Контактная фотолитография

Появление фотолитографии оказало решающее влияние на развитие микроэлектроники, в частности, на разработку и промышленное освоение планарных технологий производства изделий микроэлектроники. Схема двух основных типов литографических процессов показана на Рис. 1.

а б

Рис. 1. Фотолитографическое создание рисунка методом контактной печати.

Вариант Рис. 1 а соответствует непосредственному маскированию с использованием негативного фоторезиста, вариант Рис. 1 б – обратному маскированию с использованием позитивного фоторезиста.

Процесс фотолитографии заключается в следующем. Поверхность образца, на которой необходимо получить определенный рисунок, покрывается слоем органического фоточувствительного вещества (фоторезиста) и затем приводится в непосредственный контакт с фотографической пластиной высокой разрешающей способности. После экспонирования фоторезист проявляется и отжигается для придания ему стойкости к травлению. На Рис. 1 а приведена типовая последовательность операций при фотолитографии с использованием негативного фоторезиста, то есть фоторезиста, который полимеризуется при освещении. Позитивные фоторезисты деподимеризуются при освещении, образуя позитивное изображение фотошаблона. То есть непрозрачная часть фотошаблона соответствует участкам пленки, оставшейся на подложке. Такой процесс называют обратной фотолитографией, и на Рис. 1 б показана последовательность операция в таком процессе.

Для формирования участков засветки на фоторезисте используют фотошаблоны, которые представляют собой плоскопараллельные стеклянные пластины, на которые нанесен рисунок из оптически не прозрачного материала. В эмульсионных фотошаблонах рисунок создают в слое эмульсии обычным фотографических методом. В металлизированных фотошаблонах участки рисунка создаются за счет тонкого слоя хрома. В цветных фотошаблонах рисунок выполняется на основе пленки оксида железа. Достоинством металлизированных фотошаблонов является их высокая стойкость к истиранию и возможность получения более высокой разрешающей способности, чем при применении эмульсинных фотошаблонов, недостатком – высокая отражающая способность хрома, что приводит к засветке периферийных участков фоторезиста. Основными достоинствами цветных фотошаблонов является низкая отражающая способность оксида железа и прозрачность его в видимой части спектра, что упрощает совмещение рисунков при фотолитографии.

Область чувствительности фоторезистов обычно лежит у ультрафиолетовой части спектра. В негативных фоторезистах под действием света образуются нерастворимые участки пленки на поверхности подложки за счет фотополимеризации или фотоконденсации и после проявления остаются на поверхности подложки. Оставшийся рисунок представляет собой негативное изображение фотооригинала (фотошаблона), через которое проводилось экспонирование. В позитивных фоторезистах под действием света образуются растворимые участки за счет фотораспада полимерной пленки, которые удаляются с поверхности подложки при травлении. Оставшийся на поверхности рисунок в точности повторяет рисунок фотошаблона.

Для нанесения слоя фоторезиста подложку закрепляют на центрифуге и на ее поверхность наносят дозированное количество фоторезиста. После включения центрифуги за счет центробежных сил фоторезист равномерно распределяется по поверхности подложки. Частота вращения центрифуги составляет 2000 – 15000 об/мин.

После нанесения пленки фоторезиста проводят его сушку для удаления растворителя. Температура сушки обычно составляет100 ⁰С, что меньше температуры полимеризации пленки, лежащей в интервале 140 – 200 ⁰С. После экспонирования рисунка с фотошаблона проводят проявление фоторезиста, то есть удаление засвеченных участков фоторезиста для негативных и не засвеченных участков для позитивных фоторезистов. После проявления фоторезиста проводят вторую сушку фоторезиста, при которой происходит полимеризация оставшихся на подложке элементов фоторезиста.

После формирования на подложке изображения проводят травление подложки через окна в фоторезисте, образовавшиеся на поверхности подложки. Обычно травление применяют для удаления пленки оксида кремния, предварительно сформированного на кремниевой подложке. В традиционных технологиях травление проводят химически, при этом различают изотропные и анизотропные травители. В ряде технологических процессов на участки поверхности подложки, расположенные в окнах, напыляют пленки требуемого состава или проводят легирование открытых участков подложки.

На Рис. 2 приведены схемы формирования структур при изотропном и анизотропном травлении для случаев глубокого и мелкого травления.

Рис. 2. Профили трехмерного травления в изотропном и анизотропном

травителях при глубоком и мелком травлении.

Особенностью анизотропного травления является существенно более высокая скорость травления по определенным кристаллографическим направлениям. Мелкое изотропное травление используют, например, для точной подгонки положения затвора в полевых транзисторах, глубокое изотропное травление используют для изоляции элементов микросхем, а глубокое изотропное травление – для формирования матричных структур и балочных конструкций. В качестве примера на Рис. 3 приведена схема получения механических консольных структур, используемых, в частности, в микро-акселерометрах.

Рис. 3. Формирование механической консольной структуры.

Приведенная на Рис. 3 схема соответствует следующим технологическим процессам: а – формирование разделительного слоя из никеля, осажденного электрохимически на проводящее металлическое покрытие; б – формирование консоли из пленки золота, осаждением через окна в фоторезисте; в - вытравливание никеля и формирование консольной структуры.