеров, необходимо одновременно изменять время проявления и время экспонирования. На практике, однако, часто пользуются методом подбора оптимального значения одного параметра при фиксации другого.

Для любого типа резистов снимают зависимости точности передачи размеров изображения от времени проявления при фиксированном времени экспонирования и от времени экспонирования при фиксированном времени проявления. В результате находят оптимальные времена, соответствующие точной передаче размеров.

Проявление. Для проявления позитивных резистов используют водные щелочные растворы: 0,3 - 0,5%-ный раствор едкого кали, 1 - 2%-ный раствор тринатрийфосфата, органические щелочи - этаноламины. При проявлении очень важно контролировать температуру и величину pH проявителя.

При изменении величины pH всего лишь на десятую долю размер элемента меняется примерно на 10 % от номинала. Для проявления негативных фоторезистов используются органические растворители.

Сушка проявленного слоя проводится при температурах 140 - 180 °С. От характера изменения температуры во время сушки зависит точность передачи размеров изображений. Резкий нагрев вызывает оплывание краев, поэтому для точной передачи малых (1 - 2 мкм) размеров следует применять плавное или ступенчатое повышение температуры. Примерный режим сушки позитивного резиста ФП-383: 10 - 15 минут при комнатной температуре, 20 - 25 минут в термостате при 120 °С, затем переключение термостата и нагревание до 150 - 160 °С.

Травление чистой и легированной двуокиси кремния, а также примесносиликатных стекол с защитой рельефом из резиста осуществляется в буферных травителях, состоящих из 1 - 2 частей плавиковой кислоты и 8 - 9 частей 40%-ного водного раствора фтористого аммония. Окисел, легированный бором, травится почти с той же скоростью, что и нелегированный, и только у самой границы с кремнием скорость возрастает. Наоборот, легированные фосфором окислы травятся сначала гораздо быстрее, затем скорость травления уменьшается. Соответственно будут отличаться профили на границе вытравленных в окисле рельефов. Эти соображения носят общий характер, а конкретный процесс травления зависит от степени легирования окисла примесями. Богатые бором и фосфором примесносиликатные стекла травятся очень быстро. Скорость травления фосфоросиликатных стекол достигает 30 нм/с, что в 25 - 40 раз выше скорости травления чистого окисла.

Удаление с подложки фоторезиста завершает фотолитографический процесс, для чего используются в основном химические и термические способы. В последнее время применяется обработка в ВЧ плазме кислорода.